Desarrollo de un Sistema de Medición de
Parámetros Acústicos Biaurales
Development of a Measurement System of Binaural Acoustic Parameters
Nilda Vechiatti, Federico Iasi, Nicolás Tati, Alejandro Armas, Daniel Tomeo, Luis Cosentino
Laboratorio de Acústica y Luminotecnia, Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires.
Camino Centenario y 506 S/N, Gonnet, Argentina
ciclal@gba.gob.ar
Abstract— This work is about the development of a system
for the recording of holophonic sound and the obtaining of
binaural acoustic parameters that characterize the spatial
perception of sound. At the first part, the implementation of a
prototype of a low cost acoustic mannequin, head and torso
simulator (HATS), is presented, to which its anthropometric
characteristics and frequency responses were analyzed. The
second part describes the developed algorithms to process the
data measured through the HATS. Finally, some results
calculated with the developed system are shown, and
compared with those obtained through a commercial software.
The applications of the developed measurement system are
several, among them can be mentioned: the recording of 3D
sounds, the calculation of subjective parameters in room
acoustics, or the measurement of noise doses to assess the
hearing damage of people exposed to noise through
headphones.
Keywords: HATS; acoustic mannequin; impulse response;
binaural measurements.
Resumen— Este trabajo trata del desarrollo de un sistema
destinado al registro de sonido holofónico y a la obtención de
parámetros acústicos biaurales que caracterizan la percepción
espacial del sonido. En la primera parte se presenta la
implementación de un prototipo de maniquí acústico de bajo
costo, simulador de cabeza y torso (HATS), al que se le
analizaron sus características antropométricas y sus respuestas
en frecuencia. En la segunda parte se describen los algoritmos
desarrollados para procesar los datos medidos a través del
HATS. Finalmente se muestras algunos resultados calculados
con el sistema desarrollado y se los compara con los obtenidos
mediante un software comercial. Las aplicaciones del sistema
de medición desarrollado son varias, entre ellas pueden
mencionarse: el registro de sonidos 3D, el cálculo de
parámetros subjetivos en acústica de salas, o la medición de
dosis de ruido para evaluar el daño auditivo de las personas
expuestas a ruido a través de auriculares.
Palabras clave: HATS; maniquí acústico, respuesta impulsiva;
mediciones biaurales.
I. INTRODUCCIÓN
En el contexto de la línea de investigación de estudio de
sonidos holofónicos, llevada a cabo en el Laboratorio de
Acústica y Luminotecnia LAL-CIC, se decidió implementar
un sistema de medición de parámetros acústicos biaurales,
conformado por las siguientes partes: un maniquí acústico
(o simulador de cabeza y torso, que incluye micrófonos
dentro de los canales auditivos), una placa de audio, y
rutinas de adquisición y procesamiento de datos.
En este trabajo se presentan la metodología utilizada para
el desarrollo y las pruebas de verificación del prototipo de
maniquí acústico, la selección de micrófonos y placa de
audio, y los aspectos más relevantes de las rutinas de
software desarrolladas para el procesamiento de las señales
de los micrófonos. A modo de ejemplo, también se
muestran algunos resultados de parámetros medidos con el
sistema desarrollado y su comparación con los obtenidos
utilizando un software comercial profesional.
II. IMPLEMENTACIÓN DEL MANIQUÍ ACÚSTICO
A. Verificación Antropométrica del maniquí
Para el simulador de cabeza y torso (también conocido
por la sigla HATS, Head and Torso Simulator), se
desarrolló un prototipo basado en la adecuación de un
maniquí de los utilizados para exhibir prendas de vestir en
tiendas comerciales, pues uno de los requisitos del proyecto
era que fuese de bajo costo y, además, se disponía de un
maniquí de ese tipo. Para ello, se tuvieron en cuenta las
recomendaciones de la International Telecommunication
Union (ITU): ITU-T P.58 [1] e ITU-T P.57 [2].
En una primera etapa se realizaron mediciones de las
características antropométricas del torso y de la cabeza del
maniquí comercial siguiendo los lineamientos de la
Recomendación P.58. A continuación, y de acuerdo con lo
establecido en la Recomendación P.57, se evaluaron orejas
de silicona moldeadas con características similares a las de
orejas humanas.
