( PDF ) Caracterização de fontes sonoras e aplicação na auralização de ambientes

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

CARACTERIZAÇÃO DE FONTES SONORAS E APLICAÇÃO NA

AURALIZAÇÃO DE AMBIENTES

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

para a obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

MARCELO SANTOS PORTELA

Florianópolis, fevereiro de 2008

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA

CARACTERIZAÇÃO DE FONTES SONORAS E APLICAÇÃO NA

AURALIZAÇÃO DE AMBIENTES

MARCELO SANTOS PORTELA

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA

ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO VIBRAÇÕES E ACÚSTICA

sendo aprovada em sua forma final.

______________________________________

Prof. Arcanjo Lenzi, Ph.D. - Orientador

_______________________________________________

Prof. Fernando Cabral, Ph.D. - Coordenador do Curso

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________

Prof. Roberto Jordan, Dr.Eng. - Presidente

__________________________________________

Prof

. Elvira Barros Viveiros da Silva, Dr.Eng.

____________________________________________

Prof. Márcio Henrique de Avelar Gomes, Dr.Eng.

“Quem conhece o segredo dos sons

conhece o mistério da totalidade do universo”.

Hazrat Inayat Khan.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho não teria sido possível sem a ajuda, dedicação e orientação de uma série

de pessoas.

À minha família, por continuar sendo essa base sólida e segura onde posso sempre

tomar impulso para novas etapas da vida.

À carinhosa e paciente namorada Gabriela, que forneceu, mesmo que à distância, a

energia fundamental para a motivação de meu esmero nessa dissertação.

Ao “Chefe”, Professor Arcanjo Lenzi, pelo total apoio e confiança que ao longo desses

dois anos me proporcionou um ambiente de trabalho excepcionalmente agradável e acolhedor.

Ao mestre Paru, por todas as dicas e pelo suporte em todo o aparato construído.

A toda a equipe do LVA, pelas inúmeras vezes que compareceram carregando alguma

placa de madeira pesada, fechando a câmara anecóica ou simplesmente jogando uma

“bolinha”.

Ao chileno José, pelos muitos conselhos e por disponibilizar o sistema de gravação

intra-auricular e à Mônica, sua esposa, pelos esclarecimentos quanto à análise estatística dos

resultados.

Aos companheiros de sala, Marcos, Luís e Fabilson, pelos momentos descontraídos e

pelo apoio nas dificuldades.

Aos engenheiros Stephan Paul e Eric Brandão, pelo auxílio nas gravações, na análise

dos resultados e pela detalhada revisão deste documento.

A todas as outras pessoas que participaram nos ensaios de avaliação subjetiva.

Ao pesquisador Márcio Avelar, por disponibilizar o programa de simulação acústica

de salas e por estar sempre disponível para discutir sobre auralização.

Essas pessoas fantásticas apareceram no meu caminho e me passaram, com muita

paciência, ensinamentos teóricos e práticos que estão fazendo parte de minha formação como

profissional e como ser humano. Sou muito grato a todos!

Fundamental também foi o apoio de algumas empresas e instituições.

Ao programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de

Santa Catarina, principalmente aos professores, por possibilitarem esse aprendizado.

Ao CNPQ, pelo apoio financeiro.

À Smarttech, por disponibilizar o programa RAYNOISE durante o período de

pesquisa.

À Embraco, pelo empréstimo do manequim, usado nas gravações biaurais.

À Electrolux, por ceder o aparelho condicionador de ar para os estudos.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................i

LISTA DE TABELAS ...............................................................................................................v

SIMBOLOGIA..........................................................................................................................vi

RESUMO .................................................................................................................................vii

ABSTRACT ............................................................................................................................viii

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO................................................................................................1

1.1. OBJETIVOS DO TRABALHO..................................................................................................................... 2

1.1.1. Gerais .............................................................................................................................................. 2

1.1.2. Específicos.......................................................................................................................................2

1.2. CONTEÚDO DOS CAPÍTULOS .................................................................................................................. 2

CAPÍTULO 2 - CONCEITOS BÁSICOS..................................................................................4

2.1. CAMPOS SONOROS................................................................................................................................. 4

2.2. EQUAÇÃO DA ONDA .............................................................................................................................. 5

2.3. PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS .................................................................................................... 6

2.3.1. Convolução...................................................................................................................................... 6

2.3.2. Convolução no domínio da freqüência............................................................................................9

2.3.3. Sistemas lineares e resposta impulsiva............................................................................................ 9

2.4. TECNOLOGIA BIAURAL........................................................................................................................ 12

2.4.1. Funções de transferência relacionadas à cabeça – HRTFs .......................................................... 13

2.4.2. Técnicas de gravação.................................................................................................................... 15

2.4.3. Reprodução via fones de ouvido.................................................................................................... 15

CAPÍTULO 3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................17

3.1. AURALIZAÇÃO ....................................................................................................................................17

3.1.1. Modelagem do meio de propagação sonora.............................................................................18

3.1.2. O Método das Fontes Virtuais (FV).......................................................................................... 19

3.1.3. Método de Traçado de Raios (TR)............................................................................................21

3.1.4. Método Híbrido ou Método de Traçado de Pirâmides (RN).....................................................22

3.1.5. Obtenção da resposta impulsiva biaural e apresentação do resultado ....................................24

3.2. CARACTERIZAÇÃO DE FONTES SONORAS ............................................................................................ 25

3.2.1. Geração Sonora........................................................................................................................25

3.2.2. Direcionalidade ........................................................................................................................ 25

3.2.3. Modelos de direcionalidade em programas de simulação........................................................ 26

3.3. PARÂMETROS DE COMPARAÇÃO..........................................................................................................27

CAPÍTULO 4 - CARACTERIZAÇÃO DE FONTES SONORAS .........................................29

4.1. CARACTERIZAÇÃO DA FONTE.............................................................................................................. 29

4.2. CONSTRUÇÃO DA PAREDE REFLETORA (BAFFLE) ................................................................................. 30

4.3. MEDIÇÃO DA PRESSÃO SONORA .......................................................................................................... 32

4.4. DIAGRAMAS DE DIRECIONALIDADE..................................................................................................... 37

4.4.1. Direcionalidade do aparelho de ar-condicionado.................................................................... 37

4.4.2. Direcionalidade da voz............................................................................................................. 40

4.4.3. Direcionalidade do violão ........................................................................................................43

CAPÍTULO 5 - CADEIA DE GRAVAÇÃO E REPRODUÇÃO ...........................................46

5.1. GRAVAÇÕES DE CANAL ÚNICO ............................................................................................................ 46

5.2. GRAVAÇÕES BIAURAIS ........................................................................................................................ 49

5.3. REPRODUÇÃO VIA FONES DE OUVIDO ..................................................................................................51

5.4. O APARELHO DE AR-CONDICIONADO ................................................................................................... 52

5.4.1. A gravação da referência .............................................................................................................. 52

CAPÍTULO 6 - TÉCNICAS DE MODELAGEM E SIMULAÇÃO.......................................55

6.1. SIMULAÇÃO DO AMBIENTE.................................................................................................................. 55

6.2. ACÚSTICA GEOMÉTRICA...................................................................................................................... 55

6.3. O PROGRAMA RAYNOISE ................................................................................................................. 56

6.3.1. Caracterização de fontes sonoras .................................................................................................57

6.3.2. Resposta impulsiva biaural............................................................................................................ 57

6.3.3. Auralização....................................................................................................................................58

6.3.4. Interface gráfica............................................................................................................................58

6.4. O PROGRAMA MÓDULOS.................................................................................................................. 59

6.5. SALA DE REUNIÕES DO LVA ............................................................................................................... 61

6.6. POSIÇÕES DE FONTE E RECEPTOR ........................................................................................................ 63

6.7. CONSIDERAÇÕES SOBRE O APARELHO DE AR-CONDICIONADO............................................................. 64

CAPÍTULO 7 - ANÁLISE DOS RESULTADOS...................................................................65

7.1. ANÁLISE SUBJETIVA............................................................................................................................ 65

7.1.1. Análise dos resultados................................................................................................................... 66

7.1.2. Dados ordinais.......................................................................................................................... 67

7.1.3. Dados intervalares.................................................................................................................... 71

7.1.4. Comentários feitos pelos participantes..................................................................................... 74

7.2. ANÁLISE OBJETIVA.............................................................................................................................. 75

7.3. COMPARAÇÃO DO VOLUME PERCEPTÍVEL ........................................................................................... 81

CAPÍTULO 8 - CONCLUSÕES..............................................................................................83

Sugestões para trabalhos futuros................................................................................................................. 84

REFERÊNCIAS .......................................................................................................................85

APÊNDICES ............................................................................................................................89

APÊNDICE A - DESCRIÇÃO DA CONSTRUÇÃO DA PAREDE REFLETORA (BAFFLE)............................................. 90

APÊNDICE B - DADOS DA GEOMETRIA DA SALA (COORDENADAS CARTESIANAS) ........................................... 91

APÊNDICE C - DADOS DA GEOMETRIA DA SALA (ELEMENTOS E MATERIAIS).................................................. 92

APÊNDICE D - HISTOGRAMAS – DADOS INTERVALARES ................................................................................. 94

APÊNDICE E - ESPECTROGRAMAS ................................................................................................................ 101

APÊNDICE F - CONTEÚDO DO CD................................................................................................................. 103

APÊNDICE G - FORMULÁRIO PARA RESPOSTAS DA COMPARAÇÃO SUBJETIVA DE SONS ................................ 105

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Interior de uma câmara anecóica............................................................................5

Figura 2.2 - Exemplo de convolução entre dois sinais retangulares (a) e (b), com duração T1 e

T2, gerando em (c) um sinal y(t).........................................................................................8

Figura 2.3 – Resposta Impulsiva aplicada a um Sistema Linear Invariante no Tempo. ..........11

Figura 2.4 – Sistema de coordenadas polares...........................................................................13

Figura 2.5 – HRTFs medidas para diferentes pessoas..............................................................14

Figura 2.6 – Manequim (dummy head) instrumentado com microfones nos ouvidos. ............15

Figura 2.7 – Comparação da audição direta versus a cadeia de gravação e reprodução..........16

Figura 3.1 – Simplificação da cadeia de processamento do sinal na auralização. ...................18

Figura 3.2 - Ilustração simplificada do princípio do Método de Fontes Virtuais.....................19

Figura 3.3 – Teste de visibilidade para Fontes Virtuais. ..........................................................20

Figura 3.4 – Ilustração em 2D do traçado de um raio. .............................................................21

Figura 3.5 – Fonte sonora emitindo um feixe piramidal. .........................................................22

Figura 3.6 – Traçado de Pirâmides: fonte original espelhada na superfície, resultando na

imagem que representa o ápice da pirâmide refletida. .....................................................23

Figura 3.7 – Discretização da frente de onda através das bases triangulares das pirâmides....23

Figura 3.8 – Fala cruzada (cross-talk) decorrente da reprodução via alto-falantes..................25

Figura 4.1 – Modelo simplificado das placas da parede refletora montadas dentro da câmara

semi-anecóica. À esquerda, a vista isométrica e, na direita a vista superior....................30

Figura 4.2 – Ilustração do projeto da estrutura do baffle..........................................................31

Figura 4.3 – Estrutura da parede refletora (baffle), com o aparelho condicionador de ar

instalado, a referência de ângulo horizontal no chão e o sistema arco-haste-microfone

montado. ...........................................................................................................................32

Figura 4.4 - Representação da posição 13 de microfone..........................................................33

Figura 4.5 – Diagrama angular horizontal de referência com prumo.......................................34

Figura 4.6 - Representação do ponto 15° vertical - 90° horizontal. .........................................35

Figura 4.7 - Vista lateral do aparato. ........................................................................................35

Figura 4.8 – Ilustração do equipamento utilizado. ...................................................................36

Figura 4.9 – Equipamento de medição no interior da câmara..................................................36

Figura 4.10 - Direções convencionadas no diagramas do ar-condicionado. ............................38

Figura 4.11 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as

bandas de freqüência de 125Hz e 250Hz..........................................................................38

Figura 4.12 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as

bandas de freqüência de 500Hz e 1kHz............................................................................39

Figura 4.13 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as

bandas de freqüência de 2kHz e 4kHz..............................................................................39

Figura 4.14 – Balão de direcionalidade (por interpolação) do aparelho de ar-condicionado,

para a freqüência de 1kHz. ...............................................................................................40

Figura 4.15 – Convenções de direção para a voz humana........................................................41

Figura 4.16 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de

freqüência de 125Hz e 250Hz. .........................................................................................41

Figura 4.17 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de

freqüência de 500Hz e 1kHz. ...........................................................................................42

Figura 4.18 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de

freqüência de 2kHz e 4kHz. .............................................................................................42

Figura 4.19 – Balão de direcionalidade (por interpolação) da voz humana, para a freqüência

de 4kHz.............................................................................................................................43

Figura 4.20 – Representação das direções convencionadas para os diagramas do violão. ......43

Figura 4.21 – Diagramas polares de direcionalidade do violão, para as bandas de freqüência

de 125Hz e 250Hz. ...........................................................................................................44

Figura 4.22 – Diagramas polares de direcionalidade do violão, para as bandas de freqüência

de 2kHz e 4kHz. ...............................................................................................................44

Figura 4.23 - Balão de direcionalidade (por interpolação) do violão para a freqüência de

4kHz. ................................................................................................................................45

Figura 5.1 – Microfone de campo livre montado no interior da câmara..................................46

Figura 5.4 – Microfone posicionado a 1 m da fonte sonora para as gravações anecóicas do ar-

condicionado.....................................................................................................................48

Figura 5.5 – Gravação do violão em câmara semi-anecóica, com microfone a 1m de distância.

..........................................................................................................................................49

Figura 5.6 – Gravação da voz em câmara semi-anecóica, com microfone a 3m de distância. 49

Figura 5.7 – Manequim (dummy head) para gravação biaural.................................................50

Figura 5.8 – Aparato de gravação biaural do violão na sala de reuniões. ................................50

Figura 5.9 – Aparato de gravação biaural da voz na sala de reuniões......................................51

Figura 5.10 – Ouvinte com fones de ouvido, respondendo ao questionário subjetivo interativo.

..........................................................................................................................................52

Figura 5.11 – Mini-microfones inseridos no canal auditivo de uma pessoa para uma gravação

intra-auricular. ..................................................................................................................53

iii

Figura 5.12 - Dodecaedro Omnidirecional...............................................................................53

Figura 5.13 - Ilustração do equipamento utilizado nas gravações biaurais de referência do ar-

condicionado.....................................................................................................................54

Figura 5.14 - Equipamento montado na sala de reuniões para as gravações biaurais..............54

Figura 6.1 – Vista do modelo geométrico da sala no programa RAYNOISE..........................59

Figura 6.2 - Ilustração da sala de reuniões no LVA-UFSC......................................................61

Figura 6.3 - Vista superior das posições de fonte e receptor para o violão..............................63

Figura 6.4 - Vista superior das posições de fonte e receptor para a voz. .................................63

Figura 6.5 - Vista superior das posições de fonte e receptor para o aparelho de ar-

condicionado.....................................................................................................................64

Figura 7.1 – Escala de linha para ordenamento dos sons em relação à referência (R).............65

Figura 7.2 – Exemplo do resultado do ensaio subjetivo, com o ordenamento dos sons em

relação à referência (R) marcado na escala de linha. .......................................................66

Figura 7.3 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério localização

do violão e da voz.............................................................................................................67

Figura 7.4 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro

localização........................................................................................................................68

Figura 7.5 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério

reverberação do violão e da voz. .....................................................................................68

Figura 7.6 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro

reverberação.....................................................................................................................69

Figura 7.7 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério timbre do

violão e da voz..................................................................................................................69

Figura 7.8 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro

timbre................................................................................................................................69

Figura 7.9 – Classificação geral para o parâmetro Localização conforme dados ordinais. .....71

Figura 7.10 – Classificação geral para o parâmetro Reverberação conforme dados ordinais..71

Figura 7.11 - Histograma para o parâmetro Reverberação da fonte voz - Método FV............72

Figura 7.12 - Histograma para o parâmetro Localização da fonte violão - Método RN..........72

Figura 7.13 – Reclassificação para o parâmetro Localização em função da análise dos dados

intervalares. ......................................................................................................................74

Figura 7.14 – Reclassificação para o parâmetro Reverberação em função da análise dos dados

intervalares. ......................................................................................................................74

Figura 7.15 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de

referência. .........................................................................................................................76

Figura 7.16 - Espectros FFT dos resultados do canal direito das simulações e do som de

referência. .........................................................................................................................77

Figura 7.17 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de

referência para as bandas de 63, 125 e 250 Hz.................................................................78

Figura 7.18 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de

referência, para as bandas de 500, 1000 e 2000 Hz..........................................................79

Figura 7.19 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de

referência, para as bandas de 4000, 8000 e 16000 Hz......................................................80

Figura 7.20 – Curvas de loudness específico para os resultados das simulações, em bandas de

terço de oitava...................................................................................................................82

LISTA DE TABELAS

Tabela 5.1 – Nível de pressão sonora do ruído de fundo medido no interior da câmara semi-

anecóica. ...........................................................................................................................47

Tabela 6.1 - Coeficientes de absorção usados na simulação computacional, em bandas de

oitava. ...............................................................................................................................62

Tabela 6.2 - Coordenadas cartesianas em metros das posições de fonte e receptor.................64

Tabela 7.1 – Verificação de diferenças significativas em dados ordinais................................70

Tabela 7.2 – Medianas obtidas das distribuições de dados para os três parâmetros. ...............73

Tabela 7.3 – Verificação de diferenças significativas em dados intervalares. .........................73

Tabela 7.4 – Valores globais para loudness e níveis de pressão sonora dos resultados das

simulações. .......................................................................................................................82

SIMBOLOGIA

Alfabeto Latino:

Tempo de reverberação [s]

c Velocidade do som no ar [m/s]

V Volume da sala [m

]

S Área de superfície interna da sala [m

]

f Freqüência [Hz]

Duração do sinal retangular x(t) [s]

Duração do sinal retangular h(t) [s]

Q Fator de direcionalidade

I Intensidade medida da fonte sonora em determinada direção [W/m

]

Intensidade de referência, correspondente à emissão em campo livre [W/m

]

Índice de direcionalidade

k Número de onda, dado por ω/c

Alfabeto Grego:

α Coeficiente de absorção sonora do material em uma dada freqüência

ω Freqüência angular [rad/s]

λ Comprimento de onda [m]

υ Ângulo de elevação na HRTF (zenith) [grau]

φ Ângulo de rotação na HRTF (azimuth) [grau]

Funções:

δ(t) Delta ou Delta de Dirac

x(t) Função de entrada do sistema linear invariante no tempo

y(t) Função de saída do sistema linear invariante no tempo

h(t) Resposta impulsiva do sistema linear invariante no tempo

X(ω) Transformada de Fourier da função x(t)

Y(ω) Transformada de Fourier da função y(t)

H(ω) Transformada de Fourier da função h(t)

vii

RESUMO

O objetivo da auralização é proporcionar ao ouvinte uma impressão de como uma

fonte soa dentro de um ambiente, mesmo que esse ambiente não exista fisicamente. Existem

hoje disponíveis alguns métodos pelos quais é possível modelar o campo acústico associado a

uma posição em relação a uma fonte sonora dentro de uma sala. Neste trabalho, os métodos

geométricos de modelagem conhecidos como Fontes Virtuais, Traçado de Raios e Traçado de

Pirâmides foram utilizados separadamente e seus resultados audíveis foram comparados a um

som de referência. Esta referência consiste em uma gravação biaural da fonte feita dentro de

uma sala existente, em igual posição considerada na simulação. As fontes sonoras estudadas

foram: um aparelho de ar-condicionado, um violão e a voz humana. A sala considerada foi

uma sala de reuniões.

