Avaliação do uso de sistema alternativo para análise de vibração de corpo inteiro em aeronaves

Abstract

A exposição à vibração de corpo inteiro (VCI) é um fator de risco para a saúde ocupacional, especialmente em pilotos de helicóptero, demandando métodos de avaliação acessíveis e robustos. Este trabalho teve o objetivo de avaliar um sistema de medição de vibração proposto para determinar a dose de exposição à vibração submetida aos pilotos do helicóptero Arcanjo-01 do Corpo de Bombeiros de Santa Catarina, a fim de possibilitar investigações da relação entre as dores lombares dos pilotos e a vibração na aeronave. O trabalho avaliou o desempenho do sistema proposto baseado em acelerômetros MEMS capacitivos (DynaLogger), frente a um sistema de referência laboratorial (acelerômetro piezoelétrico e placa de aquisição SQuadriga II). A metodologia de validação seguiu uma abordagem evolutiva com a complexidade do teste em três etapas: ensaios controlados em bancada, testes preliminares em veículo de passeio e validação em voo operacional de helicóptero (AS350 B2). Os ensaios em bancada caracterizaram o ruído de fundo (8 mg RMS) e a resolução (16 mg) do DynaLogger frente à referência (ruído de 0,28 mg RMS e resolução de 0,5 mg RMS). Também se comprovou que, sob excitação significativamente acima da resolução e em banda comum de frequência de operação dos sistemas (3 m/s2 acima de 5 Hz), o sistema apresenta excelente fidelidade à referência (variações no valor RMS entre 3% e 10,7%). Além disso, verificou-se a superioridade no registro de frequências próximas a DC (0 Hz), as quais inerentemente são atenuadas pelo acoplamento AC da referência piezoelétrica. Em aplicação veicular, a limitação de quantização do sistema proposto (8 bits) em momentos de baixa excitação impossibilitou a determinação da exposição de determinadas coletas individuais, embora as métricas globais (A(8) e VDV) tenham apresentado diferenças inferiores a 12% em relação à referência. No ambiente do helicóptero, sob regime operacional contínuo e níveis de vibração superiores (RMS de 0,66 a 1,0 m/s2 a depender da direção), obtiveram-se variações nos níveis RMS de apenas 9% nos três eixos. Após o processamento digital por filtragem passa-alta com frequência de corte em 0,8 Hz no sinal medido pelo DynaLogger, os desvios na exposição entre coletas individuais foram inferiores a 10% e nas métricas globais a 6%. Conclui-se que, embora o sistema proposto exiba restrições em aplicação de baixa excitação, como em veículo de passeio em trânsito urbano, no ambiente do helicóptero mostra-se perfeitamente viável, confiável e operacionalmente superior para o monitoramento de VCI, eliminando ruídos de medição associados às vulnerabilidades de cabeamento e à menor área de fixação do acelerômetro de referência.

Abstract: Exposure to whole-body vibration (WBV) is a risk factor for occupational health, especially in helicopter pilots, demanding accessible and robust evaluation methods. This work aimed to evaluate a proposed vibration measurement system to determine the vibration exposure dose of pilots of Arcanho-01 helicopter from Santa Catarina Military Fire Department, in order to enable investigations onto the relationship between pilot?s lower back pain and aircraft vibration. The study evaluated the performance of the proposed system, based on capacitive MEMS accelerometers (DynaLogger), against a laboratory reference system (piezoelectric accelerometer and SQuadriga II acquisition system). The validation methodology followed an evolutionary approach with increasing test complexity in three steps: controlled bench test, preliminary passenger test vehicle, and in operational helicopter flight (AS350 B2). Bench test characterized the noise floor (8 mg RMS) and resolution (16 mg) of the DynaLogger against the reference (0,28 mg RMS noise floor and 0,5 mg RMS resolution). They also provided that, under excitation significantly above the resolution and the common operation frequency band of the system (0,3 m/s2 above 5 Hz), the system exhibits excellent fidelity to the reference (variation in RMS value between 3% to 10.7%). Furthermore, its superiority in recording frequencies close to DC (0 Hz) was verified, which are inherently attenuated by the AC coupling of piezoelectric reference. In automotive application, the quantization limit of the proposed system (8 bits) during low-excitation moments prevented the determination of exposure in certain individual samples, although global metrics (A(8) and VDV) showed differences below 12% compared to the reference. In the helicopter environment, under a continuous operating regime and higher vibration level (RMS from 0.66 to 1,0 m/s2 depending on the direction), variations in the RMS level of only 9% were obtained across the three axes. After digital processing using a high-pass filter with cutoff frequency of 0.8 Hz on the Dynalogger?s signal measured, deviations in exposure between individual samples were below 10%, and in global metrics below 6%. It is concluded that, although the proposed system exhibits restrictions in low-excitation applications, such as a passenger vehicle in urban traffic, in the helicopter environment it provides to be perfectly viable, reliable, and operationally superior for WBV monitoring, eliminating measurement noise associated with cabling vulnerabilities and smaller mounting area of the reference accelerometer.