1) Verificación antropométrica del torso y de la
cabeza: Para la realización de estas mediciones fue
necesario diseñar un sistema basado en planos de referencia,
compuesto por cinco placas de madera colocadas en
Recibido: 25/04/19; Aceptado: 08/08/19
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cuadratura, formando un cajón abierto lateralmente, donde
se ubicó el maniquí. Su eje de rotación y su plano vertical
de simetría se determinaron utilizando un sistema de hilo-
plomada. En la Fig. 1 puede apreciarse los ejes y planos de
referencia de un HATS, y las dimensiones a obtener. En la
Fig. 2 se presenta la metodología utilizada para la obtención
de las dimensiones.
Fig. 1. Ejes, planos de referencia y dimensiones antropométricas de un
HATS.
Fig. 2. Dimensiones antropométricas del HATS y medición con calibre
antropométrico.
Las dimensiones se midieron con una herramienta que
debió fabricarse específicamente para este proyecto, similar
a un calibre, y con mordazas de tamaño acorde a las
dimensiones del HATS. El instrumento se realizó con 2
escuadras metálicas sin diagonal, y se fabricó una pieza de
acrílico que las sujetara y permitiera su desplazamiento
relativo (ver Fig.2).
En la Tabla I se presentan las dimensiones requeridas por
la Recomendación P.58, junto con las tolerancias, y las
dimensiones obtenidas del maniquí acústico en desarrollo.
Los valores de dicha tabla destacados con color rojo son
aquellos en los que las dimensiones del maniquí no
cumplieron con el rango propuesto en la Recomendación
anteriormente mencionada.
Puede verse que el maniquí evaluado cumple con ocho de
las doce dimensiones recomendadas. Analizando las
dimensiones no conformes, se encontró que tres de ellas
tienen un apartamiento máximo de 5% respecto de dichos
límites. Sólo la posición del “eje vertical del hombro”
presentó un apartamiento mayor. Dado que un corrimiento
de 11 mm en la posición vertical del hombro no resulta
relevante en cuanto a las reflexiones de onda sonora que
produciría hacia las orejas del maniquí, se consideró que
este apartamiento no representaría un inconveniente a la
hora de utilizar el prototipo en desarrollo.
TABLA I
DIMENSIONES DEL HATS (ITU-T P.58)
Dimensión
Mínimo
[mm]
Nominal
[mm]
Máximo
[mm]
Medido
[mm]
Ancho de la
cabeza
147
152
154
158
Largo de la
cabeza
190
191
205
196
De EEP a
vértice de la
cabeza
(a)
128
130
136
134
Distancia entre
EEPs
130
132
133
125
De EEP a la
pared occipital
92
94
100
97
De EEP al
hombro
(b)
167
170
181
179
De barbilla a
vértice de la
cabeza
216
224
225
237
Distancia entre
hombros
400
420
455
450
Profundidad
del pecho
178
235
272
207
Ancho del
hombro
(c)
108
110
161
132
Ubicación del
hombro
(d)
−4
10
46
57
Altura del
HATS
600
747
Notas:
(a)
EEP se refiere a la distancia entre dos puntos localizados en el
centro de la entrada de cada canal auditivo.
(b)
Medido desde la superficie del hombro a 175 mm del plano vertical,
hasta el plano de referencia del HATS.
(c)
Medido desde la parte delantera a la trasera del hombro, a 175 mm
del plano vertical.
(d)
Medido desde el centro de la sección del hombro, a 175 mm del
plano vertical, hasta el plano transversal (positivo detrás del plano
transversal).
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2) Verificación antropométrica de las orejas y
posición de las mismas: Las orejas de silicona evaluadas se
corresponden con el simulador de oído tipo 3.3 descripto en
la Recomendación P.57, que es el que más se asemeja a la
respuesta del oído humano en la banda de 100 Hz a
4.000 Hz. En la Fig. 3 puede apreciarse un esquema de las
dimensiones verificadas de las orejas, de la inclinación que
deben tener las mismas respecto del plano vertical, y la
imagen de una de las orejas artificiales evaluadas.