Os métodos de Fontes Virtuais e Traçado de Raios foram aplicados nas simulações

através de um programa em desenvolvimento chamado MÓDULOS, enquanto o programa

comercial de simulação RAYNOISE foi utilizado para aplicar o método de Traçado de

Pirâmides. A comparação dos resultados foi realizada por meio de duas diferentes

abordagens: comparação subjetiva e análise espectral.

Os resultados permitiram avaliar as vantagens e desvantagens de cada método, bem

como identificar as possíveis fontes de incertezas dentro da cadeia de análise que envolve

gravação, modelagem computacional, processamento digital de sinais e reprodução via fones

de ouvido.

viii

ABSTRACT

The objective of the auralization process is to provide an impression to the listener of

how a sound source inside a room would sound like, even if this room doesn't exist.

Nowadays there are some methods available by which it is possible to model the acoustic

field related to known source and receptor positions inside the room. In this work, the

geometric modeling methods known as Image Source Method, Ray-Tracing Method and

Beam-Tracing Method were applied and the audible results were compared to a reference

sound. This reference is a binaural recording taken inside the real room, in the exact position

considered in the simulation. The studied sound sources were: the air-conditioner noise, an

acoustic guitar and the human voice. The considered enclosed space was a meeting room.

The Image Source Method and Ray-Tracing Method were applied through

MODULOS, software in development, while the Beam-Tracing Method was applied through

LMS RAYNOISE software. The comparison of the results was accomplished through two

different approaches: subjective comparison and frequency analysis.

Finally, it was possible to evaluate the main advantages and disadvantages of each

method, and to identify the possible sources of uncertainties concerning the whole analysis

chain, that involves recording, modeling, digital signal processing and reproduction via

headphones.

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

O comportamento do som no interior de um ambiente é um fator importante tanto para

o projetista de salas ou equipamentos quanto para o cidadão comum que compra ou usufrui do

resultado do projeto. No caso de um produto acoplado a uma sala, como é o caso de um

condicionador de ar, o efeito acústico somado à vibração estrutural, considerando o

posicionamento e as características da fonte de ruído dentro da sala, são elementos que podem

ser estudados através da simulação acústica, conhecida como auralização. O mesmo pode ser

aplicado à previsão do campo acústico resultante de um instrumento musical ou da própria

voz humana.

É fato que, tanto entre técnicos da indústria quanto entre responsáveis por salas de

audição crítica (engenheiros de áudio, operadores de mesa de som), ou mesmo entre músicos,

ainda falta orientação quanto ao comportamento acústico do som produzido nos diferentes

ambientes. O mesmo se aplica aos projetistas das salas. Alguns projetos arquitetônicos

esteticamente elaborados e ousados não apresentam o devido cuidado em relação à acústica.

Essa orientação normalmente é feita por especialistas, engenheiros acústicos que, por sua vez,

se utilizam de parâmetros acústicos numéricos para representar objetivamente grandezas

acústicas envolvidas, tais como T

, IACC, etc. Mas a comunicação entre o engenheiro, o

músico e o arquiteto nem sempre se dá de maneira satisfatória, pois os termos usados são

muito específicos, de difícil compreensão e a qualidade subjetiva do som depende de

variáveis inter-relacionadas.

Dessa forma, fica evidente a importância de usarem-se meios de comunicação que

todos os interessados entendam, tal como uma semântica adequada. Porém, o uso da

semântica também gera certos obstáculos, já que engenheiros usam termos técnicos como

reverberação, clareza, modulação que, em geral, o leigo não conhece ou interpreta de forma

diferente.

É, portanto, necessária outra solução, que aproveite os sentidos que todos os

envolvidos têm em comum, como a audição. A auralização proporciona ao ouvinte uma

impressão de como uma fonte soa dentro de um ambiente, mesmo que este não exista

fisicamente. Essa ferramenta já é viável hoje, sendo uma das melhores formas de

demonstração de conceitos em acústica e uma maneira efetiva de avaliar soluções previstas

para qualidade sonora de produtos bem como o desempenho de salas de audição crítica.

Por definição, auralização é o processo de representar de forma audível, através de

modelagem física ou matemática, o campo sonoro de uma fonte em um espaço, de forma a

simular a experiência auditiva em uma determinada posição no ambiente modelado.

O resultado da modelagem é um filtro biaural que pode ser aplicado ao sinal da fonte

por meio da convolução. Este sinal deve ser obtido previamente em uma condição livre de

reflexão, para não conter a influência do ambiente de gravação. O resultado da convolução é

um sinal biaural que pode ser apresentado através de fones de ouvido ou via alto-falantes.

Caso se opte por alto-falantes, é preciso cancelar a fala cruzada (cross-talk) entre os canais.

Os fones de ouvido oferecem diversas vantagens, sendo a principal delas a separação total dos

canais.

1.1. Objetivos do trabalho

1.1.1. Gerais

Apresentar os conceitos e ferramentas utilizadas no processo da auralização, bem

como identificar as dificuldades e limitações de cada etapa envolvida.

1.1.2. Específicos

Simular, através da auralização, fontes sonoras dentro de uma sala de geometria

simples, utilizando três diferentes métodos: Traçado de Raios, Fontes Virtuais e Traçado de

Pirâmides. Comparar os resultados desses métodos de auralização com gravações das mesmas

fontes dentro do ambiente real, por meio de análise subjetiva e objetiva. As fontes sonoras

utilizadas foram: um aparelho de ar-condicionado, a voz humana e o violão.

1.2. Conteúdo dos capítulos

CAPÍTULO 2 - são revisados os conceitos que compõem a base teórica do processo

de auralização.

CAPÍTULO 3 - são referenciados os atuais estados da literatura relacionada aos

assuntos utilizados como fundamentos para esta dissertação de mestrado.

CAPÍTULO 4 - são expostos os métodos utilizados para medir a direcionalidade de

uma fonte sonora, no caso deste trabalho, um aparelho de ar-condicionado. Também são

apresentados os diagramas de direcionalidade para dois outros tipos de fontes sonoras (voz e

violão). Finalmente, é discutido o conceito dos modelos de direcionalidade incluído nos

algoritmos de simulação.

CAPÍTULO 5 - são discutidos os métodos utilizados para todas as gravações e

reproduções realizadas ao longo do trabalho.

CAPÍTULO 6 - são discutidos os métodos e programas utilizados na simulação dos

elementos que compõem o sistema em estudo: fonte, meio e receptor. Também é apresentada

a sala considerada em todas as simulações e as configurações fonte-receptor adotadas para as

três distintas fontes sonoras consideradas.

CAPÍTULO 7 - é dividido em duas partes. Inicialmente é apresentada a metodologia

utilizada para a avaliação subjetiva dos resultados dos diferentes métodos de auralização para

voz e violão. Depois são demonstrados os resultados das comparações objetivas relativas à

auralização do ruído do aparelho de ar-condicionado. As últimas baseiam-se na análise

espectral.

CAPÍTULO 8 - são apresentadas as conclusões sobre os resultados do trabalho de

forma geral. Também são feitas sugestões para trabalhos futuros.

CAPÍTULO 2

CONCEITOS BÁSICOS

Neste capítulo são revisados alguns conceitos que compõem a base teórica do processo

de auralização.

2.1. Campos sonoros

Um campo sonoro é uma zona do espaço onde existem ondas sonoras, sendo definido

pela pressão sonora e pela velocidade das partículas [HENRIQUE, 2002]. São esses

parâmetros e a relação de fase entre eles que descrevem o comportamento das ondas sonoras

no tempo e no espaço. O termo campo sonoro descreve a interação das ondas sonoras com o

meio ambiente. A sua natureza depende da radiação da fonte sonora, da distância à fonte e dos

obstáculos no percurso das ondas.

Um campo livre é um campo sonoro em que as ondas sonoras se propagam em todas

as direções sem obstáculos, não havendo reflexão, difração, refração ou difusão. Uma vez que

não há obstáculos nem reflexões, é evidente que um campo sonoro livre não pode apresentar

fenômenos de ressonância. Um ambiente que se possa considerar verdadeiramente um campo

livre é praticamente impossível de obter, sendo a câmara anecóica

a melhor aproximação

técnica, uma vez que quase não existe reflexão ou, dito de outro modo, a absorção sonora

pelas superfícies internas do espaço é praticamente total. Também se usa a designação campo

direto como sinônimo de campo livre, porque neste só existe som direto.

Num espaço fechado comum existe som direto e som reverberante. O som

reverberante resulta das reflexões nas superfícies internes desse ambiente, gerando um campo

denominado campo reverberante.

Num campo difuso existe a mesma pressão sonora média em todos os pontos e a

radiação sonora faz-se de modo idêntico em todas as direções (campo difuso e campo

reverberante são muitas vezes considerados sinônimos). Para ter um campo difuso relativo às

freqüências graves, uma sala deve ser bastante grande, pois as baixas freqüências têm grande

comprimento de onda. A freqüência acima da qual existe campo difuso pode ser determinada

através da equação desenvolvida por Schröeder em 1965 [KUTTRUFF, 1991], como segue:

Sala especialmente projetada para o teste de equipamentos sonoros, microfones e alto-falantes, em teoria absolutamente isenta de

reverberações. Essa característica é obtida pelo uso de material acústico absorvente em forma de cunhas. Ver Figura 2.1.

2000

[Hz]

(2.1)

onde T

é o tempo de reverberação (s) e V é o volume da sala (m

Figura12.1 – Interior de uma câmara anecóica [SALFORD].

2.2. Equação da onda

As equações de onda que regem os fenômenos de propagação em acústica derivam das

equações da mecânica dos fluidos. Como grande parte dos fenômenos acústicos envolve

pequenas perturbações, é possível fazer simplificações que resultam em equações

linearizadas, a partir das quais se deduz, para o campo de pressão, a equação da onda plana se

propagando ao longo do eixo x [KUTTRUFF, 1991]:

∂

(2.2)

onde p = p(x,t).

A representação complexa da solução harmônica para a Equação (2.2) é dada por:

)()( kxtjkxtj

+−

ωω

BAp

(2.3)

onde k é o número de onda dado por ω/c. As constantes complexas A e B são usadas para

adaptar essa solução às condições de contorno.

Teoricamente uma resposta impulsiva entre uma fonte e um receptor pode ser obtida

através da solução da equação de onda, porém o procedimento analítico exige um esforço

considerável. Assim, outros métodos de modelagem são usados para evitar esta dificuldade

(vide Capítulo 3, item 3.1).

2.3. Processamento digital de sinais

O processamento de sinais consiste na análise e/ou modificação de sinais de forma a

extrair informações dos mesmos e/ou torná-los mais apropriados para alguma aplicação

específica. Pode ser realizado de forma analógica ou digital. Existem diversas técnicas

computacionais que podem ser utilizadas diretamente em um sistema baseado no IBM-PC

padrão, sem a necessidade do uso de equipamentos de hardware específicos como os DSPs e

microcontroladores. As transformadas matemáticas como a de Fourier e Wavelets são

exemplos desse tipo de processamento.

Com o crescente avanço da tecnologia digital e da capacidade de processamento dos

computadores, a manipulação dos sinais de áudio, por intermédio do processamento digital, se

tornou corriqueira e até mesmo necessária às demandas atuais.

Quando se pretende implantar um sistema de auralização que possa ser utilizado em

um computador pessoal, as teorias e técnicas de processamento de sinais discretos no tempo

passam a orientar os resultados da acústica e da psicoacústica em direção à realização virtual

de ambientes e eventos auditivos.

2.3.1. Convolução

A convolução é uma das operações mais utilizadas no processamento digital de sinais.

Um exemplo seria a implementação de um filtro digital, normalmente efetuada através da

convolução direta do sinal de entrada com a resposta impulsiva do filtro. Ao estimar o

conteúdo espectral de um sinal, a operação básica da autocorrelação é simplesmente a

convolução do sinal com uma versão dele mesmo, porém invertida no tempo

[SOKOLNIHOFF e REDHEFFER, 1958]. Na auralização, o resultado é obtido através da

convolução do filtro resultante da modelagem com um som gravado da fonte sonora.

Teoricamente, a transformada de Laplace do produto de convolução entre duas

funções f e g é igual ao produto das transformadas de Laplace das duas funções.

Demonstrando matematicamente, a partir das definições da transformada de Laplace e

do produto de convolução, obtém-se:

{}

() (- ) dd

fg frgtre rt

∞

∗ =

∫∫

(2.4)

A integral em r pode ser estendida até infinito ao multiplicá-la por uma função degrau

unitário que anule o trecho desde o tempo t até infinito:

{}

() (-)( ) dd

fg frgtrutre rt

∞

∗ = −

∫∫

(2.5)

Trocando a ordem dos dois operadores integrais, obtém-se:

{}

() (-)( ) d d

Lf g fr gtrut re t r

∞

⎡

⎤

⎢

⎥

∗ = −

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

∫∫

(2.6)

O termo entre colchetes é a transformada de Laplace da função g, deslocada em t:

(-)( )gt rut r−

(2.7)

Pode-se observar que é igual à transformada de Laplace de g, multiplicada pela

exponencial de -sr. Assim, se obtém o resultado:

{}

() () d

fg Gs fre r

∞

−

∗ =

∫

(2.8)

Esse resultado é igual ao produto das transformadas de Laplace das duas funções,

como se pretendia demonstrar:

{}

() ()Lf g FsGs∗ =

(2.9)

O teorema anterior também implica que a transformada inversa de Laplace de um

produto de funções é igual ao produto de convolução entre as transformadas inversas das duas

funções. O teorema de convolução é útil no cálculo de transformadas inversas de funções

complicadas que possam ser escritas como o produto entre funções simples. O produto de

convolução entre funções verifica a propriedade comutativa, associativa e distributiva em

relação à soma de funções.

Vendo de outra forma, também se pode definir a convolução da seguinte forma: “A

transformada de Fourier de duas funções convoluídas no domínio do tempo é igual ao produto

das transformadas das duas funções no domínio de Fourier”.

A convolução de dois sinais retangulares está exemplificada na Figura 2.2.

Figura22.2 - Exemplo de convolução entre dois sinais retangulares (a) e (b), com duração T1 e T2, gerando em

2.3.2. Convolução no domínio da freqüência

Somente para sistemas lineares e invariantes no tempo (SLITs), abordados no item

2.3.3 deste capítulo, a operação de convolução no domínio do tempo equivale à multiplicação

no domínio da freqüência. Sendo assim é possível calcular a transformada de Fourier dos

sinais, realizar a multiplicação entre elas e retornar ao domínio do tempo, através da

transformada inversa de Fourier. Tal transformada pode ser implementada de duas formas.

Uma delas é a forma tradicional de realizar a transformada rápida de Fourier, do inglês fast

Fourier transform, FFT [OPPENHEIM e SCHAFER, 1999]. A outra maneira, chamada de

FTTW [FRIGO e JOHNSON, 2005], consiste em uma biblioteca para linguagem C e

representa uma forma bastante eficiente de implementação da transformada de Fourier.

2.3.3. Sistemas lineares e resposta impulsiva

Um sistema físico ideal é definido como um sistema fisicamente realizável, que

apresenta estabilidade, linearidade e parâmetros de valor constante. Tais sistemas possuem

propriedades importantes para uma análise linear, pois suas características podem ser

identificadas experimentalmente a partir da relação entre sinais de estímulo (entradas) e de

resposta (saídas) medidos sobre o sistema [SOKOLNIHOFF e REDHEFFER, 1958].

Considerando um sistema linear e invariante no tempo (SLIT), uma das soluções para

a análise do sistema, a partir da equação diferencial que rege o seu comportamento, é a

Transformada de Fourier, cuja função é mudar o domínio dos dados, do tempo para a

freqüência. É um recurso interessante, em virtude da manipulação matemática no domínio da

freqüência ser mais simples.

A Transformada de Fourier X(ω) de um sinal x(t) é definida por:

() () d

te t

+∞

−

−∞

∫

(2.10)

Para retornar ao domínio do tempo, utiliza-se a Transformada Inversa de Fourier,

definida por:

() ( ) d

xt X e

ωω

+∞

−∞

∫

(2.11)

Somente é possível realizar a Transformada de Fourier de uma função f(x) sob a

condição de existir o limite finito dado pela Equação (2.12) [KREYSZIG, 1993]:

()d

+∞

−∞

∫

(2.12)

Cabe ressaltar que a utilidade da Transformada de Fourier é fundamentada no fato de

que o sistema analisado é linear e invariante no tempo (SLIT), porque as exponenciais são

autofunções dos operadores diferenciais lineares com coeficientes constantes.

Representam-se entrada e saída de sinais no domínio da freqüência de um sistema

linear e invariante no tempo (SLIT) por:

⇒)(

)(

⇒

Conhecido o sinal de entrada x(t) e o sinal de saída y(t), pode-se determinar a Função

de Resposta em Freqüência (FRF) do sistema, H(ω), a partir de:

() () ()YHXωωω=

()

(2.13)

Entretanto, para que a FRF represente a descrição completa das características do

sistema, é necessário que o sinal de excitação possua todas as componentes de freqüência.

Idealmente, isso é obtido através da função Delta ou Delta de Dirac, δ(t), definida por:

)(lim)(

tft

e→

(2.14)

onde: 0,

ara |t| ε>

( )

t =

, 0

para t

SLIT

A função Delta de Dirac possui as seguintes propriedades:

() d 1ttδ

+∞

−∞

∫

(2.15)

( ) 0 , 0ttδ = ≠

(2.16)

() ( - ) d ( )

ttat faδ

+∞

−∞

∫

(2.17)

As características da função Delta de Dirac são que sua área é igual a 1, sua amplitude

tende para infinito e seu tempo de duração para zero, e que em todas as freqüências sua

transformada tem amplitude igual a 1. A resposta h(t) de um sistema a uma excitação Delta é

conhecida como Resposta Impulsiva e é representada pela Figura 2.3.

Figura32.3 – Resposta Impulsiva aplicada a um Sistema Linear Invariante no Tempo.

Conhecida H(ω), pode-se calcular h(t) através da Transformada Inversa de Fourier.

Feito isto, é possível utilizar a convolução para determinar a resposta para uma excitação

qualquer. A convolução de dois sinais x(t) e y(t) é dada por:

() ()*() ()( )d () () ()yt xt ht x ht Y H Xωωωτττ

∞

∫

==−⇒=

(2.18)

onde o sinal * indica a convolução dos sinais.

h(t)

δ(t)

(

)

SLIT

O limite inferior de integração é zero em razão da causalidade, dado que um sistema

fisicamente realizável não pode produzir uma saída antes que um sinal seja aplicado em sua

entrada. A estabilidade do sistema limita a saída a sinais finitos para todos sinais de entrada

finitos.

O sistema será invariante no tempo se seus parâmetros tiverem valor constante. Assim,

a resposta do sistema h(t) será constante para qualquer valor de tempo.

Dado que um sistema produza as saídas y

(t) e y

(t) para as entradas x

(t) e x

(t),

respectivamente, esse sistema será linear caso apresente as propriedades de aditividade e

homogeneidade, ou seja, para a entrada c(x

(t) + x

(t)) fornecer a resposta cy

(t) e cy

(t), sendo

c uma constante qualquer.

