¿Qué es el monitoreo acústico?

El sonido consiste en ondas de presión que viajan a través de un medio, usualmente aire o agua. Las ondas sonoras son un tipo de onda acústica, típicamente descritas por su frecuencia o tono (medido en hertzios, o Hz) y amplitud o volumen (medido en decibelios, o dB). Estas características ayudan a cuantificar el comportamiento y la intensidad del sonido en aplicaciones de monitoreo. Monitorear con sensores acústicos y analizar los sonidos que produce el equipo puede señalar características sonoras inesperadas para revisión humana. 

^{Figura 1: Sensor acústico}

Se emplean comúnmente varios tipos de sensores en el monitoreo acústico.

Micrófonos: son los sensores más comunes en el monitoreo acústico, ya que capturan directamente las ondas sonoras aéreas. Según las condiciones del sonido, los micrófonos de diafragma o de sistemas microelectromecánicos (MEMS), así como los micrófonos ultrasónicos, pueden ser más adecuados para el monitoreo acústico. Se pueden instalar arreglos de micrófonos en o alrededor del equipo para monitorizar el sonido, utilizando la fase para localizar las fuentes de ruido.

Acelerómetros: aunque se usan principalmente para monitoreo de vibraciones, los acelerómetros pueden complementar a los micrófonos para medir sonidos transmitidos por estructuras sólidas como carcasas de equipos o paredes.

Hidrófonos: los hidrófonos están diseñados para capturar señales de presión sonora bajo el agua. Su diseño resistente a la corrosión los hace ideales para aplicaciones industriales y científicas, incluyendo pruebas, monitoreo y mediciones subacuáticas.

^{Figura 2: Principios del monitoreo acústico}

La mayoría de máquinas y procesos industriales generan una firma sonora consistente cuando operan correctamente. Las desviaciones de esta firma base pueden indicar fallas o averías en desarrollo. Los sistemas de monitoreo acústico típicamente incluyen sensores, plataformas de hardware flexibles de adquisición de datos (DAQ) y software especializado para capturar, convertir, digitalizar y analizar señales sonoras en busca de características inusuales. Con base en el análisis, se puede programar mantenimiento, reparar componentes o ajustar procesos antes de que ocurran problemas graves.

El monitoreo acústico habilita mantenimiento predictivo que puede evitar reparaciones costosas, extender la vida útil del equipo y mejorar la seguridad. Las configuraciones comunes de recopilación de datos incluyen los siguientes tipos de sistemas.

Sistemas cableados: los sensores se conectan mediante cables a un dispositivo DAQ y a una computadora, ofreciendo alta fiabilidad y transmisión de datos en tiempo real. Existen algunas desventajas: Los sistemas cableados pueden ser difíciles de instalar, y los cables son susceptibles a daños. Puede ser complicado cablear un sistema distribuido en un área muy extensa.

Sistemas inalámbricos: los sensores transmiten datos inalámbricamente, permitiendo su colocación fácil en lugares de difícil acceso. Sin embargo, los sistemas inalámbricos requieren considerar la duración de la batería, el alcance de la señal y la seguridad de la información.

Monitoreo continuo (en línea): tanto los métodos cableados como inalámbricos generalmente proveen datos continuos o frecuentes para una visión en tiempo real de las condiciones acústicas. El monitoreo continuo ofrece más datos en tiempo real, pero cuando las fallas ocurren de manera gradual a lo largo del tiempo, puede no ser necesario capturar tanta información.

Controles periódicos (offline): un técnico usa un instrumento portátil para medir niveles de sonido periódicamente, brindando flexibilidad pero solo proporcionando instantáneas. Los controles periódicos pueden no capturar eventos instantáneos, pero son efectivos para identificar tendencias a largo plazo. 

El monitoreo acústico se enfoca en captar y analizar ruidos audibles y ondas sonoras de baja frecuencia, mientras que el monitoreo ultrasónico se dirige a ondas sonoras de alta frecuencia fuera del rango de audición humana. Las técnicas de monitoreo ultrasónico se utilizan para transmitir señales a través de materiales y detectar cambios causados por defectos internos o rupturas estructurales, empleándose frecuentemente en la inspección de materiales para verificar fallas internas en lugar de monitoreo activo de condición.

El análisis de datos acústicos implica revisar e interpretar información sonora, a menudo utilizando software como NI LabVIEW para crear aplicaciones de análisis personalizadas. Aquí hay algunas técnicas clave para analizar datos acústicos.