Fig. 3. Dimensiones de la oreja, e inclinación con respecto al plano vertical.
En la Tabla II se detallan los valores propuestos por esa
recomendación, y las dimensiones tomadas de las orejas
artificiales. Los valores destacados con color rojo en dicha
tabla son las dimensiones que se apartan en más de 10%
respecto del valor nominal, pero que no resultan relevantes.
TABLA II
DIMENSIONES DE LAS OREJAS (ITU-T P.57)
Dimensión
Nominal
[mm]
Medido
[mm]
Largo de la oreja
66
60,1
Ancho de la oreja
37
36,6
Trago
30
28,6
Largo de la Concha por
debajo del Trago
20
18,0
Largo de la Concha
28
19,4
Ancho de la Concha
23
16,4
Inclinación vertical
6°
6°
B. Selección de Micrófonos
Para seleccionar los micrófonos que se colocaron en la
entrada de cada canal auditivo del HATS, se tuvieron en
cuenta las siguientes especificaciones:
Respuesta plana en el rango de frecuencias audibles (20
Hz – 20.000 Hz).
Nivel de ruido equivalente menor a 30 dB para estar
dentro de los márgenes de un instrumento de medición
acústica clase 2.
Patrón polar omnidireccional o cardiode.
Diámetro menor o igual que 7 mm para poder insertarlos
en el canal auditivo de las orejas.
Longitud del micrófono con su respectivo pre
amplificador menor que 60 mm, para que los mismos se
pudieran colocar dentro de cada canal auditivo.
Principio de funcionamiento a capacitor (por su reducido
tamaño y estabilidad).
Precio (debido a que se necesitaba implementar un
HATS de bajo costo y se contaba con un presupuesto
limitado).
Se evaluaron micrófonos desarrollados exclusivamente
para grabaciones biaurales, micrófonos de instrumentación
y micrófonos orientados a la grabación de música en
estudios de grabación. A modo de resumen, en la Tabla III
se comparan las características que determinaron la
selección del micrófono adecuado.
TABLA III
MICRÓFONOS EVALUADOS
Marca y modelo
Respuesta
plana en
frecuencia
Nivel de
ruido
equivalente
Diámetro y
largo
Brüel & Kjaer
TYPE 4101-B
20 Hz a
20 kHz
23 dB(A)
Ref. 20 µPa
---
---
Brüel & Kjaer
TYPE 4189
20 Hz a
20 kHz
16,5 dB(A)
Ref. 20 µPa
12,7 mm
---
PCB
376B02
4 Hz a
20 kHz
16,5 dB(A)
Ref. 20 µPa
12,7 mm
46 mm
Audio Technica
U853A
30 Hz a
20 kHz
23 dB(A)
Ref. 20 µPa
12,2 mm
34 mm
DPA
SMK-SC4060
20 Hz a
20 kHz
23 dB(A)
Ref. 20 µPa
5,4 mm
12,7 mm
DPA
4006ER
10 Hz a
20 kHz
15 dB(A)
Ref. 20 µPa
19 mm
35 mm
Si bien se tomaron en cuenta todas las características
mencionadas anteriormente, las que determinaron la
selección de los micrófonos fueron el diámetro y el precio,
ya que las otras eran cumplidas en todos los casos. Se optó
por los micrófonos DPA SMK-SC4060, por tener un
diámetro y un largo adecuados para ser insertados en los
canales auditivos del maniquí, y por su precio adecuado al
presupuesto con que se contaba. Otra ventaja a favor de
estos micrófonos es que se comercializan en un kit de dos
unidades apareadas, el que también incluye un par de
adaptadores para unir el conector de salida de cada
micrófono (tipo MicroDot) y el de las entradas de la placa
de audio (tipo XLR3). Esto puede apreciarse en la Fig. 4.
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Fig. 4. Micrófono DPA SC4060 y adaptador MicroDot-a-XLR3.
C. Selección de la Placa de Audio
Para la interconexión de los micrófonos con la
computadora en la que se ejecuten los programas del
sistema de medición desarrollado, se decidió utilizar una
placa de audio externa, para asegurar que fuera de mejor
calidad que las internas de las PC.