2.4. Tecnologia biaural

É desejável em medições que um sensor ou sistema de aquisição de dados não

interferira no fenômeno a ser registrado. As orelhas, receptores acústicos no homem, ficam

em lados opostos da cabeça. Isto certamente influi no fenômeno de percepção sonora. E tudo

soa muito bem, tridimensional e preciso espacialmente. Os sinais assim modificados são

chamados de sinais biaurais ou biauriculares. Nestes termos, o "bi" do latim, significa dois ou

duas vezes.

A técnica de gravação biaural usa dois microfones da mesma forma que em uma

gravação estéreo convencional, porém são posicionados dentro das orelhas, separados por

aproximadamente quinze centímetros em direções opostas, apontando ao longo do eixo

invisível que transpassa a cabeça.

O termo tecnologia biaural se refere ao conjunto de técnicas de gravação e reprodução

das pressões sonoras que ocorrem nos tímpanos para tentar ao máximo recriar um evento

auditivo sem que haja diferenças de localização espacial e timbre entre o que foi gravado e o

que será reproduzido. Esses sinais, que são coletados nas membranas timpânicas, e que

possuem todas as informações espaciais e espectrais de uma imagem sonora, são

denominados de sinais biaurais [FERNANDES JÚNIOR, 2005].

As transformações que ocorrem em um sinal de uma fonte sonora podem ser mais bem

representadas e analisadas pelo par de respostas impulsivas relacionadas à cabeça (Head

Related Impulse Responses - HRIR). Os respectivos espectros dessas respostas impulsivas são

denominados Funções de Transferência Relacionadas à Cabeça (Head Related Transfer

Functions - HRTF) [BLAUERT, 1997].

2.4.1. Funções de transferência relacionadas à cabeça – HRTFs

Considere uma fonte sonora que proporciona uma pressão acústica, medida num ponto

de referência, identificada por p

(t). Se um ouvinte passa a ocupar um lugar nesse espaço de

tal forma que o centro do eixo imaginário que transpassa a cabeça através das duas orelhas

(origem do sistema referencial) seja o ponto onde foi tomada a pressão p

(t), pode-se escrever

as seguintes funções de transferência de campo livre através das Equações (2.19), (2.20) e

(2.21):

( ) pressão sonora no tímpano

( ) pressão sonora no centro da cabeça com o ouvinte ausente

(2.19)

()

pressão sonora na entrada do canal auditivo

( ) pressão sonora no centro da cabeça com o ouvinte ausente

(2.20)

( ) pressão sonora na entrada do canal bloqueado

( ) pressão sonora no centro da cabeça com o ouvinte ausente

(2.21)

Essas funções de transferência dependem do ângulo de incidência (Figura 2.4) e da

distância até a fonte sonora.

Figura42.4 – Sistema de coordenadas polares.

Jens Blauert (1997) indica que se a distância até a fonte sonora for maior que 3m a

onda incidente já pode ser considerada como plana e que, assim, as HRTF anteriores tornam-

se quase independentes da distância da fonte.

Nas HRTFs, é de extrema importância a relação entre direção de incidência e a

variação destas funções de transferência, representadas pelas Equações (2.19), (2.20) e (2.21),

para diferentes pontos de coleta no canal auditivo. A partir da entrada do conduto, a

propagação sonora passa a ser unidimensional. Isto quer dizer que ela se torna independente

da direção e da distância da fonte sonora [BLAUERT, 1997][MØLLER, 1992], considerando

que a fonte não é uma fonte próxima.

A maior variação das HRTFs se dá a partir de 200Hz. A cabeça, o torso e os ombros

começam a interferir de maneira significativa nas freqüências médias (até aproximadamente

1,5 kHz) e o pavilhão auricular, em conjunto com a cavum conchae, distorcem as freqüências

mais altas (a partir de aproximadamente 2 kHz) [PAUL, 2008].

Dependendo da pessoa em que se fazem as medições, as diferenças entre as HRTFs

podem ser consideráveis, como mostra a Figura 2.5, onde P1, P2, P3 e P4 representam as

curvas de HRTF de diferentes pessoas. Esse fato pode trazer alguns problemas quando se

realizam gravações através de manequins para fazer posteriormente a reprodução para um

ouvinte, ou mesmo gravações utilizando o canal auditivo de outras pessoas. O resultado perde

precisão em localização espacial e realismo, quando escutado por outra pessoa.

Figura52.5 – HRTFs medidas para diferentes pessoas [VORLÄNDER, 2005].

Existem algumas bases de dados de HRTFs publicadas, disponibilizadas em páginas

na internet [KEMAR][IRCAM][AUDIS][CIPIC].

2.4.2. Técnicas de gravação

A gravação biaural pode ser realizada através do sistema que utiliza pessoas ou por

outro que trabalha com modelos parciais de pessoas, os manequins [PAUL, 2008]. O método

utilizado nesse estudo foi o manequim, ilustrado na Figura 2.6. Os manequins são imitações

parciais do sistema auditivo e de algumas outras partes do ser humano que têm influência no

som. O som é captado por dois microfones posicionados dentro de modelos de ouvidos.

Figura62.6 – Manequim (dummy head) instrumentado com microfones nos ouvidos.

2.4.3. Reprodução via fones de ouvido

O objetivo final da auralização é a reprodução, principalmente via fones de ouvido,

devido à sua flexibilidade de uso em relação aos ambientes e à destinação dos sinais

pertinentes a cada orelha. Os fones de ouvido oferecem diversas vantagens tais como a

separação total dos canais. É necessária uma equalização referente à cadeia de dispositivos

percorrida pelo áudio biaural, a fim de tirar as distorções lineares introduzidas, principalmente

pelos fones, permitindo uma reprodução mais fiel dos sinais. Assim, é possível recriar a

impressão sonora que um ouvinte experimentaria se estivesse em situação real (audição

direta). O processo de audição direta de um sinal por um ouvinte e a audição do mesmo sinal

gravado com um manequim e reproduzido via fones de ouvido após a equalização é ilustrado

pela Figura 2.7. Essa equalização só é possível de ser aplicada ao sinal após o levantamento

da função de transferência do fone de ouvido [FONSECA et al., 2006].

Figura72.7 – Comparação da audição direta versus a cadeia de gravação e reprodução.

CAPÍTULO 3

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo são referenciados os atuais estados da literatura relacionada aos

assuntos utilizados como fundamentos para esta dissertação de mestrado.

3.1. Auralização

Não é novidade a idéia de fazer com que seja possível ouvir uma fonte sonora, em

campo livre ou em um ambiente fechado, antes mesmo de sua construção [ALLEN e

BERKLEY, 1979][LEHNERT e BLAUERT, 1989][KULOWSKI, 1985]. No entanto, ainda

hoje, muitos técnicos que lidam com acústica precisam terminar as obras ou reformas nas

salas para poder conhecer o resultado do projeto acústico. Modelos em escala têm sido pouco

utilizados, por serem complexos, caros e pouco precisos.

Por definição, auralização é o processo de “renderizar” de forma audível, através de

modelagem física ou matemática, o campo sonoro de uma fonte em um espaço, de forma a

simular a experiência auditiva em uma determinada posição no espaço modelado

[KUTTRUFF, 1993]. Atualmente, o crescente avanço na capacidade de processamento nos

computadores tem dado aos acústicos uma poderosa ferramenta de simulação de projetos de

salas de audição crítica, mas, também, aplicável a outros projetos, tais como isolamento

contra ruído, por exemplo.

A simulação da resposta impulsiva do ambiente pode ser feita através de métodos

geométricos, que são baseados na acústica geométrica [FARIA, 2005]. Os programas de

simulação se utilizam desses métodos para simular o comportamento acústico de um ambiente

fechado.

De posse da resposta impulsiva da sala, considerando as possíveis angulações de

incidência do som sobre o receptor, é realizado o processamento da resposta impulsiva biaural

do campo acústico para uma determinada posição e orientação do ouvinte. O resultado dessa

modelagem é um filtro ao qual pode ser aplicado um sinal anecóico (gravado em câmara

anecóica), por meio da convolução. Neste trabalho, este sinal anecóico foi previamente

gravado usando-se a fonte em estudo como referência. O resultado final pode ser apresentado

através de fones de ouvido ou via alto-falantes (com o devido processamento, para cancelar o

sinal repetido no ouvido oposto). O esquema apresentado na Figura 3.1 ilustra de maneira

resumida as etapas da auralização.

Figura83.1 – Simplificação da cadeia de processamento do sinal na auralização.

3.1.1. Modelagem do meio de propagação sonora

A modelagem do meio é feita, na realidade, através da modelagem da propagação do

som no ar e de suas interações com as superfícies (teto, piso, paredes e objetos internos que

tenham dimensões relevantes em comparação com os comprimentos de onda do campo

sonoro). Considerando uma posição fixa para a fonte e o receptor, se a temperatura e a

umidade relativa do ar se mantiverem constantes e se não houver correntes de ar, pode-se

considerar o campo acústico de um ambiente como sendo um sistema linear invariante no

tempo (SLIT), e sua caracterização pode ser feita através de sua resposta impulsiva [XIANG e

BLAUERT, 1993]. Essa função pode ser obtida por meio de algoritmos usados para a

determinação do histórico de todas as reflexões da fonte até o ouvinte. Matematicamente, a

propagação sonora pode ser descrita pela equação de onda ou equação de Helmholtz

[KINSLER et al., 1982]. É possível obter teoricamente uma resposta impulsiva entre uma

fonte e um receptor por intermédio da solução da equação de onda, mas, analiticamente, já

seria muito trabalhoso, mesmo para um caso simples. Assim, outros métodos de modelagem

são usados para agilizar o procedimento. Este trabalho utilizou os métodos geométricos de

simulação.

Os métodos geométricos, baseados na acústica geométrica, são: o método do Traçado

de Raios, o método das Imagens Virtuais da Fonte e o método do Traçado de Pirâmides.

PRODUTO

(Objeto sonoro acoplado

a um ambiente

)

Modelagem

computacional

Gravação anecóica da

fonte real

Resposta

impulsiva

Convolu

ão

Reprodução biaural

Banco de dados

HRTF

AMBIENTE

OUVINTE

PRODUTO

Filtro de

direcionalidade

FONTE

3.1.2. O Método das Fontes Virtuais (FV)

Pode-se descrever o Método das Fontes Virtuais (FV) através de uma simples analogia

com um problema óptico, onde consideram-se todas as paredes de uma sala como sendo

espelhos [ALLEN e BERKLEY, 1979]. É possível encontrar as posições das imagens da

fonte, com relação a cada parede, através de relações geométricas. Sendo assim, um

observador pode ver, além de imagens refletidas da fonte, outras geradas pela nova reflexão

das imagens refletidas, em relação ao prolongamento das superfícies reais. As segundas são

denominadas imagens de primeira ordem e as demais são imagens de ordens superiores

(segunda, terceira e assim por diante).

O espelhamento de fontes virtuais é feito com o objetivo de rastrear os caminhos de

reflexão do som da fonte sonora até o receptor [GOMES, 2007]. Esse conceito pode ser

demonstrado facilmente por uma figura bidimensional de um problema que trata de uma sala

retangular. Esta contém uma fonte sonora esférica (omnidirecional) e um receptor (ouvinte),

como mostra a Figura 3.2.

Figura93.2 - Ilustração simplificada do princípio do Método de Fontes Virtuais.

Inicia-se construindo as imagens espelhadas de primeira ordem da fonte sonora em

relação a todas as paredes. Pelo cálculo dos pontos de interseção do raio emitido pela fonte

com cada parede, é possível projetar os caminhos de reflexão de primeira ordem. Da mesma

forma procede-se para encontrar os caminhos das reflexões de segunda ordem, eliminando a

parede em que a fonte secundária foi espelhada por último. Esse procedimento continua até

certa ordem predeterminada de fontes virtuais. O método pode ser aplicado para a avaliação

de regime permanente, quando se quer avaliar o nível de pressão sonora [BALLESTEROS,

1991], ou transitório, quando se quer avaliar a resposta impulsiva [GIBBS e JONES, 1972],

que é o caso estudado neste trabalho.

Em salas de geometria regular não há necessidade de se realizar testes de visibilidade.

O exemplo ilustrado na Figura 3.3 mostra que o receptor R1 pode ser alcançado pela reflexão

de primeira ordem sobre a parede 1, enquanto o receptor R2 não consegue. Em outras

palavras, R1 é visível por S1 enquanto R2 não é. Isso significa que para todos os pontos de

interseção calculados, deve-se checar se estão dentro dos limites físicos reais. Para o caso do

teste de visibilidade, utiliza-se o algoritmo descrito em BORISH (1984).

Figura103.3 – Teste de visibilidade para Fontes Virtuais.

Devido aos testes de visibilidade, o Método de Fontes Virtuais demanda um tempo

computacional bastante longo, especialmente quando o problema envolve uma grande

quantidade de superfícies ou quando a absorção sonora média das superfícies é baixa, pois

aumenta consideravelmente o número de fontes virtuais a serem consideradas. Há um

procedimento para acelerar o processo [VORLÄNDER, 1989], no qual consiste em pré-

determinar as fontes virtuais visíveis a partir da aplicação do Método do Traçado de Raios.

Para isso, o que se deve fazer é armazenar em uma lista os índices das superfícies refletoras

na história de um raio que atinge o receptor.

O módulo independente de Fontes Virtuais utilizado neste trabalho realiza o teste de

visibilidade tradicional.

(

)

3.1.3. Método de Traçado de Raios (TR)

No Método de Traçado de Raios assume-se que a energia emitida pela fonte sonora é

distribuída em um número discreto de raios sonoros. Cada raio tem energia inicial igual à

energia total da fonte dividida pelo número de raios. O raio se propaga pela sala à velocidade

do som e incide sobre as superfícies (paredes, piso, teto e elementos internos), refletindo-se

conforme a lei da reflexão especular, conforme ilustra a Figura 3.4. O nível de energia de cada

raio decai a cada reflexão por meio da absorção sonora das superfícies e vai perdendo

progressivamente, também, energia pela absorção no ar. Quando o nível de energia chega ao

limite definido pelo usuário, o raio é abandonado e o próximo é traçado [KULOWSKI, 1985].

Para calcular a energia sonora que chega em diferentes pontos de uma sala, são

definidas células receptoras com volumes finitos. Cada raio acústico é checado para verificar

se atingiu o receptor. O número de raios que atravessa o volume do receptor bem como a

contribuição de energia desses raios fornece uma medida do nível de pressão sonora na

região.

Figura113.4 – Ilustração em 2D do traçado de um raio.

Quando é necessário registrar ecogramas

, deve-se proceder como descrito a seguir. A

contribuição energética de cada um dos vários raios em certo receptor é adicionada dentro de

intervalos de tempo prescritos, resultando em um histograma. Contudo, por causa do efeito da

média temporal e do forte caráter aleatório dos tempos de chegada dos raios, o histograma

será apenas uma representação aproximada do real.

Um ecograma representa as amplitudes de energia sonora das sucessivas frentes de onda que partem da fonte sonora e chegam a um

determinado receptor, como uma função do tempo.

O algoritmo para o método de Traçado de Raios é baseado em operações com vetores.

Para a rotina principal do programa deve-se conhecer:

- os vértices das superfícies,

- os vetores normais aos planos que descrevem a geometria da sala,

- as coordenadas que indicam a posição da fonte sonora,

- as coordenadas que indicam a posição do receptor,

- o vetor que indica a direção inicial de propagação de cada raio;

- os coeficientes de absorção sonora e de espalhamento das superfícies modeladas.

3.1.4. Método Híbrido ou Método de Traçado de Pirâmides (RN)

No Método de Traçado de Pirâmides, ao invés de raios, como no Método de Traçado

de Raios, são usados feixes no formato de pirâmides para representar a onda acústica

[FUNKHOUSER et al., 1998][LEWERS, 1993], como ilustram as Figuras 3.5 e 3.6.

Figura123.5 – Fonte sonora emitindo um feixe piramidal [FARINA, 1995].

Figura133.6 – Traçado de Pirâmides: fonte original espelhada na superfície, resultando na imagem que representa

o ápice da pirâmide refletida.

Cada feixe, ao encontrar uma superfície interna da sala, cria uma interseção, a partir da

qual haverá uma reflexão, representada por uma pirâmide, cujo ápice é dado pelo

espelhamento do ápice do feixe original sobre a superfície. A base triangular de cada feixe,

usada para discretizar a frente de onda, ilustrada pela Figura 3.7, traz a vantagem de não

causar sobreposição nas bordas e de cobrir todo o espaço de direções a partir da fonte sonora.

Para que um feixe seja detectado pelo receptor, basta que o detector pontual esteja entre os

planos que definem a pirâmide.

Figura143.7 – Discretização da frente de onda através das bases triangulares das pirâmides.

O método possui uma vantagem sobre o Método das Fontes Virtuais, pois como cada

região do espaço coberta por um feixe representa todos os pontos para os quais uma imagem

da fonte está visível, as fontes virtuais de ordens mais elevadas só serão consideradas para os

polígonos que são interceptados pelo feixe. Isso reduz forma significativa o número de fontes

virtuais a serem consideradas.

O Método de Traçado de Pirâmides pode ser considerado um Método Híbrido, por

combinar alguns conceitos vantajosos dos dois métodos citados anteriormente em um só

algoritmo. O programa RAYNOISE se baseia no Método de Traçado de Pirâmides e no

Método de Traçado de Cones para simular o comportamento acústico de um ambiente

fechado. Para mais detalhes, consultar RAYNOISE User Manual. Somente foi utilizado neste

trabalho, dentro do programa RAYNOISE, o Método de Traçado de Pirâmides.

É importante diferenciar a utilização do termo “híbrido”, pois há autores que têm

utilizado esse termo para denominar uma outra forma de combinação do Método do Traçado

de Raios com o Método das Fontes Virtuais. Nesses casos, o Método do Traçado de Raios é

usado para pré-selecionar fontes virtuais “audíveis” e acelerar a simulação feita através do

Método das Fontes Virtuais; calcular o trecho final da resposta impulsiva e calcular o trecho

inicial desta, referente às reflexões que ocorrem de forma difusa. O Método das Fontes

Virtuais é então usado somente para calcular o trecho inicial da Resposta Impulsiva, por ser

mais preciso na determinação da distribuição das primeiras reflexões. Existem outras formas

de implementação de métodos geométricos [TENENBAUM et al., 2006][MEDRADO e

TENENBAUM, 2002][ALARCÃO, 2005].

3.1.5. Obtenção da resposta impulsiva biaural e apresentação do resultado

De posse da resposta impulsiva da sala, considerando as possíveis angulações de

incidência do som sobre o receptor, são escolhidas, de um banco de dados, as funções de

transferência relacionadas à cabeça (HRTFs) para determinar a resposta impulsiva biaural.

Esse resultado refere-se a somente uma determinada posição e orientação do ouvinte.

O resultado dessa modelagem é um filtro biaural que pode ser aplicado ao sinal

anecóico da fonte por meio da convolução. Esse sinal deve ser obtido previamente em uma

condição livre de reflexão, para não conter a influência do ambiente de gravação. O resultado

da convolução é um conjunto de sinais biaurais que pode ser apresentado através de fones de

ouvido ou via alto-falantes. Caso se opte por alto-falantes, é preciso cancelar a fala cruzada

(cross-talk) entre os canais, conforme ilustra a Figura 3.8, para evitar que o sinal destinado ao

ouvido esquerdo chegue ao ouvido direito e vice-versa. Os fones de ouvido oferecem diversas

vantagens tais como a separação total dos canais. É necessária a equalização referente à

cadeia de dispositivos percorrida pelo sinal de áudio, tanto para fones de ouvido como para

alto-falantes.

Figura153.8 – Fala cruzada (cross-talk) decorrente da reprodução via alto-falantes.