Análisis del espectro de frecuencia: utiliza técnicas como la transformada rápida de Fourier (FFT) para descomponer sonidos en frecuencias componentes, ayudando a identificar tipos específicos de fallas.

Análisis tiempo-frecuencia: métodos como el análisis de onda corta examinan cómo cambia la frecuencia a lo largo del tiempo, útil para sonidos transitorios.

Análisis de orden: se emplea para analizar cambios en valores armónicos relacionados con maquinaria rotativa. Es especialmente útil para monitorear motores o maquinaria, correlacionando el ruido del sistema con la velocidad del motor para detectar cambios en el funcionamiento.

Reconocimiento de patrones e IA: los algoritmos de aprendizaje automático automatizan cada vez más la detección y clasificación de anomalías en sonidos vinculados a problemas conocidos. Los problemas identificados pueden marcarse para revisión o activar acciones automáticas como alarmas o paradas si se superan umbrales críticos. El desafío al usar IA para monitoreo acústico es entrenar el modelo de IA con suficientes datos, incluyendo fallas, para que pueda reconocer lo que debe buscar. 

El monitoreo acústico se aplica en una variedad de equipos, componentes y procesos:

• Maquinaria rotativa
• Cojinetes
• Motores
• Bombas
• Válvulas
• Sistemas hidráulicos
• Engranajes
• Compresores
• Tuberías
• Sistemas eléctricos

El monitoreo acústico puede identificar los siguientes tipos de problemas potenciales en equipos y componentes:

• Desgaste o daño de cojinetes
• Desgaste de engranajes
• Desalineación
• Sobrecalentamiento
• Obstrucciones
• Grietas
• Fugas
• Lubricación excesiva o insuficiente (ultrasónica)
• Anomalías eléctricas

El monitoreo acústico puede ofrecer beneficios significativos:

• Detección temprana de fallas para prevenir fallos mayores y tiempo de inactividad
• Ahorro de costos mediante mantenimiento predictivo y detección de fugas que desperdician energía
• Mayor seguridad al detectar condiciones peligrosas
• Mejora en la calidad mediante la verificación de firmas acústicas
• Optimización de procesos gracias a conocimientos derivados del análisis de sonido

Las mediciones acústicas son fundamentales durante el diseño, validación y prueba de productos. Los ingenieros realizan análisis acústicos, a menudo automatizando secuencias de prueba con herramientas como NI TestStand, para evaluar ruido, vibración y aspereza (NVH) y cumplir con normas de emisión de ruido o mitigar fuentes de ruido no deseadas o excesivas. También pueden verificar el desempeño acústico de componentes y detectar fallas durante las pruebas de desarrollo y durabilidad.

NI ofrece una plataforma robusta para monitoreo y análisis acústico sofisticado. Los dispositivos de hardware NI CompactDAQ, NI PXI y NI CompactRIO se conectan directamente con micrófonos y acelerómetros. Nuestros módulos de entrada de sonido y vibración cuentan con características para mediciones acústicas precisas, incluyendo acondicionamiento de señal, filtrado, alto rango dinámico y cumplimiento con fundamentos de adquisición de señal dinámica.

También ofrecemos poderosas herramientas de software como el entorno de programación gráfica NI LabVIEW para desarrollo personalizado y análisis de sistemas. Software basado en configuración como NI FlexLogger™ simplifica el registro de datos, mientras que NI DIAdem ofrece capacidades avanzadas para gestionar, analizar y reportar grandes conjuntos de datos. El hardware y software de NI juntos permiten soluciones personalizadas de monitoreo acústico, convirtiendo datos sonoros en información accionable.

Las soluciones NI para monitoreo acústico ofrecen varias ventajas frente a otros métodos:

• Nuestra amplia experiencia en mediciones en diversas aplicaciones garantiza que las mediciones con equipos NI sean de mayor calidad que el hardware diseñado exclusivamente para el monitoreo de la condición. Los productos NI son más precisos, cuentan con temporización más estable y ofrecen mediciones más confiables.
• Las plataformas NI se basan en un concepto modular, por lo que los sistemas son más eficientes de diseñar y más fáciles de mantener durante toda la vida útil de la aplicación. A diferencia de los sistemas de personalidad fija, puede ampliar fácilmente los sistemas agregando módulos para obtener nuevos canales o mediciones.
• Los sistemas NI de alta velocidad pueden capturar todos los datos, no solo ráfagas periódicas. Esto significa que puede registrar eventos que otros sistemas podrían pasar por alto.