Las especificaciones requeridas para la placa de audio a
utilizar eran las siguientes:
Tener respuesta plana en el rango de frecuencias
audibles (20 Hz – 20 kHz).
Contar con 2 entradas de micrófono con conector
balanceado XLR-3 para registrar señales biaurales.
Proveer alimentación “Phantom” para polarizar los
micrófonos.
En las especificaciones enumeradas no se tuvo en cuenta
la distorsión armónica total (THD), ni el ruido propio de la
placa de audio, debido a que actualmente las placas
comerciales tienen una THD y un ruido propio por debajo
de los valores requeridos por el sistema implementado.
En el Laboratorio LAL-CIC se contaba con dos placas de
audio, una Tascam US-322 y una M-Audio Audiophile USB.
De las dos, se seleccionó la placa de audio Tascam
US-322, por ser la que cumplía con todas las
especificaciones requeridas.
D. Armado de HATS
Se reemplazaron las orejas plásticas del maniquí por las
orejas de silicona evaluadas. Los conductos auditivos se
construyeron con un tubo de PVC, de 7 mm de diámetro
interno. A su vez, cada oreja y su conducto auditivo fueron
montados sobre una base cilíndrica hecha con poliuretano
expandido, que permitió la inserción de las mismas en la
cabeza del maniquí y darles la inclinación vertical de 6º
recomendada en la ITU-T P.57.
Por otra parte, la Recomendación P.58 especifica que el
material de construcción del HATS debe ser una superficie
no porosa, tener una impedancia acústica más grande que la
del aire y debe asegurar estabilidad dimensional, por lo que
se acondicionó la estética del maniquí aplicándole una capa
de masilla plástica para sellar los poros de su superficie y se
lo pintó con esmalte sintético.
Los micrófonos se montaron en las orejas artificiales
teniendo en cuenta que quedaran firmemente sujetos al
canal auditivo y que, si fuese necesario, se pudieran quitar
de los mismos sin dificultad.
En la Fig. 5 puede apreciarse el maniquí acústico
terminado, así como también su conexionado con la
computadora a través de la placa de sonido.
Fig. 5. Conexionado entre HATS, placa de sonido y computadora.
E. Verificación Acústica del HATS
Para verificar las especificaciones acústicas del HATS, la
ITU-T P.58 indica que deben realizarse mediciones de su
respuesta en frecuencia, tanto para condiciones de campo
libre como de campo difuso.
Estas respuestas se obtienen como la relación entre la
respuesta registrada con el micrófono colocado en el punto
de referencia del tímpano del HATS y la respuesta
registrada con el micrófono ubicado en el punto de
referencia del propio maniquí (HRP), sin el HATS. Como
los micrófonos no se ubicaron en la posición del tímpano
sino en la entrada del canal auditivo (posición normal de
uso), para completar esta tarea se debió utilizar la curva de
transferencia entre el tímpano y el punto de entrada del
canal proporcionada por la citada recomendación.
Las mediciones para obtener la respuesta en frecuencia
en campo libre, se realizaron en la cámara anecoica del
Laboratorio, y las mediciones para obtener la respuesta en
frecuencia en campo difuso, se realizaron en la cámara
reverberante.
Para la medición de ambas respuestas en frecuencia, fue
necesario desarrollar una rutina en un software de entorno
matemático para registrar y procesar los datos de manera de
obtener el nivel de presión sonora equivalente en tercios de
octavas de las transferencias del HATS (ver III. RUTINAS DE
ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS). Para generar la
señal sonora, se utilizó una fuente de ruido pseudo-aleatorio,
en el rango de frecuencias de 20 Hz a 20 kHz.
En las Fig. 6 y Fig. 7 se pueden apreciar curvas obtenidas
mediante mediciones en condiciones de campo libre y
campo difuso respectivamente.
En ambas figuras se presenta el análisis espectral
realizado en bandas de tercios de octavas para las
frecuencias centrales comprendidas entre 50 Hz y 10 kHz.