3.2. Caracterização de Fontes Sonoras

3.2.1. Geração Sonora

A geração de um sinal digital de áudio pode ser feita por gravação ou através de

síntese. No primeiro caso o sinal deve ser gravado em condições anecóicas, para que possa ser

adicionado a ele posteriormente as respectivas reflexões. O sinal gravado precisa apresentar

uma alta relação sinal-ruído (SNR – signal-to-noise ratio) a fim de evitar resultados

indesejáveis no ambiente virtual. Também deve ser gravado como um sinal mono, pois as

fontes sonoras são normalmente tratadas como fontes pontuais em relação ao modelo do

ambiente. Contudo, ao invés de gravado, o sinal da fonte pode ser sintetizado. O modelo

físico da fonte sonora é uma aproximação que permite ajustar os parâmetros de uma forma

fisicamente previsível [SMITH, 1996]. Quando comparado a um som gravado, o sintetizado

demanda menos dados a serem manipulados, mas ao custo de um aumento significativo no

processamento computacional.

3.2.2. Direcionalidade

A maioria das fontes sonoras não radia igualmente em todas as direções, nem apresenta as

características de monopolos. O seu comportamento é direcional por diversas razões: forma e

tamanho da fonte sonora; impedância de radiação; modos vibratórios da superfície do

radiador; reação do meio fluido na superfície do radiador [HENRIQUE, 2002].

A caracterização dos radiadores complexos é efetuada experimentalmente, medindo a

pressão sonora a uma distância fixa da fonte sonora. Efetuando-se as medições em várias

direções, obtém-se um traçado denominado diagrama

de direcionalidade da fonte.

Freqüentemente a direcionalidade das fontes sonoras varia com a freqüência, pelo que se

deverá traçar diferentes diagramas para freqüências típicas.

A direcionalidade das fontes é, também, caracterizada pelo fator de direcionalidade,

representado pela Equação (2.21), ou pelo índice de direcionalidade, representado pela

Equação (2.23). O fator de direcionalidade representa a relação entre a intensidade sonora à

distância r na direção de uma fonte e a intensidade sonora média em todas as direções. A

expressão do fator de direcionalidade, Q, é dada por:

(2.21)

onde I é a intensidade medida a determinada distância da fonte, na direção em que a

direcionalidade é especificada [W.m

-2

] e I

é a intensidade de referência, correspondente à

emissão em campo livre, representado pela Equação 2.22.

[W/m

]

(2.22)

O índice de direcionalidade é dado por:

10log

⎛⎞

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎝⎠

[dB]

(2.23)

3.2.3. Modelos de direcionalidade em programas de simulação

Os modelos de direcionalidade podem ser implementados através de duas

aproximações: filtragem direcional e um conjunto de fontes elementares. Podem ser usados

modelos de direcionalidade para voz humana [HUOPANIEMI, KETTUNEN e RAHKONEN,

1999] ou para instrumentos musicais ou alto-falantes [MEYER, 1978]. Quando o padrão de

radiação de uma fonte sonora não é satisfatório para uma aproximação de fonte pontual como

é, por exemplo, o caso de um clarinete, podem ser usadas várias fontes pontuais

simultaneamente. Se os filtros para a auralização serão usados em aplicações em tempo-real,

algumas simplificações devem ser consideradas [HUOPANIEMI et al., 1994].

Fundamentado nas propriedades físicas do ambiente, a distribuição espacial de fontes

espelhadas é computada na etapa de modelagem do campo acústico. O próximo passo

consiste na distribuição de fontes pontuais, baseado no conceito de fontes sonoras virtuais

[KUTTRUFF, 1993]. Além do som direto, uma gama de reflexões chegará ao ouvinte devido

à presença de superfícies refletoras; estas reflexões vêm de direções diferentes, com tempos

de chegada e formas espectrais diferentes. O campo sonoro proveniente das superfícies

refletoras é considerado em termos de uma "nuvem" de fontes sonoras virtuais que cercam o

receptor na ausência de qualquer superfície. Para obter o sinal da fonte virtual, a cada fonte

pontual é associado um filtro linear - isso modela o efeito da propagação média e das

superfícies refletoras, como também a influência da direcionalidade da fonte primária

[KORTCHMAR, 2000].

3.3. Parâmetros de comparação

A qualidade dos resultados de cada um dos métodos de auralização foi medida por

meio de um procedimento de avaliação subjetiva. A técnica escolhida foi a comparação dos

resultados da auralização com a gravação biaural de referência, utilizando como instrumento

psicométrico uma escala em linha conforme proposto por LEITE e PAUL (2006).

O participante, após escutar a referência e cada som gerado por um dos três métodos,

deveria posicionar na escala os sons em relação à referência. De uma lista maior de

parâmetros foram escolhidos três, de mais fácil compreensão para sujeitos leigos, a saber:

 Timbre - definido pela Associação Americana de Normas (ASA) em 1960, como “atributo

da sensação auditiva pelo qual um ouvinte pode julgar que dois sons apresentados de forma

semelhante apresentam diferenças, tendo o mesmo loudness

”. É a qualidade dada a um

som pelas nuances que fazem, por exemplo, uma voz distinguir-se de outra. O Timbre

descreve, entre outras coisas, o equilíbrio entre as freqüências baixas, médias e altas, mas se

apresenta bastante difícil de descrever em termos subjetivos.

 Localização

– regra pela qual a posição de um evento audível é relacionada a um atributo

específico de um evento sonoro. Isso leva à pergunta: de onde exatamente um determinado

som parece vir [BLAUERT, 1997]. A habilidade de localizar subjetivamente uma fonte

Loudness – não é simplesmente intensidade sonora. Trata-se de um termo subjetivo que descreve a capacidade da percepção do ouvido

humano e correlaciona-se com o volume sonoro percebido [LEITE e PAUL, 2006].

sonora é uma tarefa complexa que pode depender da direção, largura e distância aparente da

fonte e das características de reverberação do ambiente em que o ouvinte está inserido, mas

também do tipo de som que a fonte emite.

 Reverberação - O tempo de reverberação é definido como o tempo necessário para que o

nível de energia sonora decaia de 60dB (1/1000) após ter sido interrompida a fonte sonora

[ISO 3382, 1997]. Na prática, parte da sensação acústica de espaço que um ouvinte

experimenta numa sala é resultado da reverberação e é essa sensação que acaba sendo

avaliada pelo ouvinte

. Sabine

determinou empiricamente a relação entre o tempo de

reverberação (T

), volume e a área de absorção da sala.

0,161V

∑

(2.24)

onde:

V = volume da sala (m

)

A = S α

S = área de superfície (m

)

α = coeficiente de absorção do material em uma dada freqüência

Há cerca de um século, a avaliação acústica de ambientes era apoiada somente em conceitos subjetivos determinados quase sempre por

músicos. Até que Wallace C. Sabine, pioneiro no estudo formal da acústica de salas, inicia suas pesquisas a partir de um ponto de vista físico

e objetivo, levantando características construtivas da própria sala relacionadas ao complexo sonoro formado nela. A partir daí iniciou-se a

busca por parâmetros objetivos efetivamente importantes para caracterizar a acústica de uma sala.

CAPÍTULO 4

CARACTERIZAÇÃO DE FONTES SONORAS

Neste capítulo são expostos os métodos utilizados para medir a direcionalidade de uma

fonte sonora, no caso deste trabalho, um aparelho de ar-condicionado. Também são

apresentados os diagramas de direcionalidade para dois outros tipos de fontes sonoras, voz e

violão. Finalmente, é discutido o conceito dos modelos de direcionalidade incluído nos

algoritmos de simulação.

4.1. Caracterização da fonte

A modelagem da fonte sonora e sua aplicação na auralização implicam em dois

desafios: a gravação anecóica do som e a modelagem da fonte sonora na simulação acústica

do ambiente.

Normalmente as gravações anecóicas são feitas com um único microfone,

posicionando-o à frente da fonte. O controle da distância do microfone também requer

bastante cuidado. A maioria das fontes naturais contém componentes sonoras de campo

próximo. Logo uma gravação com um microfone muito próximo soará antinatural quando

usado para auralização de uma distância um pouco maior da fonte.

Para a determinação da direcionalidade, uma maneira de se captar o som radiado pela

fonte em direções diferentes é realizar medições ao redor e sobre a fonte com microfones em

posições diferentes, registrando a informação espacial da radiação da fonte para diferentes

bandas. Assim, ficarão determinadas assimetrias e mudanças na radiação para diferentes

bandas de freqüência. Nesse trabalho, foi utilizada a resolução em bandas de oitava, porque

um dos programas utilizados para os casos de simulação, referentes ao Método de Traçado de

Pirâmides (RAYNOISE), somente permitem a entrada de dados com esta resolução,

considerando as bandas de 125 a 8000 Hz.

Já se encontravam disponíveis dados sobre a direcionalidade de duas das três fontes

sonoras estudadas: violão e a voz humana [PTB]. No entanto, era necessário caracterizar a

direcionalidade do aparelho condicionador de ar.

Foi preparado então um esquema para a medição das características direcionais da

radiação sonora do aparelho condicionador de ar, utilizando 145 posições de microfone,

distribuídas em uma semi-esfera formada pela revolução de um arco. Os sinais gravados

foram filtrados em bandas de oitava de 125 a 8000 Hz. Finalmente, foi calculada a

direcionalidade média para cada banda de oitava.

As medições de direcionalidade e gravações anecóicas foram realizadas na câmara

semi-anecóica do Laboratório de Vibrações e Acústica, LVA, da UFSC, utilizando um

microfone de equalização de campo livre (microfone capacitivo de ½ polegada). O

procedimento da construção do aparato (parede refletora e suporte para microfone) e da

medição da pressão sonora nos 145 pontos determinados é descrito a seguir.

4.2. Construção da parede refletora (baffle)

As medições dos pontos em torno do condicionador de ar precisavam ser realizadas

em condições próximas das quais esse tipo de aparelho funciona normalmente. Sendo assim, é

necessário que o aparelho seja instalado em uma superfície refletora (similar a uma parede),

que isole o ruído da parte traseira do aparelho, como uma espécie de barreira (baffle) infinita.

A estrutura foi montada em um dos cantos da câmara semi-anecóica, a fim de

proporcionar a absorção do ruído da parte traseira do aparelho condicionador de ar, que ficaria

confinado no espaço formado entre a estrutura montada e as duas paredes, o teto e o chão. A

Figura 4.1 ilustra o posicionamento do aparato dentro da câmara.

Figura164.1 – Modelo simplificado das placas da parede refletora montadas dentro da câmara semi-anecóica. À

esquerda, a vista isométrica e, na direita a vista superior.

No entanto, o objetivo dessa fase do estudo era avaliar a direcionalidade do ruído

proveniente do aparelho, desconsiderando o ruído proveniente da vibração da parede em

virtude do contato mecânico com a fonte. Logo, a estrutura que suporta o ar-condicionado,

posicionada na parte traseira da parede, não deve apresentar pontos de contato mecânico com

nenhuma parte da parede refletora. Foi utilizada, então, uma camada de espuma de

poliuretano para fazer a vedação do espaço de folga entre as duas estruturas. O resultado

esperado dessa solução é isolar boa parte do ruído proveniente da parte traseira do aparelho

condicionador de ar, conferindo maior confiabilidade às medições.

Para a construção da estrutura que suporta a parede refletora, levou-se em

consideração que a mesma deveria ter boa resistência mecânica devido à elevada massa que

suporta. A estrutura de suporte do condicionador de ar, em forma de mesa, seguiu o mesmo

procedimento. Optou-se por barras de aço de perfil retangular, tubular, popularmente

conhecidas por metalon. A Figura 4.2 ilustra o projeto da montagem, em duas vistas distintas.

A Figura 4.3 mostra uma foto do aparato já construído. Detalhes do material utilizado na

construção da parede refletora e da instalação do aparelho de ar-condicionado na estrutura são

apresentados no Apêndice A.

Figura174.2 – Ilustração do projeto da estrutura do baffle.

Figura184.3 – Estrutura da parede refletora (baffle), com o aparelho condicionador de ar instalado, a referência de

ângulo horizontal no chão e o sistema arco-haste-microfone montado.

4.3. Medição da pressão sonora

A tarefa de extrair dados complexos de fontes sonoras para uso em auralizações não é

trivial. Vários itens devem ser levados em consideração, como:

 As bandas de freqüência de interesse;

 A distância entre a fonte sonora e o microfone;

 A precisão necessária para o posicionamento do microfone;

 A estabilidade do ambiente e da cadeia de medição.

Por mais que seja desejável uma análise em freqüência em banda estreita, foram feitas

medições considerando bandas de oitava por duas razões principais: o programa de simulação

comercial disponível, RAYNOISE, trabalha com tabelas que relacionam características com

bandas de oitava somente e a quantidade de dados a serem analisados seria

superdimensionada, visto que o objetivo do trabalho não se encerra somente em

caracterização de fontes sonoras.

Os formatos de dados mais usados hoje em dia para caracterização de fontes sonoras

trabalham com resolução de 10 graus, tanto para o plano horizontal como para o vertical. No

entanto, uma resolução de 15 graus é perfeitamente aceitável para fontes simples com simetria

axial. O algoritmo utilizado pelos programas de simulação em geral se baseia no método de

fontes equivalentes, onde o somatório das fontes virtuais fornece então uma estimativa da

pressão resultante para cada direção. Uma resolução baixa só funcionaria para baixas

freqüências, onde a direcionalidade varia lentamente.

O método de harmônicos esféricos é outra maneira de caracterizar a direcionalidade e

já motivou várias pesquisas, como por exemplo, a de James Angus [AES]. Também há

referências sobre harmônicos esféricos relacionados a Ambisonics [SHARMONIC]

[AMBISONICS][MATHWORLD]. No Brasil, outras instituições também estão conduzindo

pesquisas nessa área [AUDIENCE].

As medições do campo sonoro ao redor do aparelho condicionador de ar foram feitas

câmara semi-anecóica, com um único microfone, posicionado na extremidade de uma haste

que se desloca ao longo de um arco móvel operado manualmente, que combina rotações

horizontais e verticais para cobrir uma área hemisférica.

O aparelho condicionador de ar foi posicionado no centro do arco. Para cobrir todo o

campo sonoro de interesse, o microfone foi passado a cada medição por posições com

incrementos de 15 graus (horizontal e vertical). As 13 posições horizontais foram

representadas por letras de A a M e as 13 posições verticais numeradas de 1 a 13. Essa

denominação foi necessária para organizar melhor os dados na plataforma de aquisição Pulse

Labshop

Considerando que as posições 1 e 13 são centrais e não sofrem rotação horizontal,

foram medidas no total 145 posições de microfone. A Figura 4.4 ilustra a posição 13.

Figura194.4 - Representação da posição 13 de microfone.

Para o controle da posição no plano vertical foram feitas marcações na própria

estrutura do arco. Já a posição no plano horizontal foi controlada por um prumo (peso

pendurado por uma corda) tendo como referência um diagrama de angulação posicionado na

base do aparato, que se encontrava forrada por espuma de poliuretano. O diagrama é

demonstrado na Figura 4.5. A precisão desse procedimento para o posicionamento do

microfone no plano horizontal depende do alinhamento do ponto que sustenta o prumo com o

ponto em que se encontra a cápsula do microfone. O ajuste é feito manualmente e está sujeito

a erros de paralaxe.

Figura204.5 – Diagrama angular horizontal de referência com prumo.

Existem diferentes campos acústicos relacionados à distância da fonte sonora, sendo

que se as medições forem realizadas muito próximas da fonte, o nível de pressão sonora pode

variar significativamente com uma pequena mudança de posição. A região onde isto ocorre é

chamada campo próximo, definido como o campo que compreende as regiões situadas a

menos do comprimento de onda da freqüência mais baixa considerada ou, alternativamente, a

menos do dobro da maior dimensão da fonte sonora. Na prática, o campo seguro para se fazer

medições situa-se entre o campo próximo e o reverberante (se houver), e é conhecido como

campo afastado (far-field). Em câmara semi-anecóica, não havendo campo reverberante,

considera-se todo o campo entre o campo próximo e as proximidades das cunhas

absorvedoras como far-field. Esse campo tem propriedades próximas ao do campo livre e é

caracterizado pelo fato do nível de pressão sonora decair 6 dB para cada duplicação de

distância a partir da fonte, considerando uma fonte pontual. Tal teste foi realizado e verificou-

se que o posicionamento do microfone na haste do aparato satisfazia aos requisitos. O campo

afastado também pode ser calculado através da Equação 4.1 [GERGES, 2000], como segue:

l > [maior comprimento de onda] ou [2

X (maior dimensão da fonte)] (4.1)

sendo l a distância entre a fonte sonora e o ponto de medição.

O teste de repetibilidade para o procedimento de medição foi realizado pela

comparação de dados de pressão sonora do ruído feitas ao longo do tempo. As diferenças

encontradas por banda de freqüência foram menores que 1 dB exceto nas posições

correspondentes a 0° vertical - 90° horizontal, 15° vertical - 90° horizontal (Figura 4.6), 245°

vertical - 90° horizontal, 0° vertical - 270° horizontal, 15° vertical - 270° horizontal e 245°

vertical - 270° horizontal que são posições muito próximas dos limites laterais do baffle e sem

muita importância na prática, visto que na simulação representarão pontos quase tangentes à

parede da sala.

Figura214.6 - Representação do ponto 15° vertical - 90° horizontal.

As medições foram realizadas durante os períodos em que o compressor do aparelho

condicionador de ar estava acionado, pois esta é uma contribuição importante para o nível

global. O aparelho foi posicionado na estrutura de forma similar à fixação de um aparelho

comum na parede, com um avanço de 10 cm a partir da superfície, como mostra a Figura 4.7.

Figura224.7 - Vista lateral do aparato.

O ponto central do painel do aparelho foi considerado o ponto central da esfera

resultante da revolução completa do arco que suporta o microfone em relação ao eixo z

(vertical).

A velocidade do fluxo de saída de ar foi mantida no máximo (posição II), pois o ruído

de escoamento de ar contribui bastante para o nível global de ruído do aparelho. O

condicionador de ar possui dois controles de direção de vento, que foram mantidos a 45 graus

durante todas as medições. A influência do vento no nível de pressão sonora captado pelos

microfones em algumas posições, principalmente as situadas à frente da saída de ar, foi

reduzida através da utilização de um protetor de vento acoplado ao equipamento de medição,

que não interfere de forma significativa no nível de pressão sonora medido. Foram gravadas

amostras para comparação e os resultados comprovaram a eficiência da proteção de espuma.

Os equipamentos usados para as medições foram um microfone de equalização de

campo livre da Brüel & Kjaer (microfone capacitivo de ½ polegada), uma plataforma de

aquisição de dados Brüel & Kjaer PULSE associada a um microcomputador. Este aparato é

apresentado na Figura 4.8 (equipamento) e Figura 4.9 (montagem no interior da câmara).

Figura234.8 – Ilustração do equipamento utilizado.

Figura244.9 – Equipamento de medição no interior da câmara.

Os arquivos de saída, com os pontos de medição analisados, possuem o formato de

texto. Uma rotina foi gerada para calcular o nível de pressão sonora e expressar os dados em

decibéis, por ser o formato de leitura do programa de simulação RAYNOISE, único dos

programas estudados neste trabalho que permite a entrada dos dados da direcionalidade da

fonte sonora. O programa de simulação considera, tanto para o eixo vertical como para o

horizontal, ponto a ponto do diagrama, uma atenuação relativa ao valor de referência de 0 dB.

Esse valor de referência é atribuído ao valor do ponto central do diagrama.

4.4. Diagramas de direcionalidade

Neste item serão apresentados os diagramas de direcionalidade das fontes sonoras

estudadas. Uma versão demo do programa CATT [CATT-ACOUSTIC] permite criar

diagramas de direcionalidade no formato texto SD0 (resolução de 15 graus) e SD1 (resolução

de 10 graus). Esse programa foi utilizado somente para a visualização gráfica dos diagramas.

Para a simulação feita no programa RAYNOISE, a direcionalidade medida do ar-

condicionado e a direcionalidade do violão e da voz, disponibilizadas na página eletrônica do

Physikalisch-Technische Bundesanstalt [PTB], foram inseridas através da interface do próprio

programa.

4.4.1. Direcionalidade do aparelho de ar-condicionado

Os dados de pressão sonora do aparelho de ar-condicionado foram processados de

forma que seus valores puderam ser usados para criar um arquivo no formato SD0-TXT. A

parte do diagrama relativa à traseira do aparelho de ar condicionado (parte de trás do baffle)

foi fixado em -50 dB, para representar o funcionamento do aparelho fixado em uma parede,

onde a parte traseira não contribui para o nível global de emissão sonora.

O método usado para medir os pontos com 15 graus de resolução, para caracterizar a

direcionalidade do condicionador de ar, extrapola a quantidade de pontos necessários para o

formato SD0, já que este não permite a entrada de dados para uma base completa, mas na

verdade realiza uma interpolação polar entre os eixos principais (horizontal e vertical). Para

usar o formato SD1 (maior resolução), é necessária a medição dos pontos em resolução de 10

graus.

A Figura 4.10 ilustra as direções adotadas nos diagramas e, nas Figuras 4.11 a 4.14,

são apresentados diagramas de direcionalidade para o aparelho de ar-condicionado medido.

Figura254.10 - Direções convencionadas no diagramas do ar-condicionado.

Figura264.11 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as bandas de

freqüência de 125Hz e 250Hz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura274.12 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as bandas de

freqüência de 500Hz e 1kHz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura284.13 – Diagramas polares de direcionalidade do aparelho de ar-condicionado, para as bandas de

freqüência de 2kHz e 4kHz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura294.14 – Balão de direcionalidade (por interpolação) do aparelho de ar-condicionado, para a freqüência de

1kHz.

Como pode ser visto através das figuras, a fonte sonora estudada (condicionador de ar)

não apresentou variações significativas na direcionalidade, mesmo para freqüências mais

altas. Para estudar um pouco mais o efeito da direcionalidade, foram escolhidas duas outras

fontes: a voz humana e o violão. Sendo assim, foram feitas gravações em câmara semi-

anecóica e utilizadas informações de direcionalidade de violão e de voz já disponíveis [PTB].

Depois, foi feita a conversão para o formato padrão de direcionalidade do RAYNOISE. Cabe

lembrar que o outro programa estudado (MÓDULOS) não possui entrada de dados de

direcionalidade da fonte sonora.

4.4.2. Direcionalidade da voz

É necessário questionar se há diferenças nos padrões de direcionalidade de diferentes

níveis de conversação. Segundo a pesquisa realizada por CHU e WARNOCK (2001),

nenhuma diferença significativa foi observada entre níveis normais e níveis altos. Em relação

a idiomas diferentes, a média resultante para a língua francesa é comparável à da língua

inglesa. Finalmente em relação às diferenças entre a voz masculina e feminina, não há

diferença significativa entre os padrões de direcionalidade, embora os conteúdos espectrais

sejam diferentes. A Figura 4.15 ilustra as convenções utilizadas para a voz. Nas Figuras 4.16 a

4.19, são apresentados diagramas de direcionalidade para a voz humana.

Figura304.15 – Convenções de direção para a voz humana.

Figura314.16 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de freqüência de 125Hz e

250Hz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura324.17 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de freqüência de 500Hz e

1kHz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura334.18 – Diagramas polares de direcionalidade da voz humana, para as bandas de freqüência de 2kHz e

4kHz. Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura344.19 – Balão de direcionalidade (por interpolação) da voz humana, para a freqüência de 4kHz.

4.4.3. Direcionalidade do violão

A seguir, são apresentados diagramas de direcionalidade, em bandas de oitava, para o

violão. Estes dados foram obtidos em um banco de dados publicado [PTB] e visualizados a

partir da versão demo do CATT. A Figura 4.20 ilustra as convenções utilizadas para a voz.

Nas figuras 4.21 a 4.23, são apresentados diagramas de direcionalidade para o violão.

Figura354.20 – Representação das direções convencionadas para os diagramas do violão.

Figura364.21 – Diagramas polares de direcionalidade do violão, para as bandas de freqüência de 125Hz e 250Hz.

Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura

374.22 – Diagramas polares de direcionalidade do violão, para as bandas de freqüência de 2kHz e 4kHz.

Cor vermelha – Plano horizontal; Cor azul – Plano vertical.

Figura384.23 - Balão de direcionalidade (por interpolação) do violão para a freqüência de 4kHz.

CAPÍTULO 5

CADEIA DE GRAVAÇÃO E REPRODUÇÃO

As gravações anecóicas são fundamentais para o processo de auralização, em sua etapa

final. As gravações biaurais foram utilizadas como referência na validação dos resultados das

simulações, através da reprodução via fones de ouvido. Neste capítulo são discutidos os

métodos utilizados para todas as gravações e reproduções realizadas ao longo do trabalho.

5.1. Gravações de canal único

Quando ouvimos um som na vida real, trata-se de uma combinação inseparável do

som produzido pela fonte sonora e as influências do ambiente em que fonte e ouvinte se

encontram. O que se obtém ao se cancelarem as influências referentes às reflexões que

ocorrem dentro de um ambiente é um som “seco”. É possível fazer gravações dessa forma e

um arquivo de áudio sem reverberação é bastante útil para avaliarem-se precisamente as

características acústicas de uma sala através de simulação.

Gravações deste tipo são realizadas em câmara anecóica e são denominadas gravações

anecóicas ou gravações secas. As câmaras anecóicas são salas isentas de reverberação, pelo

menos teoricamente. Essa característica é obtida pelo uso de material de absorção sonora nas

superfícies para a absorção das reflexões, só permitindo o som direto entre a fonte sonora e o

receptor (por exemplo, um microfone). A Figura 5.1 mostra um exemplo de um microfone

montado em um tripé, ao lado das cunhas de material absorvedor que revestem a parede da

câmara.

Figura395.1 – Microfone de campo livre montado no interior da câmara.

No entanto, pela necessidade de um solo suficientemente rígido para a locomoção das

pessoas e fixação dos equipamentos, algumas câmaras possuem o piso de concreto. A esse

tipo de câmara se dá o nome de semi-anecóica.

Apesar de não serem efetivamente “anecóicas”, por terem sido feitas na câmara semi-

anecóica disponível, serão denominadas dessa forma para facilitar a nomenclatura,

esclarecendo que tratam-se de sons sem reverberação. Estes sons de canal único serviram de

“matéria-prima” para as auralizações realizadas. As gravações anecóicas deste trabalho foram

realizadas na câmara semi-anecóica do Laboratório de Vibrações e Acústica da UFSC.

Os equipamentos usados para as gravações anecóicas foram um microfone com

equalização de campo livre da Brüel & Kjaer (microfone capacitivo de ½ polegada),

conectado a uma plataforma de aquisição de dados Brüel & Kjaer PULSE associada a um

microcomputador.

As fontes sonoras gravadas

foram: um violão, a voz humana e um aparelho de ar-

condicionado. Foram gravadas amostras dos sons de cada fonte sonora separadamente,

utilizando um microfone localizado a 1 metro à frente da fonte sonora. Cada amostra gravada

possui entre 10 e 20 segundos. Utilizou-se uma taxa de amostragem de 44100 amostras por

segundo. Como o microfone foi calibrado antes de todas as gravações, os níveis de pressão

sonora obtidos nessas gravações podem ser posteriormente reproduzidos.

O ruído de fundo medido na câmara, no mesmo ponto onde foi feita a gravação da voz

e do violão, é apresentado em bandas de oitava na Tabela 5.1.

Tabela15.1 – Nível de pressão sonora do ruído de fundo medido no interior da câmara semi-anecóica.

Banda (Hz) NPS [dB]

63 31,7

125 27,8

250 23,8

500 31,2

1000 28,1

2000 27,9

4000 29,5

8000 29,3

O violão de sete cordas foi fabricado pelo Luthier Rogério dos Santos (RJ), a voz utilizada foi a do aluno de pós-graduação Marcelo Portela

e o aparelho de ar-condicionado foi gentilmente cedido pela empresa ELECTROLUX para esta pesquisa.

Primeiramente, aproveitou-se a montagem da estrutura do ar-condicionado (ver

Capítulo 4, Seção 4.2) para realizar as gravações em condições próximas de seu

funcionamento usual. Como o ruído da fonte é de característica estacionária, a fonte foi

mantida em operação e foram registradas amostras de seu ruído somente dentro dos períodos

em que o compressor se encontrava em operação. Esta etapa é ilustrada pela Figura 5.4.

Figura405.4 – Microfone posicionado a 1 m da fonte sonora para as gravações anecóicas do ar-condicionado.

As gravações anecóicas e os níveis medidos relativos ao aparelho de ar condicionado

foram utilizados também por outros pesquisadores no estudo das diferenças entre as funções

de transferência relacionadas à cabeça entre crianças e adultos, no Instituto de Acústica

Técnica, na Universidade de Aachen, que resultou em um artigo, apresentado no International

Symposium on Room Acoustics [FELS, SCHRÖDER e VORLÄNDER, 2007].

Para as gravações das fontes não-estacionárias, que dependiam de uma sincronização

entre a execução do som e o acionamento do equipamento para a gravação, foi necessária a

ajuda de uma pessoa para operar o computador enquanto outra executava o instrumento

musical ou lia o texto proposto, como ilustram as Figuras 5.5 e 5.6.

Figura415.5 – Gravação do violão em câmara semi-anecóica, com microfone a 1m de distância.

Figura425.6 – Gravação da voz em câmara semi-anecóica, com microfone a 3m de distância.

5.2. Gravações biaurais

Existem dois métodos principais de gravação biaural, o sistema de gravação com

pessoas e o que utiliza modelos parciais de pessoas, os manequins. O método utilizado nessa

etapa do estudo foi o manequim, apresentado na Figura 5.7. Os manequins são imitações

parciais do homem, sobretudo do sistema auditivo e de algumas outras partes importantes que

têm influência no som. No lugar dos ouvidos há simulações dos pavilhões auditivos e aí se

encontram microfones de campo de pressão, geralmente capacitivos.

Usualmente os manequins também são chamados de cabeça artificial (artificial head

ou dummy head), o que na verdade não é a denominação correta, já que os manequins

possuem também outros elementos que têm influência no campo sonoro, como os ombros e o

tronco. Portanto, uma denominação mais adequada seria simplesmente a de manequim ou

simulador de cabeça e tronco (HATS – head and torso simulator).

Figura435.7 – Manequim (dummy head) para gravação biaural.

O manequim foi posicionado em duas configurações distintas dentro de uma sala de

reuniões (detalhados no Capítulo 6, na seção 6.6), sendo que para cada uma delas foi gravado

o som do violão e da voz, totalizando quatro gravações. O som do violão consistiu em uma

seqüência simples de acordes e a voz realizou a leitura de um pequeno trecho do livro

Budapeste, de Chico Buarque. As Figuras 5.8 e 5.9 ilustram o processo.

Figura445.8 – Aparato de gravação biaural do violão na sala de reuniões.

Figura455.9 – Aparato de gravação biaural da voz na sala de reuniões.

O produto final de cada gravação é um arquivo de áudio biaural em formato .wav,

contendo todas as características proporcionadas pela influência do manequim sobre o som.

5.3. Reprodução via fones de ouvido

O objetivo final da auralização é a reprodução, principalmente via fones de ouvido,

devido à sua flexibilidade de uso em relação aos ambientes e à destinação dos sinais

pertinentes a cada orelha. Para uma reprodução mais exata, seria necessária uma equalização

referente à cadeia de dispositivos percorrida pelo áudio biaural. Como os resultados seriam

comparados de forma relativa a uma referência, sendo todos os sinais reproduzidos através do

mesmo equipamento, esta etapa não foi realizada.

Foram utilizados nas comparações biaurais fones de ouvido do modelo Sennheiser HD

580 conectados a um PC. Devem-se observar as diferenças entre os canais direito e esquerdo,

pois a colocação imprópria dos fones pode alterar significativamente a cena auditiva biaural

apresentada aos participantes da avaliação subjetiva (Capítulo 7). A Figura 5.10 demonstra o

questionário sendo aplicado a uma ouvinte através de fones de ouvido.

Figura465.10 – Ouvinte com fones de ouvido, respondendo ao questionário subjetivo interativo.

5.4. O aparelho de ar-condicionado

Não houve a oportunidade de instalação física do aparelho de ar-condicionado em

estudo na sala de reuniões. A sala já possuía outro sistema de ar-condicionado (split) e não

poderia ser alterada fisicamente. Desta forma, não foi gravado o som de referência com a

fonte instalada em situação real, conforme foi realizado com a voz e o violão. No entanto, sem

tal referência, não seria possível avaliar os métodos utilizados na auralização dessa fonte no

ambiente simulado. Para contornar o problema, decidiu-se aproveitar uma característica muito

importante da própria fonte, descoberta na etapa de caracterização de fontes sonoras (Capítulo

4, item 4.4.1): sua isotropia no hemisfério radiado. O som do ar-condicionado gravado em

câmara anecóica foi então reproduzido através de uma fonte eletroacústica omnidirecional,

dentro da sala real, na exata posição onde seria instalado em uma situação normal. Nessas

circunstâncias, a proximidade da parede obstrui a radiação em um dos hemisférios. Essa

posição de fonte também foi utilizada dentro do modelo geométrico da sala para a simulação

da mesma. A proposta desta etapa foi simular a presença do condicionador de ar dentro da

sala real para a gravação do som de referência por meio de fonte eletroacústica.

5.4.1. A gravação da referência

A gravação foi realizada através de tecnologia biaural, dessa vez, usando um sistema

de gravação intra-auricular, na própria pessoa. Foram utilizados mini-microfones de eletreto

posicionados dentro dos canais auditivos, fixados com silicone, como mostra a Figura 5.11.

Este sistema foi escolhido para se avaliar a possibilidade da utilização desse tipo de

equipamento para as gravações biaurais de referência. Os mini-microfones representam uma

solução mais flexível e de custo inferior ao manequim.

Figura475.11 – Mini-microfones inseridos no canal auditivo de uma pessoa para uma gravação intra-auricular.

A fonte eletroacústica, representada na Figura 5.12, é composta por 12 alto-falantes de

4 polegadas, que garantem uma resposta em freqüência aproximadamente plana na faixa de

100 Hz a 15 kHz. Ela possui impedância nominal de 5,3 Ohms, potência RMS de 300 W e

conector do tipo Mono Phone Plug (P10). A característica mais importante desse tipo de fonte

dodecaédrica é irradiar um campo sonoro praticamente uniforme em todas as direções. Mais

detalhes sobre a fonte eletroacústica podem ser encontrados no trabalho realizado por Portela

[PORTELA, 2006].

Figura485.12 - Dodecaedro Omnidirecional [PORTELA, 2006]

Os equipamentos usados para as gravações foram: um par de mini-microfones de

eletreto, pré-amplificados por um sistema projetado para este trabalho, conectado a uma

plataforma de aquisição de dados Brüel & Kjaer PULSE associada a um microcomputador e a

fonte sonora. Para a reprodução do sinal, foi utilizado um amplificador de potência do modelo

2706, da Brüel & Kjaer. Este aparato é ilustrado na Figura 5.13 e demonstrado na Figura 5.14

(interior da sala).

Figura495.13 - Ilustração do equipamento utilizado nas gravações biaurais de referência do ar-condicionado.

Figura505.14 - Equipamento montado na sala de reuniões para as gravações biaurais.

Os dados obtidos foram sinais de áudio estéreo, em formato .wav. Esses sinais foram

usados para a avaliação dos métodos aplicados na auralização do aparelho condicionador de

ar na sala de reuniões como sinais de referência. Os resultados das comparações são

apresentados no Capítulo 7, item 7.2.

CAPÍTULO 6

TÉCNICAS DE MODELAGEM E SIMULAÇÃO

Neste capítulo são discutidos os métodos e programas utilizados na simulação dos

elementos que compõem o sistema em estudo: fonte, meio, receptor. Também é apresentada a

sala considerada em todas as simulações e as configurações fonte-receptor adotadas para as

três distintas fontes sonoras consideradas.

6.1. Simulação do ambiente

O ambiente foi simulado através do programa RAYNOISE e os resultados foram

comparados com os de um programa de simulação de salas que está em desenvolvimento.

Detalhes de seu algoritmo podem ser encontrados em GOMES (2007). O programa é

composto de três módulos: Simulação por Fontes Virtuais, Simulação por Traçado de Raios e

Módulo de Convolução. O resultado de cada um dos dois primeiros módulos (de simulação)

pôde ser convoluído com um som anecóico através do terceiro módulo. Este último realiza um

algoritmo de convolução específico para a auralização das salas simuladas. Apesar de ainda

não ter sido registrado comercialmente, ao longo dessa dissertação o programa será chamado

de “MÓDULOS”.

Este capítulo discute os métodos usados para realizar a simulação acústica das fontes

sonoras propostas. A aplicação desses métodos requer uma modelagem geométrica da sala,

tanto para o método de traçado de raios quanto para as fontes virtuais ou o método híbrido. Os

resultados são reportados no Capítulo 6.

6.2. Acústica geométrica

A simulação do ambiente é feita através de métodos geométricos, que são baseados na

acústica geométrica, como visto no Capítulo 3, Item 3.1.

Em todos os programas usados a geometria é inserida através da determinação de

superfícies geradas por coordenadas cartesianas. Logo após são inseridas as descrições dos

coeficientes de absorção sonora para cada superfície gerada pela inserção das coordenadas. É

importante que os vetores normais às superfícies estejam apontando para dentro da sala para

que a simulação tenha êxito. Para isso, é preciso inserir os vértices de cada superfície no

sentido anti-horário (usando a “regra da mão direita”).

Há outras restrições para a definição de superfícies, a saber:

 A superfície deve ser plana;

 Uma superfície curva precisa ser segmentada em várias superfícies planas;

 Uma superfície deve possuir três ou mais vértices;

 As coordenadas dos vértices são inseridas utilizando a unidade em metros;

6.3. O programa RAYNOISE

RAYNOISE é um programa de simulação do comportamento acústico no interior de

um volume fechado. No que diz respeito à acústica de salas, as aplicações do RAYNOISE

são:

 Cálculo da resposta impulsiva biaural através da convolução da resposta impulsiva

acústica da sala com um banco de dados de HRTFs,

 Convolução com sinais anecóicos nos formatos .wav, .au, .aiff para a reprodução final

dos resultados.

O RAYNOISE é baseado nos princípios da acústica geométrica e, portanto, sujeito às

suas restrições. A modelagem assume que as ondas sonoras se comportam como raios, assim

como na óptica geométrica as ondas luminosas se comportam como raios luminosos. Raios

acústicos são refletidos pelas superfícies internas e perdem parte de sua energia a cada

reflexão.

A modelagem utilizada é baseada em um algoritmo híbrido que combina o método das

fontes virtuais e o método do traçado de raios, como já mencionado. O programa parte de um

modelo geométrico, que pode ser importado de qualquer programa gerador de geometrias

CAD (como o AutoCAD

) ou CAE (como o MSC/Patran

) ou pode ser gerado diretamente

na interface do programa através da inserção de coordenadas cartesianas. A geometria pode

ser alterada em qualquer momento, através de ferramentas e de uma interface gráfica que

apresenta o modelo em diversas perspectivas. As propriedades dos materiais de revestimento

podem ser atribuídas a elementos poligonais. As fontes e receptores desejados pelo usuário

também são inseridas através dessa interface.