Se incluyen también los valores límite sugeridos por la
Recomendación P.58 para cada caso (curvas de trazo
punteado color rojo). Puede notarse una gran superposición
debido a la repetibilidad de los valores medidos. En esas
figuras se incluyen imágenes con ampliaciones de sectores
para mostrar detalles de la coincidencia de las curvas.
Si bien en 6 de las 24 bandas estudiadas existen
incumplimientos de los límites recomendados, con un
apartamiento más acentuado en las bandas superiores, se
considera que la envolvente de la transferencia sigue de
manera aceptable lo establecido en dicha recomendación.
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Fig. 6. Transferencia del HATS en campo libre.
Fig. 7. Transferencia del HATS en campo difuso.
F. Conclusiones sobre el prototipo de maniquí acústico
Considerando los resultados obtenidos a partir de las
evaluaciones antropométricas y acústicas del maniquí, se
considera que el mismo puede ser utilizado como simulador
de cabeza y torso en el sistema de medición en desarrollo.
III. RUTINAS DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS
Una vez evaluado el HATS, se procedió al desarrollo de
programas para completar el sistema de medición. Los
mismos debían tener la capacidad de registrar de forma
biaural:
El nivel de presión sonora continuo equivalente
(parámetros globales y análisis en tercios de octavas),
con diferentes ponderaciones en frecuencia (Z, A o C).
La respuesta impulsiva de un recinto y sus parámetros
acústicos biaurales.
A. Medición Biaural de Nivel de Presión Sonora Continuo
Equivalente (Leq, en dB)
La medición de nivel de presión sonora con un sistema de
medición biaural es de aplicación para el caso de personas
expuestas a ruido a través de auriculares, como por ejemplo
la obtención de la dosis de ruido en ambiente laboral que
reciben los operadores de un call center.
1) Rutina para medición biaural de Leq: Para la
medición biaural de nivel de presión sonora continuo
equivalente se desarrolló una rutina de software que
permitiera:
registrar las señales a medir,
registrar señales de referencia para calibrar el sistema,
calcular los niveles equivalentes globales, y realizar el
análisis espectral en bandas de tercios de octava, de la
señales registradas [5],
exportar los resultados a una planilla de cálculo.
En cuanto a la calibración del sistema, no pudo utilizarse
una fuente acústica de referencia debido a que el diámetro
de los micrófonos instalados en el maniquí no coincide
exactamente con valores normalizados (1/4” ó 1/2"). Por
este motivo, se decidió realizar la calibración del sistema
por contrastación con un instrumento de medición tomado
como de referencia, eligiéndose para ello un sonómetro
marca Brüel & Kjaer, modelo 2250. El procedimiento de
calibración consistió en generar en la cámara anecoica un
tono de 1 kHz, al que se le midió su nivel de presión sonora
equivalente global con el instrumento de referencia. Al
mismo tiempo, esa señal fue registrada mediante la rutina
diseñada (habiéndose colocado el micrófono del sistema de
medición en una posición muy cercana a la del micrófono
del sonómetro). De este modo se obtuvo una señal de
calibración para el sistema de medición (ver Fig. 8).
Por otra parte, para hacer el análisis espectral en bandas
de tercios de octava de las señales registradas, en la rutina
de software desarrollada se implementaron filtros
Butterworth pasabanda de cuarto orden [5]. Esto permite
cumplir con la más exigente de las clases de filtros (clase 0),
descripta en la norma UNE-EN 61260 [6].
Fig. 8. Calibración por contrastación de mediciones de nivel sonoro.
2) Verificación de la rutina de medición biaural de
Leq: Con el objeto de verificar el desempeño del software
desarrollado, se realizaron mediciones de nivel sonoro
continuo equivalente en cámara anecoica, excitando el
recinto con ruido de banda ancha. Cada uno de los
micrófonos pertenecientes al sistema en desarrollo fue
colocado muy cerca del micrófono del instrumento de
referencia, ambos a una distancia de 2 m de la fuente sonora,
medida sobre el eje de emisión de la misma (ver Fig. 9).