As funcionalidades utilizadas no programa RAYNOISE neste trabalho são descritas

nos itens a seguir.

6.3.1. Caracterização de fontes sonoras

As características relativas à fonte sonora considerada em cada simulação são inseridas

através de uma caixa de diálogo na própria interface do programa. O programa permite

caracterizar uma fonte sonora quanto ao nível de potência sonora, por banda de freqüência;

posição dentro da sala, em coordenadas cartesianas; orientação, em relação ao eixo de

coordenadas adotado; atraso em relação a uma referência; direcionalidade.

Na determinação da direcionalidade, é importante ressaltar o formato dos arquivos que

o programa importa. É necessária a importação de dois arquivos, um para a direcionalidade

em respeito ao eixo vertical e outro para o horizontal. Os pontos nos demais planos são

calculados por interpolação dos planos principais. Cada arquivo texto com os dados da

direcionalidade possui a extensão ‘.fre’ e contém quatro colunas, onde devem constar as

informações sobre a freqüência central (em Hertz) da banda de freqüência considerada;

ângulo (em graus) em relação a um eixo principal; atenuação (em decibéis) em relação a um

valor de referência (valor a zero grau); fase (em graus) em relação a um valor de referência.

Em relação à fase mencionada, cabem alguns esclarecimentos. Uma fonte sonora pode

ser considerada coerente ou incoerente. Isto influencia as distribuições de pressão sonora

calculadas. As fontes coerentes incluem informação de fase, as fontes incoerentes não. Sinais

que contêm muitas freqüências (por exemplo, o ruído) são incoerentes. Assim, não é

necessário inserir informação sobre fase na tabela de direcionalidade, caso essa fonte não seja

considerada coerente.

Só é possível obter ângulos de fase ao comparar o sinal medido com um sinal de

referência. Segundo o atendimento ao consumidor da LMS, empresa fabricante do programa

RAYNOISE, “a referência para fase relativa é o sinal medido na direção do eixo principal. No

caso de fontes de ruído, os valores da coluna relativa à fase (no arquivo texto de

direcionalidade) devem ser considerados zero. Caso contrário, o programa pode interpretar de

forma errônea os dados”.

6.3.2. Resposta impulsiva biaural

O cálculo da resposta impulsiva biaural consiste na transformação dos dados

provenientes do ecograma/histograma em uma resposta impulsiva biaural finita (BFIR). O

resultado é amostrado em uma freqüência de amostragem definida pelo usuário e registrado

em um arquivo de som. A resposta impulsiva biaural é o âmago do processo de auralização,

que pode depois tornar os dados da fonte sonora audíveis dentro do contexto físico-acústico

analisado.

O cálculo biaural é feito com base na informação de chegada de todos os raios

armazenados, combinados com as Funções de Transferência Relacionados à Cabeça (HRTFs)

utilizadas pelo RAYNOISE, que provêem de um banco público de dados. A cabeça

representada por essas funções possui orientação horizontal (um eixo entre as orelhas,

paralelo ao plano XY do modelo da sala) e está sempre “olhando” para a primeira fonte sonora

definida pelo usuário. Também assume-se que o eixo Z é vertical para cima, para estabelecer a

relação esquerda-direita. Dessa forma, para fazer a rotação da cabeça do ouvinte para

diferentes direções, recomenda-se definir a primeira fonte sonora somente como uma

referência de posição, ou seja, sem potência considerável, e utilizá-la exclusivamente para

alterar as posições entre um caso e outro.

6.3.3. Auralização

Trata-se do pós-processamento biaural através da operação de convolução, que

permite a geração de dados audíveis de fontes sonoras no contexto da situação acústica que

foi simulada. Os resultados dos cálculos incluem também os ecogramas/histogramas

registrados no receptor, permitindo a análise mais detalhada da propagação do som, no

domínio do tempo e da freqüência.

Finalmente, através da escuta dos resultados audíveis da convolução da fonte sonora

com a resposta impulsiva biaural calculada, é possível a avaliação subjetiva para uma análise

acústica mais completa.

6.3.4. Interface gráfica

Para a visualização do modelo geométrico, a interface gráfica do programa permite a

rotação e aproximação das vistas. Também é possível evidenciar partes do modelo, ou agrupar

elementos em camadas, para facilitar o trabalho com materiais de revestimento. A seguir é

apresentada na Figura 6.1 uma vista da sala simulada, através do programa RAYNOISE.

Figura516.1 – Vista do modelo geométrico da sala no programa RAYNOISE.

6.4. O programa MÓDULOS

O programa tem como plataforma o MS-DOS e foi desenvolvido em linguagem C

[GOMES, 2007]. A estrutura do programa não apresenta restrições quanto ao número de

superfícies usadas para descrever o espaço, mas a complexidade da sala é sempre limitada

pela memória e configuração de hardware disponível, sem mencionar o tempo gasto na

simulação. O nível de detalhe dado ao modelo deve sempre estar relacionado à faixa de

freqüência considerada e à percepção das diferenças no resultado, por isso a importância de

ouvir o resultado final e comparar com uma referência.

Três módulos independentes compõem o programa, sendo dois para gerar a resposta

impulsiva biaural por métodos diferentes e o último para fazer a convolução de um som

anecóico com o resultado de cada um dos módulos anteriores.

O Módulo de Fontes Virtuais utiliza o método (FV), já exposto no Capítulo 3, para

gerar a resposta impulsiva biaural entre a fonte sonora e o ouvinte em um ambiente. Os dados

de entrada são organizados em um arquivo de texto, contendo a geometria da sala,

coeficientes de absorção sonora de cada superfície, posição e energia da fonte sonora, posição

do ouvinte, ordem das reflexões, distância máxima de uma fonte virtual, velocidade do som,

constante de atenuação no ar e freqüência de amostragem. Para mais detalhes sobre a

configuração dos parâmetros de entrada deste módulo, consultar o manual do programa

[GOMES, 2006].

No módulo que utiliza o Método Traçado de Raios, os dados de entrada apresentam

algumas diferenças. É necessário determinar o número de raios, o diâmetro do receptor e

coeficiente de espalhamento ou difusão para cada superfície. A difusão ou reflexão difusa é

um modelo utilizado para representar a reflexão numa superfície irregular, sendo a direção da

dispersão das ondas refletidas independente do ângulo de incidência [HENRIQUE, 2002]. O

coeficiente de espalhamento pode assumir valores entre 0, nenhuma difusão, reflexão

puramente especular, e 1, total espalhamento, com intensidade sonora distribuída

uniformemente em todas as direções. Como esse é um dado complexo que não está sendo

avaliado neste trabalho, foi usado o valor de 0,1 para o coeficiente de espalhamento (difusão)

de todas as superfícies, em todas as simulações. Este valor foi sugerido pelos desenvolvedores

do programa.

A resposta impulsiva biaural é registrada em um arquivo de texto que contém além do

histórico de todos os raios que atingiram o receptor, suas respectivas direções. Esse arquivo é

dado de entrada para o terceiro módulo, que faz a convolução da resposta impulsiva biaural

com o banco de dados de HRTFs. Essa etapa é mais rápida do que a construção da resposta

impulsiva biaural, pois consiste em apenas duas operações de convolução, para ambos os

canais.

O módulo de convolução da resposta impulsiva biaural da sala com o som anecóico

solicita inicialmente que o usuário entre com o ângulo (em graus) do observador em relação

ao eixo x. O programa lê o arquivo texto de Fontes Virtuais ou Traçado de Raios, transforma

as coordenadas cartesianas para coordenadas polares e acessa o banco de HRTFs escolhido.

Nesse ponto é necessário escolher o primeiro método de convolução (direto, direto esparso,

FFTW ou FFTP). Então é feito o cálculo de convolução biaural para se obter a resposta

impulsiva biaural. Deve-se escolher, então, o segundo método de convolução (direto, FFTW

ou FFTP) e, em seguida, fornecer o endereço (pasta e nome) do som anecóico a ser utilizado.

O programa abre o som anecóico e o convolui com a resposta impulsiva biaural, obtendo os

dados finais para os canais esquerdo e direito. Finalmente, o programa grava o arquivo final

em formato .wav.

O banco de dados de funções de transferência relacionados à cabeça, HRTFs, usado

nesta etapa do trabalho foi cedido gentilmente pelo Prof. Dr. Michael Vorländer, do Institut

für Technische Akustik da Universidade de Aachen, na Alemanha. O banco contém

informações para 936 direções.

Antes da utilização deste banco, usou-se um outro banco de dados, público,

desenvolvido pelo Media Lab do Massachussets Institute of Technology (MIT) [KEMAR]. Os

resultados não se apresentaram satisfatórios, pois as funções de transferência, que deveriam

ser aplicadas para dar apenas a sensação de espacialidade, causavam no sinal de áudio uma

alteração espectral significativa, fazendo o resultado soar muito diferente do esperado. A

mudança de banco de dados resolveu o problema. Deve-se ressaltar que se é feita a simulação

considerando um banco de dados de funções de transferência relacionadas à cabeça, HRTFs, e

se faz a gravação de referência com outro, por exemplo, as HRTFs do manequim usado, e os

dois não são iguais, fica difícil fazer a comparação, visto que as HRTFs apresentam

diferenças espectrais.

Uma limitação dos módulos de simulação do programa ainda é o formato de entrada

dos dados dos coeficientes de absorção sonora das superfícies internas. Cada arquivo texto de

entrada apenas permite um valor de coeficiente de absorção por superfície, ou seja, só é

possível inserir os dados de uma banda de freqüência por vez. Os resultados para cada banda

de freqüência precisam então ser combinados no final para que se obtenha a simulação

completa. Esta e outras melhorias estão sendo implantadas aos poucos no programa e estarão

habilitadas nas próximas versões.

6.5. Sala de reuniões do LVA

O ambiente estudado foi uma sala de reuniões, localizada no terceiro andar do edifício

do Laboratório de Vibrações e Acústica. O laboratório é parte do Centro Tecnológico (CTC)

do campus da Universidade Federal de Santa Catarina. A vista isométrica da sala é

apresentada na Figura 6.2.

Figura526.2 - Ilustração da sala de reuniões no LVA-UFSC.

O ambiente foi modelado utilizando-se 93 pontos, 64 superfícies e 10 diferentes

materiais. Os materiais utilizados são descritos na Tabela 6.1. As listagens completas das

coordenadas das superfícies e dos materiais utilizados no RAYNOISE encontram-se nos

Apêndices B e C.

Tabela26.1 - Coeficientes de absorção usados na simulação computacional, em bandas de 1/1 oitava.

Freqüência central de banda de oitava

Elemento Material 63*Hz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1k Hz 2k Hz 4k Hz 8k* Hz

1 Parede (2) alvenaria Pintada 0,01 0,01 0,03 0,02 0,03 0,03 0,02 0,02

2 Parede (2) gesso Pintado 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

3 Teto concreto 0,03 0,04 0,05 0,06 0,06 0,07 0,09 0,09

4 Piso cerâmica 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

5 Quadro Branco PVC 0,28 0,28 0,22 0,17 0,09 0,10 0,11 0,11

6 Mesa madeira (grande espaço embaixo) 0,40 0,40 0,30 0,20 0,17 0,15 0,10 0,10

7 Porta madeira 0,14 0,14 0,10 0,06 0,08 0,10 0,10 0,10

8 Janela vidro (3mm de espessura) 0,07 0,08 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02

9 Cadeiras assento (bem acolchoado) 0,44 0,44 0,60 0,77 0,89 0,82 0,70 0,70

10 Cadeiras (costas) acolchoado coberto por couro 0,40 0,40 0,50 0,58 0,61 0,58 0,50 0,50

* não foram encontrados nas tabelas disponíveis da literatura os valores correspondentes às bandas de freqüência

de 63 e 8000 Hz. Como a interface do programa RAYNOISE não aceita que os valores fiquem em branco, foi

repetido o valor da banda de freqüências vizinha. Logo, estes valores não têm representatividade.

Para o propósito da simulação, a geometria do ambiente e de seus componentes

internos foi simplificada, sendo desconsiderados alguns elementos constitutivos. Por exemplo,

a mesa central foi modelada sem os pés, assim como as cadeiras, que foram simplificadas pela

associação de seus encostos e assentos em áreas conjuntas.

O volume total da sala é de 55,5 m

(5,02 x 3,38 x 3,27 m

) e o tempo de reverberação

em média estimado (através de Sabine - Capítulo 3, item 3.3) para a sala é de 0,8 segundos.

Com base nesses dados é possível calcular a freqüência a partir da qual os métodos

geométricos de simulação fornecem boas aproximações. Isso ocorre quando a densidade

modal é alta o suficiente para que os modos possam ser considerados sobrepostos. Tal

freqüência é calculada de acordo com a Equação (6.1) [KUTTRUFF, 1991]:

2000

(6.1)

sendo T

o Tempo de Reverberação (estimado) em segundos e V o volume da sala em m

O cálculo indica a freqüência aproximada de 240 Hz. Isso significa, por exemplo, que

as simulações feitas para 125 Hz não devem ser consideradas, pois é uma banda situada

abaixo do limiar de transição, a partir do qual os resultados têm validade.

6.6. Posições de fonte e receptor

Tomando a origem do eixo de coordenadas o canto inferior direito representado na

Figura 5.6, as diferentes configurações avaliadas na simulação de duas diferentes fontes

sonoras são ilustradas pela vista superior nas figuras 6.3, 6.4 e 6.5 e as suas coordenadas são

apresentadas na Tabela 6.2.

Figura536.3 - Vista superior das posições de fonte e receptor para o violão.

Figura546.4 - Vista superior das posições de fonte e receptor para a voz.

Figura556.5 - Vista superior das posições de fonte e receptor para o aparelho de ar-condicionado.

Tabela36.2 - Coordenadas cartesianas em metros das posições de fonte e receptor.

Fonte Receptor

Configuração Fonte

x y z x y z

1 Violão 0,74 3,41 0,8 0,74 2,51 1,0

2 Violão 0,74 3,41 0,8 2,54 2,51 1,0

3 Voz 0,74 3,41 1,0 0,74 2,51 1,0

4 Voz 0,74 3,41 1,0 2,54 2,51 1,0

5 Ar-cond. 0,54 4,9 2,5 0,74 2,51 1,0

6 Ar-cond. 0,54 4,9 2,5 2,54 2,51 1,0

6.7. Considerações sobre o aparelho de ar-condicionado

As comparações entre os resultados das simulações foram feitas por meio de

comparações subjetivas, e serão detalhadas no Capítulo 7, item 7.1. Cabe lembrar que não

houve instalação física do aparelho de ar-condicionado na sala de reuniões, e sim uma

simulação do ruído através de uma fonte eletroacústica omnidirecional. As gravações biaurais

desse ruído foram então aplicadas como referência na análise objetiva das comparações com

os resultados da auralização do ar condicionado. Apenas os sons da voz e do violão foram

utilizados na comparação subjetiva. Os métodos usados para a validação da simulação do

ruído do aparelho de ar-condicionado foram outros e estão descritos no Capítulo 5, item 5.4.

Os resultados se encontram no Capítulo 7, item 7.2.

CAPÍTULO 7

ANÁLISE DOS RESULTADOS

Este capítulo está dividido em duas partes. Inicialmente é apresentada a metodologia

utilizada para a avaliação subjetiva dos resultados dos diferentes métodos de auralização para

voz e violão. Depois são apresentados os resultados das comparações objetivas relativas à

auralização do ruído do ar-condicionado, baseadas na análise espectral. Cada resultado é

comentado em paralelo à sua exposição.

7.1. Análise subjetiva

A qualidade dos resultados de cada um dos métodos de auralização foi avaliada por

meio de um procedimento de avaliação subjetiva. A técnica escolhida foi a comparação dos

resultados da auralização com a gravação biauricular de referência, utilizando como

instrumento psicométrico uma escala em linha, apresentada na Figura 7.1, conforme proposto

por LEITE e PAUL (2006). O participante, após escutar a referência e cada som gerado por

um dos três métodos, deveria posicionar na escala os sons em relação à referência.

Figura567.1 – Escala de linha para ordenamento dos sons em relação à referência (R).

Foi utilizada uma combinação de questionário em papel (apresentado no Apêndice G)

com uma interface de computador (presente no CD que acompanha este trabalho). A interface

de computador proporcionou ao ouvinte um treinamento de uso da escala bem como

interfaces de demonstração do arranjo espacial e as devidas interfaces para reproduzir os sons

(referência e três sons de auralização). Assim, o ensaio era administrado pelo próprio

participante, proporcionando o tempo necessário para realização da tarefa para cada

participante.

Inicialmente foi realizado um pré-teste com 10 pessoas convidadas, a fim de testar o

procedimento de avaliação, interface e questionário, e sugerir melhorias. Nesse os sons eram

comparadas à referência de forma geral, sem estipular uma dimensão de percepção.

Terminada a avaliação, os participantes sugeriram a separação da tarefa em etapas, onde o

ouvinte daria atenção a uma dimensão de cada vez.

Para os ensaios, o procedimento foi alterado, fazendo com que os participantes

avaliassem os conceitos localização da fonte, reverberação e timbre separadamente para cada

fonte. Estes parâmetros estão descritos no Capítulo 3, item 3.3. O significado dos parâmetros

foi explicado por meio da interface de computador, utilizando-se exemplos sonoros, arquivos

de áudio. Logo em seguida, eram feitas as avaliações referentes ao conceito explicado.

Os sons foram representados pelas letras A, B e C, a fim de não induzir nenhuma

resposta. As letras A, B e C significam, respectivamente, o Método das Fontes Virtuais (FV),

Método Híbrido de Traçado de Pirâmide utilizado pelo RAYNOISE (RN) e Método do

Traçado de Raios (TR). Depois de marcados os três sons, a linha ficaria conforme o exemplo

ilustrado pela Figura 7.2.

Figura577.2 – Exemplo do resultado do ensaio subjetivo, com o ordenamento dos sons em relação à referência (R)

marcado na escala de linha.

Nos ensaios participaram 35 pessoas, estudantes de graduação ou pós-graduação de

diversos cursos da Universidade Federal de Santa Catarina, sendo que dez deles possuem

alguma experiência em acústica. Cada pessoa fez 12 comparações, divididas em três grupos,

um para cada parâmetro. Em cada grupo, metade dos casos tinha como referência a gravação

biaural da voz e a outra metade a gravação biaural do violão. No total foram obtidas 420

comparações.

7.1.1. Análise dos resultados

A análise dos resultados foi feita de duas formas, considerando os diferentes tipos de

dados obtidos: ordinais, que consideram somente a ordem em que os sons aparecem em

relação à semelhança com a referência; intervalares, que consideram as distâncias exatas entre

os sons marcados na linha.

Para a aplicação dos métodos estatísticos chamados paramétricos é necessário que a

distribuição dos resultados da população (da qual se tirou a amostra) obedeça à curva normal

de distribuição estatística. O método ANOVA é um exemplo bastante conhecido desse tipo de

teste. Já nos testes não-paramétricos essas suposições não são necessárias, fazendo com que se

adaptem melhor aos dados provenientes de opiniões subjetivas. Para maior esclarecimento ou

aprofundamento dos conceitos e métodos estatísticos usados neste trabalho, sugere-se

consultar SIEGEL (1975) ou HOWELL (1992).

Uma análise exploratória [TUKEY, 1977], utilizando diagramas em caixa, permitiu

identificar valores discrepantes. Como se trata de uma avaliação subjetiva de sons por meio de

conceitos novos para a maioria dos participantes, optou-se por não considerar na análise dos

dados os valores discrepantes univariantes identificados através dos diagramas em caixa.

As comparações 1, 3 e 4 de localização do ouvinte 8, as comparações 1, 2 e 5 de

localização do ouvinte 11 e a comparação 6 de reverberação do ouvinte 15 foram retiradas da

amostra por apresentarem valores discrepantes univariantes. Acredita-se que essas pessoas

tiveram dificuldades de avaliação para esses casos. Foram retiradas, no total, sete

comparações, das 420 consideradas inicialmente. Isso representa 1,67% dos dados, valor

baixo e aceitável.

7.1.2. Dados ordinais

Os dados ordinais deram origem aos gráficos de colunas empilhadas, que mostram a

freqüência dos postos atribuídos aos métodos. Os códigos FV, RN e TR representam

respectivamente os métodos de Fontes Virtuais, Híbrido de Traçado de Pirâmides

(RAYNOISE) e Traçado de Raios. As Figuras 7.3 a 7.8 apresentam os resultados dos dados

ordinais para os três parâmetros, considerando somente uma das fontes, violão ou voz, ou

combinando os dados para a análise geral. A parcela representada pelo número 1 na coluna de

um método refere-se à porcentagem de pessoas que julgou que tal método é o mais parecido

com a referência, enquanto a legenda 2 indica a porcentagem de pessoas que o classificou

como segundo lugar e assim por diante.

 Localização:

Violão Voz

37,1

21,4

40,0

47,1

21,4

32,9

15,7

57,1

27,1

FV RN TR

54,3

28,6

17,1

31,4

27,1

41,4

14,3

44,3

41,4

FV RN TR

Figura587.3 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério localização do violão e da

voz.

45,7

25,0

28,6

39,3

24,3

37,1

15,0

50,7

34,3

FV RN TR

Figura597.4 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro localização.

Analisando as classificações conforme as Figuras 7.3 e 7.4, é possível tirar as

seguintes conclusões: o método FV (Fontes Virtuais) aparece como primeiro colocado no

quesito localização para a voz enquanto que o método TR (Traçado de Raios) vence no

quesito localização para a fonte violão. Isso demonstra que o tipo de fonte sonora influi na

percepção desse parâmetro, apesar das diferenças não serem muito grandes. Sem a distinção

da fonte, o método de Fontes Virtuais é o melhor classificado pelos participantes.

 Reverberação:

Violão Voz

24,3

54,3

21,4

45,7

35,7

18,6

30,0

10,0

60,0

FV RN TR

28,6

48,6

24,3

35,7

40,0

22,9

35,7

11,4

52,9

FV RN TR

Figura607.5 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério reverberação do violão e da

voz.

26,4

51,4

22,9

40,7

37,9

20,7

32,9

10,7

56,4

FV RN TR

Figura617.6 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro reverberação.

Em relação à reverberação, referente às Figuras 7.5 e 7.6, o melhor método percebido

foi o RN (RAYNOISE), independente da fonte.

 Timbre

Violão Voz

32,9

37,1

30,0

44,3

34,3

21,4

22,9

28,6

48,6

FV RN TR

27,1

37,1

35,7

44,3

27,1

28,6

35,7

37,1

FV RN TR

Figura627.7 – Resultado da análise dos resultados dos dados ordinais para o critério timbre do violão e da voz.

30,0

37,1

32,9

44,3

30,7

24,3

25,7

32,1

42,9

FV RN TR

Figura637.8 – Resultado da análise geral dos resultados dos dados ordinais para o parâmetro timbre.

Quanto ao timbre, cujos resultados são apresentados nas Figuras 7.7 e 7.8, o método

RN foi o melhor classificado, tanto para voz como para violão. Porém, a vantagem diante os

outros métodos é muito pequena.

Cabe avaliar se as diferenças notadas entre os métodos são estatisticamente

significativas. Para esta etapa, foi utilizado a análise dos postos e o teste de signos de

Wilcoxon (Wilcoxon-Signed Ranks Test) [WILCOXON, 1945]. Os resultados do teste são

apresentados na Tabela 7.1, onde o sinal

9 indica que as diferenças são significativas

(p=0,05).

Tabela47.1 – Verificação de diferenças significativas em dados ordinais.

Parâmetro Dados FV e RN RN e TR FV e TR

violão

9 9 8

voz

9 8 9

localização

geral

9 8 9

violão

9 9 8

voz

9 9 8

reverberação

geral

9 9 8

violão

8 8 8

voz

8 8 8

timbre

geral

8 8 8

Para a localização, não houve diferenças significativas entre FV e TR para o violão,

nem entre RN e TR para a voz e para a classificação geral. Sendo assim, podemos apresentar

os resultados de forma mais clara através do podium representado pela Figura 7.9. Não há

terceiro lugar.

Para a reverberação, também não houve diferença significativa entre FV e TR para a

disputa do segundo lugar. Sendo assim, de acordo com o julgamento dos participantes, seria

possível classificar o desempenho dos métodos quanto à Reverberação conforme a Figura

7.10.

Entre as classificações dos métodos quanto ao timbre não há diferenças

estatisticamente significativas.

Figura647.9 – Classificação geral para o parâmetro Localização conforme dados ordinais.

Figura657.10 – Classificação geral para o parâmetro Reverberação conforme dados ordinais.

Para confirmar os resultados da análise dos dados ordinais e para tentar chegar a uma

conclusão mais expressiva sobre a dimensão timbre, foi feita então a análise dos dados

intervalares, como segue.

7.1.3. Dados intervalares

Os dados intervalares deram origem aos histogramas

. Pela análise dos histogramas

obtidos, conclui-se que os dados não seguem a distribuição normal. A Figura 7.11 demonstra

um caso em que a distribuição se apresentou mais próxima da função normal, isto representa a

minoria dos dados. A maior parte dos dados tem uma distribuição bastante diferente da

normal, como exemplifica o resultado apresentado na Figura 7.12. O Apêndice D contém a

listagem completa dos histogramas gerados a partir dos dados intervalares.

Na estatística, um histograma é uma representação gráfica da distribuição de freqüências de uma massa de dados medidos, normalmente

um gráfico de barras verticais, em que a base de cada uma delas corresponde ao intervalo de classe e a sua altura à respectiva freqüência. A

construção de histogramas é um importante indicador da distribuição de dados, pois pode indicar se uma distribuição aproxima-se de uma

função normal, representadas pela linha escura mais forte.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 4,914

Std. Dev. = 1,9707

N = 70

Figura

667.11 - Histograma para o parâmetro Reverberação da fonte voz - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 5,098

Std. Dev. = 2,6344

N = 66

Figura

677.12 - Histograma para o parâmetro Localização da fonte violão - Método RN.

Devido à não-normalidade na distribuição dos dados intervalares, as medianas

foram calculadas e comparadas, ao invés das médias, como parâmetros de localização das

distribuições. Na Tabela 7.2, quanto menor o valor da mediana, mais próximo da referência o

método foi classificado e melhor é o seu resultado.

Tabela57.2 – Medianas obtidas das distribuições de dados para os três parâmetros.

Parâmetro Dados FV RN TR

violão 2,5 5 2,0

voz 2,5 4,5 4,5

localização

geral 2,5 5 3,5

violão 3,25 2 5

voz 5 4 6

reverberação

geral 4,5 3 5,5

violão 4 3 4,25

voz 5 4,5 4,5

timbre

geral 4,25 3,5 4,5

Antes de estabelecer um ranking baseado nas medianas, é preciso testar se há

diferenças significativas entre elas. Para tal, foram executadas as provas de Friedman e a

prova de Kendall-W [SIEGEL, 1975][HOWELL, 1992], considerando um nível de

significância de p=0,05. Os resultados são apresentados na Tabela 7.3, onde o sinal

9 indica

que as diferenças são significativas (p=0,05). As aspas em

“9” têm o propósito de destacar os

resultados que sofreram mudança em relação à Tabela 7.1, em virtude da nova análise.

Tabela67.3 – Verificação de diferenças significativas em dados intervalares.

Parâmetro Dados FV e RN RN e TR FV e TR

violão

9 9

“9”

voz

9 8 9

localização

geral

9 8 9

violão

9 9 8

voz

9 9 8

reverberação

geral

9 9

“9”

violão

8 8 8

voz

8 8 8

timbre

geral

8 8 8

Conclui-se que existe diferença significativa entre a avaliação dos métodos FV e TR

para a localização do violão, o que não foi possível afirmar utilizando-se apenas os dados

ordinais. O mesmo aconteceu com as diferenças entre FV e TR para o parâmetro

Reverberação. A reclassificação para esses dois parâmetros é apresentada pelas Figuras 7.13 e

7.14.

No entanto, os sujeitos afirmaram que o ordenamento dos sons é bem mais fácil que a

atribuição de distâncias, o que resulta em dados ordinais talvez mais confiáveis que os dados

intervalares. O estudo dos dados intervalares não trouxe informações adicionais sobre a

classificação para o Timbre.

Figura687.13 – Reclassificação para o parâmetro Localização em função da análise dos dados intervalares.

Figura697.14 – Reclassificação para o parâmetro Reverberação em função da análise dos dados intervalares.

7.1.4. Comentários feitos pelos participantes

Após a finalização do questionário, cada participante foi solicitado a comentar sobre as

dificuldades de avaliação e compreensão dos conceitos envolvidos. Os comentários eram

anotados no verso do formulário de resposta. Aqueles considerados mais significativos são

transcritos a seguir:

“O timbre é mais difícil, pois a sua comparação é baseada em parâmetros menos

óbvios e de difícil memorização”.

“Um efeito influi no outro, então fica difícil prestar atenção em uma coisa de cada

vez”.

“Ótimo questionário. Só achei difícil achar diferenças nos exemplos de

reverberação”.

“Difícil distinguir reverberação para o violão”.

“É mais fácil distinguir timbre para voz”.

“Como eu ouvi primeiro a localização e as fontes continuaram a mudar de posição, a

impressão da localização ficou na memória e incomodou um pouco na avaliação dos outros

testes”.

“Por exemplo, quando o parâmetro é Localização, a gente tem que focar somente na

localização, não é? Porque me parece que outros aspectos mudam também”.

Sendo assim, fica claro que a elaboração de questionários para as avaliações subjetivas

dos resultados dos algoritmos de auralização precisa de mais estudo. A opinião geral dos

participantes leigos em acústica revelou, principalmente, dificuldades em se avaliar uma

característica do som enquanto outras características também variam. No entanto, a tentativa

de avaliar todos os parâmetros em conjunto, como foi feito nos pré-testes, mostrou-se também

inadequado.

7.2. Análise objetiva

Para a análise objetiva dos resultados, escolheu-se, entre as três fontes possíveis, o

aparelho de ar-condicionado por produzir um ruído estacionário (vide espectrogramas no

Apêndice E), evitando-se, assim, a variabilidade no tempo como parâmetro a ser considerado.

Além disso, o fato do som do aparelho ar-condicionado ser um ruído de banda larga

permitiu

avaliar o comportamento dos algoritmos em praticamente toda a faixa de freqüência audível.

Os sinais provenientes dos diferentes algoritmos de simulação e a gravação biaural foram

analisados. Cada sinal foi analisado por meio de FFT, para avaliar o efeito das simulações no

espectro dos resultados, em relação à gravação de referência. Aproveitou-se, também, para

ouvir os sons e validar se os efeitos notados nos gráficos comparativos se correlacionavam

com as diferenças notadas através da audição. Como a dimensão avaliada nesta etapa é o

“timbre”, relacionado à composição espectral, e não mais a “localização”, apenas foi

considerada uma das duas configurações simuladas, apresentadas no Capítulo 6, item 6.6. A

segunda configuração da Figura 6.5 ilustra as posições de fonte e receptor adotadas nesta

análise e as Figuras 7.15 e 7.16 apresentam as comparações das FFTs para os canais esquerdo

e direito, respectivamente, pois cada sinal biaural é sempre composto de dois canais.

Na legenda dos gráficos de FFT, “Gravação” significa o som anecóico reproduzido

através de uma fonte eletroacústica omnidirecional (dentro da sala real, na exata posição onde

é instalado em uma situação normal) e gravado através de tecnologia biaural; “Simulação”

significa o som anecóico convoluído com o resultado da modelagem acústica da sala

simulada, proveniente de um dos três métodos estudados. Além disso, é importante informar

Banda larga aqui se refere ao fato deste tipo de ruído ser caracterizado pela combinação simultânea e quase homogênea de componentes de

muitas freqüências, dentro de todo o espectro audível.

que: FV = Método de Fontes Virtuais (MÓDULOS); RN = Método Híbrido de Traçado de

Pirâmides (RAYNOISE) e TR = Método de Traçado de Raios (MÓDULOS).

Figura707.15 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de referência.

Figura717.16 - Espectros FFT dos resultados do canal direito das simulações e do som de referência.

A FFT foi escolhida para a análise por ser um algoritmo consagrado e por representar

para a maioria dos casos um ponto de partida para indicar outras análises a serem escolhidas.

Antes de analisar os resultados da FFT, cabe ressaltar que os resultados de análises simples,

tais como a FFT, nem sempre se correlacionam bem com a impressão auditiva, que de forma

geral não é linear. Dessa forma, pequenas diferenças no gráfico podem ter grande impacto na

audição ou vice-versa. Efeitos psicoacústicos, como o mascaramento em freqüência, também

não podem ser visualizados através da FFT, embora sejam perceptíveis através da audição. O

leitor deste trabalho deve, portanto estar ciente destas limitações e o autor recomenda a escuta

das faixas sonoras presentes no CD que se encontra em anexo (relativo ao Apêndice F) para

tal análise auditiva. Como a análise se baseia na comparação relativa entre os níveis e as

tendências das curvas dos espectros dos resultados, apenas é considerado um canal, o

esquerdo, por ser representativo do conjunto de resultados obtidos. O espectro será dividido

em três regiões:

 Região A (Figura 7.17) = bandas de 63, 125 e 250 (Hz);

 Região B (Figura 7.18) = bandas de 500, 1k e 2k (Hz);

 Região C (Figura 7.19) = bandas de 4k, 8k e 16k (Hz).

Figura727.17 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de referência para as

bandas de 63, 125 e 250 Hz.

As curvas da Figura 7.17 devem ser consideradas apenas a partir de 250 Hz, conforme

a freqüência de corte calculada no Capítulo 5, item 5.5, a partir da qual os métodos

geométricos de simulação fornecem boas aproximações, pois a densidade modal é alta o

suficiente para que os modos possam ser considerados sobrepostos.

Nota-se que os métodos FV e TR do programa MÓDULOS apresentam um nível de 6

a 12 dB abaixo da referência, enquanto o método usado pelo RAYNOISE acompanha a

gravação, com 5 dB de diferença máxima. Este fato não se confirma na audição apenas do

canal esquerdo dos mesmos sinais, onde a impressão que se tem é que o Método de Traçado

de Raios possui mais componentes de baixa freqüência do que os outros. Porém convém não

confundir nível de pressão sonora medido com o nível percebido, pois o nível de pressão

sonora, NPS linear, não é capaz de expressar a percepção do ouvido humano.

Figura737.18 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de referência, para as

bandas de 500, 1000 e 2000 Hz.

Na região das médias freqüências (Figura 7.18) pode-se observar que, na maior parte

do espectro, o algoritmo do RAYNOISE estima um valor maior para o nível de pressão

sonora, enquanto os valores de NPS estimados pelos algoritmos de MÓDULOS (FV e TR) se

encontram abaixo da referência. Como a fonte sonora não foi calibrada em relação aos sinais

usados na simulação, a comparação relativa somente entre as simulações é preferível. Porém a

diferença nessa região de freqüências médias é bastante perceptível na audição, visto que os

métodos FV a TR não apresentam de forma clara o ruído associado ao compressor, mas

principalmente a componente associada ao fluxo de ar. A componente de ruído atribuída ao

compressor é mais “encorpada”, tonal e incômoda, enquanto o ruído causado pelo fluxo de ar

consiste mais em um “chiado”, que só começa a incomodar em um nível bem mais alto.

Figura747.19 - Espectros FFT dos resultados do canal esquerdo das simulações e do som de referência, para as

bandas de 4000, 8000 e 16000 Hz.

Em relação às altas freqüências, considerando de 4 a 8 kHz, todos os métodos

apresentam nível abaixo da referência. No entanto, o que mais se aproxima da gravação é o

Método de Fontes Virtuais, que realmente apresenta na escuta uma considerável semelhança

em relação à referência nessa faixa de freqüências. Comparando o nível de pressão sonora

entre os métodos apenas, pela falta de calibração da referência, para esta faixa de freqüências,

o método FV apresenta o nível mais baixo. Isto se correlaciona com o resultado audível, pois

é difícil notar o efeito do ruído proveniente do fluxo de ar em seu resultado.

Cabe ressaltar que não foi feita a equalização dos fones de ouvido para a reprodução

dos sons auralizados. Isto pode ter influenciado na percepção auditiva das comparações. Da

mesma forma, a resposta em freqüência da fonte sonora eletroacústica utilizada para a

reprodução do som do ar-condicionado, para a gravação de referência, deve ter influenciado

um pouco os resultados da gravação biaural, utilizada como referência.

Outra maneira de se comparar os espectros dos sons em estudo é a representação

através de espectrogramas, apresentados no Apêndice E.

Para melhor investigar quais as características psicoacústicas do ruído podem ser

relacionadas a determinadas impressões audíveis e obter equações que prevejam o resultado

das avaliações subjetivas a partir dessas características, existe o estudo da Qualidade Sonora

[18], que não será abordado neste trabalho.

7.3. Comparação do volume perceptível

Para mostrar a importância dos parâmetros psicoacústicos, foi realizado o cálculo de

loudness. O loudness é um modelo psicoacústico que não exprime simplesmente intensidade

sonora, mas trata-se de um termo subjetivo que descreve a capacidade da percepção do ouvido

humano. Está intimamente relacionado com a intensidade sonora, mas não podem ser

considerados equivalentes. A intensidade precisa estar relacionada à sensibilidade auditiva nas

freqüências específicas contidas no espectro sonoro. Também se deve considerar que a

resposta do ouvido para intensidade sonora crescente é uma "potência de dez" ou relação

logarítmica. Essa é uma das motivações para usar-se a escala em decibéis ao medir

intensidade sonora. Para avaliar o loudness de forma mais realística, as curvas de

sensibilidade do ouvido são relacionadas para produzir uma escala de sones para loudness.

Foi calculado o loudness conforme ZWICKER e FASTL (1999), somente para as

simulações, sem considerar a gravação de referência. Isso se deve ao fato de que, ao fazer a

gravação da referência, não foi gravado um sinal de calibração que pudesse ser usado para

garantir o nível de comparação entre os sons. No entanto, entre as simulações, por todas

haverem utilizado o mesmo som anecóico, uma comparação dessa natureza faz sentido.

Seguem, na Figura 7.20, os espectros de loudness. Os valores globais para loudness

(parametrizado para campo difuso) são apresentados na Tabela 7.4, junto com os níveis de

pressão sonora, com e sem a ponderação A.

Figura757.20 – Curvas de loudness específico para os resultados das simulações, em bandas de terço de oitava.

Tabela77.4 – Valores globais para loudness e níveis de pressão sonora dos resultados das simulações.

Método

Loudness

(sone GD)

NPS

(dB)

NPS

(dBA)

86,4 99,4 85,6

94,1 100,2 87,6

123 99,8 94,8

Da Tabela 7.4, nota-se que o NPS linear global do resultado analisado do método

Fontes Virtuais (FV) é praticamente igual o valor do método Traçado de Pirâmides (RN), do

RAYNOISE. No entanto, ao considerar os valores para NPS

, que já consideram uma

ponderação, ou para o loudness, parâmetro que se correlaciona melhor com a percepção

auditiva humana, a diferença é considerável, evidenciando o fato de que a interpretação de

dados numéricos como o NPS linear pode representar de forma equivocada a qualidade do

resultado de auralização.

CAPÍTULO 8

CONCLUSÕES

Neste capítulo são apresentadas as conclusões sobre os resultados do trabalho de

forma geral. Também são feitas sugestões para trabalhos futuros.

O processo de simulação acústica, chamado auralização, demonstrou grande potencial

para a interpretação de dados científicos, quando esses pretendem expressar uma

compreensão mais ampla de um conceito. A audição dos resultados reduz a dificuldade em

analisar e comparar fenômenos através de uma única grandeza, ou vários parâmetros isolados.

No entanto, alguns aspectos podem comprometer a fidedignidade da simulação, como a

equalização do sinal na reprodução biaural e a utilização de diferentes funções de

transferência relacionadas à cabeça (HRTFs).

A qualidade da auralização deve ser julgada através de critérios perceptivos. Já que os

resultados são audíveis, a percepção deve ser a ferramenta usada para julgar as diferenças. No

entanto, esse julgamento também pode se dar por meio de critérios numéricos, desde que estes

estejam relacionados aos parâmetros perceptivos em questão.

As gravações biaurais se mostraram eficientes, tanto realizadas através do manequim

quanto com pessoas. É importante ressaltar que o sistema de gravação biaural intra-auricular

foi desenvolvido no Laboratório de Vibrações e Acústica da UFSC através de um projeto

simples e de baixo custo. No entanto, seus resultados puderam ser utilizados como referência

para a comparação de algoritmos de simulação acústica.

A elaboração de questionários para as comparações subjetivas precisa de mais estudo,

pois a opinião geral dos participantes leigos em acústica revelou dificuldades em se avaliar

uma característica do som enquanto outras características também variam.

Para a avaliação do parâmetro timbre, a comparação de som de violão e voz através da

audição não se mostrou suficiente na avaliação do desempenho dos algoritmos utilizados, pois

os resultados não apresentaram diferenças significativas. Dessa forma, uma análise do som do

ar-condicionado por faixas definidas de freqüência se fez necessária, para tentar obter

informações mais detalhadas sobre o parâmetro em questão. Mesmo assim, fatores

relacionados aos métodos de gravação e reprodução, como as características da fonte

eletroacústica utilizada, influíram nos resultados, principalmente no nível de pressão sonora

estimado para o som de referência.

Os objetivos deste trabalho, que consistem na auralização de fontes sonoras dentro de

um ambiente, por meio de diferentes métodos (Traçado de Raios, Fontes Virtuais e Traçado

de Pirâmides), seguida da comparação dos resultados com gravações das mesmas fontes

dentro do ambiente real, através de análise subjetiva e objetiva, foram concluídos com êxito.

Sugestões para trabalhos futuros

Atualmente, uma das principais limitações na técnica de auralização se encontra na

modelagem das fontes sonoras, principalmente no que se refere à direcionalidade das mesmas.

Informações detalhadas e precisas referentes à fonte sonora deveriam necessariamente ser

utilizadas em qualquer programa de simulação acústica, pois um método nunca pode

apresentar resultados de qualidade superior à dos dados de contribuição. Sugere-se o estudo

da influência da direcionalidade da fonte sonora na distribuição de som na sala se esta estiver

vazia (bastante reverberante), ou no caso de possuir muitos elementos internos, como cadeiras

acolchoadas e pessoas, sendo o tempo de reverberação consideravelmente reduzido. O

objetivo seria avaliar se a influência da direcionalidade se torna mais evidente no campo

acústico com a redução da reverberação da sala. Aconselha-se considerar o ouvinte (receptor)

posicionado próximo da fonte, recebendo principalmente o som direto, em um diferente

ângulo para cada caso.

Deve haver um esforço direcionado para a melhoria da metodologia de avaliação dos

resultados dos métodos de auralização. Sugere-se um estudo direcionado à associação de

parâmetros psicoacústicos às diferenças percebidas nos resultados. Através destes parâmetros,

seria possível estimar com maior objetividade a influência de cada etapa da auralização

(gravação, modelagem, reprodução) na qualidade do resultado.

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APÊNDICES

APÊNDICE A

Descrição da construção da parede refletora (baffle)

Cada uma das duas placas de MDF utilizadas possui as dimensões 1,83 m de altura por

2,75 m de largura e 0,02 m de espessura. O condicionador de ar possui dimensões 0,26 m de

altura por 0,37 m de largura e 0,58 m de comprimento (profundidade). Todas as barras foram

soldadas entre si de maneira que se obtivesse a rigidez adequada. As dimensões de cada barra

utilizada, de seção retangular, foi de 30 mm por 40 mm e espessura de 3mm.

Foram utilizadas quatro barras, formando um quadrado, para manter a estrutura segura

sobre o plano do chão. Para reforçar a estrutura, foram utilizadas duas barras dispostas nas

duas diagonais do quadrado.

Para a base, foram utilizadas, nos lados do quadrado, quatro barras de 2 m; para as

diagonais, duas barras de 2,83 m. Para a mão francesa, duas barras de 2,68 m. Para as

braçadeiras que alinham e fixam as duas placas de MDF, foram utilizadas quatro peças de

ferro chato com 1,5 m de comprimento cada. Todos os parafusos utilizados foram do tipo

M10, cabeça sextavada, com fixação por arruela e porca.

A estrutura de suporte do aparelho condicionador de ar foi montada em forma de uma

mesa, utilizando metalon de seção quadrada de 25 mm, tubular. Foram utilizadas dez barras

de 0,5 m e quatro barras de 1,68 m.

Para a saída de água do aparelho, foi instalada uma mangueira que tinha sua saída

terminada em um compartimento fechado.

APÊNDICE B

Dados da geometria da sala (coordenadas cartesianas)

Coordenadas de entrada dos nós do modelo geométrico das superfícies que compõem

a sala estudada. As coordenadas são dadas em metros.

Nó x y z

1 3,28 0 0

2 3,28 0 3,38

3 3,28 3 3,38

4 3,28 3 2

5 3,28 1 2

6 3,28 1 1

7 3,28 3 1

8 3,28 3 0

9 3,28 5,02 0

10 3,28 5,02 3,38

11 2,98 5,02 3,38

12 2,98 5,02 1,95

13 0 5,02 1,95

14 0 5,02 0

15 0 5,02 3,38

16 0 0 3,38

17 0 0 0

18 0,3 0 0

19 1,2 0 0

20 1,2 0 2,15

21 0,3 0 2,15

30 2,32 1,36 0,45

31 2,77 1,36 0,45

32 2,77 3,66 0,45

33 2,32 3,66 0,45

34 2,32 1,36 0,4

35 2,77 1,36 0,4

36 2,77 3,66 0,4

37 2,32 3,66 0,4

38 0,51 3,66 0,45

39 0,51 1,36 0,45

Nó x y z

40 0,96 1,86 0,45

41 0,96 3,66 0,45

42 0,51 3,66 0,4

43 0,51 1,36 0,4

44 0,96 1,36 0,4

45 0,96 3,66 0,4

46 2,77 1,41 0,5

47 2,77 1,41 1

48 2,77 3,61 1

49 2,77 3,61 0,5

50 2,82 1,41 0,5

51 2,82 1,41 1

52 2,82 3,61 1

53 2,82 3,61 0,5

54 0,51 3,61 0,5

55 0,51 3,61 1

56 0,51 1,41 1

57 0,51 1,41 0,5

58 0,46 3,61 0,5

59 0,46 3,61 1

60 0,46 1,41 1

61 0,46 1,41 0,5

62 1,89 4,36 0,45

63 1,39 4,36 0,45

64 1,39 3,91 0,45

65 1,89 3,91 0,45

66 1,89 4,36 0,4

67 1,39 4,36 0,4

68 1,39 3,91 0,4

69 1,89 3,91 0,4

70 1,84 4,36 0,5

Nó x y z

71 1,84 4,36 1

72 1,44 4,36 1

73 1,44 4,36 0,5

74 1,84 4,41 0,5

75 1,84 4,41 1

76 1,44 4,41 1

77 1,44 4,41 0,5

78 1,89 1,11 0,45

79 1,39 1,11 0,45

80 1,39 0,66 0,45

81 1,89 0,66 0,45

82 1,89 1,11 0,4

83 1,39 1,11 0,4

84 1,39 0,66 0,4

85 1,89 0,66 0,4

86 1,44 0,66 0,5

87 1,44 0,66 1

88 1,84 0,66 1

89 1,84 0,66 0,5

90 1,44 0,61 0,5

91 1,44 0,61 1

92 1,84 0,61 1

93 1,84 0,61 0,5

APÊNDICE C

Dados da geometria da sala (elementos e materiais)

Descrição dos materiais atribuídos a cada elemento do modelo geométrico das

superfícies internas da sala. A seqüência de nós segue a ordem correta (“regra da mão

direita”) para que o vetor normal à superfície aponte para a direção adequada.

Materiais Elemento Seqüência de nós

1 Alvenaria Parede - parte em L

2 3 4 5 6 7 8 1

2 Alvenaria Parede - complemento

3 10 9 8

3 PVC Quadro branco

6 5 4 7

4 Alvenaria Parede da janela

9 10 11 12 13 14

5 Vidro Janela

11 15 13 12

6 Gesso Parede para sala vizinha

14 15 16 17

7 Gesso Parede para o corredor

19 20 21 18 17 16 2 1

8 Madeira Porta

18 21 20 19

9 Mármore Piso

1 9 14 17

10 Concreto Teto

2 16 15 10

11 Madeira Mesa - parte superior

22 23 24 25

12 Madeira Mesa - parte lateral

26 27 23 22

13 Madeira Mesa - parte lateral

27 28 24 23

14 Madeira Mesa - parte lateral

28 29 25 24

15 Madeira Mesa - parte lateral

22 25 29 26

16 Madeira Mesa - parte inferior

26 29 28 27

17 Acolchoado Assento direita cima

30 31 32 33

18 Acolchoado Assento direita lateral

30 33 37 34

19 Acolchoado Assento direita lateral

34 35 31 30

20 Acolchoado Assento direita lateral

30 34 35 31

21 Acolchoado Assento direita lateral

31 35 36 32

22 Forro Assento direita baixo

30 34 35 31

23 Acolchoado Assento esquerda cima

46 47 48 49

24 Acolchoado Assento esquerda lateral

46 49 53 50

25 Acolchoado Assento esquerda lateral

50 51 47 46

26 Acolchoado Assento esquerda lateral

46 50 51 47

27 Acolchoado Assento esquerda lateral

47 51 52 48

28 Forro Assento esquerda baixo

46 50 51 47

29 Acolchoado Encosto direita frente

46 47 48 49

Materiais Elemento Seqüência de nós

30 Forro couro Encosto direita costas

50 53 52 51

31 Acolchoado Encosto direita lado

51 52 48 47

32 Acolchoado Encosto direita lado

46 49 53 50

33 Acolchoado Encosto direita lado

50 51 47 46

34 Acolchoado Encosto direita lado

49 48 52 53

35 Acolchoado Encosto esquerda frente

54 55 56 57

36 Forro couro Encosto esquerda costas

58 61 60 59

37 Acolchoado Encosto esquerda lado

59 60 56 55

38 Acolchoado Encosto esquerda lado

54 57 61 58

39 Acolchoado Encosto esquerda lado

58 59 55 54

40 Acolchoado Encosto esquerda lado

57 56 60 61

41 Acolchoado Assento cabeceira D cima

62 63 64 65

42 Forro couro Assento cabeceira D baixo

66 69 68 67

43 Acolchoado Assento cabeceira D lado

67 68 64 63

44 Acolchoado Assento cabeceira D lado

62 65 69 66

45 Acolchoado Assento cabeceira D lado

66 67 63 62

46 Acolchoado Assento cabeceira D lado

65 64 68 69

47 Acolchoado Encosto cabeceira D frente

70 71 72 73

48 Forro couro Encosto cabeceira D costas

74 77 76 75

49 Acolchoado Encosto cabeceira D lado

75 76 72 71

50 Acolchoado Encosto cabeceira D lado

70 73 77 74

51 Acolchoado Encosto cabeceira D lado

74 75 71 70

52 Acolchoado Encosto cabeceira D lado

73 72 76 77

53 Acolchoado Assento cabeceira H cima

78 79 80 81

54 Forro couro Assento cabeceira H baixo

82 85 84 83

55 Acolchoado Assento cabeceira H lado

83 84 80 79

56 Acolchoado Assento cabeceira H lado

78 81 85 82

57 Acolchoado Assento cabeceira H lado

82 83 79 78

58 Acolchoado Assento cabeceira H lado

81 80 84 85

59 Acolchoado Encosto cabeceira H frente

86 87 88 89

60 Forro couro Encosto cabeceira H costas

90 93 92 91

61 Acolchoado Encosto cabeceira H lado

91 92 88 87

62 Acolchoado Encosto cabeceira H lado

86 89 93 90

63 Acolchoado Encosto cabeceira H lado

90 91 87 86

64 Acolchoado Encosto cabeceira H lado

89 88 92 93

APÊNDICE D

Histogramas – dados intervalares

Os dados intervalares resultantes da avaliação subjetiva dos métodos deram origem

aos histogramas. Para estimar a distribuição dos dados, são apresentadas também as curvas de

distribuição normal.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 2,788

Std. Dev. = 1,8544

N = 66

Figura D.01 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte violão - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 5,098

Std. Dev. = 2,6344

N = 66

Figura D.02 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte violão - Método RN.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 3,015

Std. Dev. = 2,2702

N = 66

Figura D.03 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte violão - Método TR.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 3,145

Std. Dev. = 2,285

N = 69

Figura D.04 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte voz - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 4,848

Std. Dev. = 2,4152

N = 69

Figura D.05 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte voz - Método RN.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 4,768

Std. Dev. = 2,5475

N = 69

Figura D.06 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Localização da fonte voz - Método TR.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 3,706

Std. Dev. = 1,9418

N = 68

Figura D.07 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte violão - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 2,684

Std. Dev. = 1,6948

N = 68

Figura D.08 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte violão - Método RN.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 4,853

Std. Dev. = 2,583

N = 68

Figura D.08 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte violão - Método TR.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 4,914

Std. Dev. = 1,9707

N = 70

Figura D.09 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte voz - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 4,114

Std. Dev. = 2,2813

N = 70

Figura D.10 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte voz - Método RN.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 5,514

Std. Dev. = 2,6278

N = 70

Figura D.11 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Reverberação da fonte voz - Método TR.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 3,757

Std. Dev. = 1,95

N = 70

Figura D.12 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte violão - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 3,886

Std. Dev. = 2,3237

N = 70

Figura D.13 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte violão - Método RN.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 4,464

Std. Dev. = 2,4426

N = 70

Figura D.14 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte violão - Método TR.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarA

Frequency

Mean = 4,729

Std. Dev. = 2,0706

N = 70

Figura D.15 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte voz - Método FV.

10,08,06,04,02,00,0

intervalarB

Frequency

Mean = 4,709

Std. Dev. = 2,5612

N = 70

Figura D.16 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte voz - Método RN.

100

10,08,06,04,02,00,0

intervalarC

Frequency

Mean = 4,671

Std. Dev. = 2,3404

N = 70

Figura D.17 - Histograma dos dados intervalares para o parâmetro Timbre da fonte voz - Método TR.

101

APÊNDICE E

Espectrogramas

O espectrograma é um gráfico bidimensional do espectro do sinal analisado ao longo

do tempo, com a freqüência espectral no eixo das ordenadas, o tempo no eixo das abscissas e

a intensidade espectral denotada por gradações de cor. Corresponde aos espectros

consecutivos (transformada de Fourier) de quadros adjacentes do sinal, dispostos

verticalmente. Os espectrogramas representados pelas Figuras E.01 a E.04 referem-se ao

ruído do ar-condicionado, relativos somente à posição 2, canal esquerdo.

Figura E.01 – Espectrograma da gravação de referência.

Figura E.02 – Espectrograma do resultado do Método de Fontes Virtuais (MÓDULOS).

t (s)

102

Figura E.03 – Espectrograma do resultado do Método de Traçado de Raios (MÓDULOS).

Figura E.04 – Espectrograma do resultado do Método de Traçado de Pirâmides (RAYNOISE).

t (s)

103

APÊNDICE F

Conteúdo do CD

O CD que acompanha este trabalho contém 27 faixas de áudio e 3 documentos

relacionados ao estudo realizado. É recomendado ao leitor considerar as configurações de

fonte e receptor descritas e ilustradas no Capítulo 6, no item 6.6.

Gravação anecóica da voz

Gravação anecóica do ar-condicionado

Gravação anecóica do violão

Gravação biaural de referência da configuração 1 (violão)

Gravação biaural de referência da configuração 2 (violão)

Gravação biaural de referência da configuração 3 (voz)

Gravação biaural de referência da configuração 4 (voz)

Gravação biaural de referência da configuração 5 (ar-condicionado)

Gravação biaural de referência da configuração 6 (ar-condicionado)

10.

Auralização da configuração 1 – Método FV (violão)

11.

Auralização da configuração 1 – Método RN (violão)

12.

Auralização da configuração 1 – Método TR (violão)

13.

Auralização da configuração 2 – Método FV (violão)

14.

Auralização da configuração 2 – Método RN (violão)

15.

Auralização da configuração 2 – Método TR (violão)

16.

Auralização da configuração 3 – Método FV (voz)

17.

Auralização da configuração 3 – Método RN (voz)

18.

Auralização da configuração 3 – Método TR (voz)

19.

Auralização da configuração 4 – Método FV (voz)

20.

Auralização da configuração 4 – Método RN (voz)

21.

Auralização da configuração 4 – Método TR (voz)

22.

Auralização da configuração 5 – Método FV (ar-condicionado)

23.

Auralização da configuração 5 – Método RN (ar-condicionado)

24.

Auralização da configuração 5 – Método TR (ar-condicionado)

25.

Auralização da configuração 6 – Método FV (ar-condicionado)

26.

Auralização da configuração 6 – Método RN (ar-condicionado)

27.

Auralização da configuração 6 – Método TR (ar-condicionado)

104

Documentos:

Apresentação Powerpoint de introdução ao questionário de comparação

subjetiva;

Apresentação Powerpoint – questionário de comparação subjetiva;

105

APÊNDICE G

Formulário para respostas da comparação subjetiva de sons

A qualidade dos resultados de auralização foi avaliada por meio de avaliação

subjetiva, utilizando como instrumento psicométrico uma escala em linha. O participante,

após escutar a referência e cada som gerado por um dos três métodos, Traçado de Raios,

Fontes Virtuais e Traçado de Pirâmides, deveria classificar os sons em relação à referência,

utilizando o formulário apresentado a seguir.

LOCALIZAÇÃO

Comparação 1

Comparação 2

Comparação 3

Comparação 4

REVERBERAÇÃO

Comparação 5

Comparação 6

muito parecido

muito diferente

muito parecido

muito diferente

muito parecido muito diferente

muito parecido

muito diferente

muito parecido

muito diferente

106

Comparação 7

Comparação 8

TIMBRE

Comparação 9

Comparação 10

Comparação 11

Comparação 12

muito parecido muito diferente

muito parecido

muito diferente

muito parecido

muito diferente

muito parecido muito diferente

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