Una vez calibrado el sistema, y con el objeto de obtener
su rango dinámico y evaluar la repetibilidad, se realizaron
12 mediciones de análisis espectral a 3 diferentes niveles de
presión sonora. A su vez, el menor de estos niveles permitió
conocer el límite inferior de medición del sistema. En la Fig.
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10, las curvas de color rojo presentan los 12 espectros
medidos con los micrófonos del sistema en desarrollo (sin el
maniquí acústico), y las curvas de color azul muestran los
12 espectros medidos simultáneamente con el instrumento
de referencia.
Fig. 9. Verificación de la rutina de medición de presión sonora y
calibración del sistema.
Fig. 10. Medición en cámara anecoica del Leq con los micrófonos del
sistema y con el B&K 2250.
3) Análisis de resultados y problemáticas: En la Fig.
10, a partir de la superposición de las curvas obtenidas,
puede apreciarse la repetibilidad de las mediciones para
cada uno de los niveles generados.
De la misma figura se desprende que a partir de los
3150 Hz las curvas de nivel sonoro del HATS y del
instrumento de referencia comienzan a apartarse entre sí,
ubicándose la del HATS por encima de la referencia hasta
unos 4 dB. También puede observarse que a niveles sonoros
por debajo de los 30 dB el sistema HATS no responde
correctamente.
Se supuso que la respuesta del sistema para niveles
inferiores a los 30 dB podía deberse a que este es su piso de
ruido. Para confirmarlo se midió el ruido de fondo de un
recinto protegido del ruido, para poder medir bajos niveles
sonoros. La medición se llevó a cabo dentro de la cámara
anecoica del laboratorio, simultáneamente con el sistema
desarrollado y con el instrumento de referencia. Los
resultados permitieron inferir que el límite de medición
mínimo del sistema es de 30 dB (ver Fig. 11).
Fig. 11. Ruido de fondo de la cámara anecoica medido tanto con el HATS
como con el medidor de referencia.
Se supuso que el apartamiento del HATS en altas
frecuencias podía deberse a la respuesta en frecuencia del
micrófono por lo que se analizó la respuesta en frecuencias
comparándola con la del instrumento de referencia.
El fabricante del micrófono informa que a partir de los
8.000 Hz la respuesta en frecuencias puede verse aumentada
hasta 3 dB por efecto de la grilla de protección. Por este
motivo, se realizaron mediciones de nivel sonoro,
conjuntamente con el instrumento de referencia, utilizando
el micrófono del sistema en desarrollo con y sin grilla. Los
resultados de la comparativa pueden verse en las Fig. 12
a 14.
Se realizaron 3 mediciones de cada condición (con y sin
grilla), y 3 mediciones con el instrumento de referencia
(B&K). En la Fig. 12 se presentan los espectros medidos.
Nuevamente, los 3 perfiles obtenidos para cada grupo de
mediciones, aparecen totalmente superpuestos, motivo por
el cual no pueden diferenciarse entre sí (buena repetibilidad).
Fig. 12. Medición en cámara anecoica del Leq en tercios de octava con el
instrumento de referencia y con el sistema del HATS usando micrófono
con grilla y sin grilla. Detalle: pequeñas diferencias en altas frecuencias.
En las figuras 13 y 14 se presentan gráficamente los
valores globales medidos. En todos los casos los valores
globales obtenidos con el sistema en desarrollo resultaron
superiores al valor global medido con el instrumento B&K,
independientemente de si la grilla del micrófono estaba
colocada o no.
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Fig. 13. Medición en cámara anecoica del Leq Global con el instrumento
de referencia y con el HATS usando micrófono con grilla.
Fig. 14. Medición en cámara anecoica del Leq Global con el instrumento
de referencia y con el HATS usando micrófono sin grilla.
4) Conclusiones sobre las rutinas desarrolladas de
medición biaural de Leq: A partir de la realización de estas
mediciones y del análisis del comportamiento de los
componentes del sistema, se pudo comprobar que las
diferencias de medición en altas frecuencias no son debidas
a alinealidades causadas por la grilla del micrófono ni por la
placa de audio, interpretándose que las mismas están
asociadas con la transferencia del sistema completo,
incluyendo el desempeño del maniquí acústico y su canal
auditivo. Debido a estas diferencias, el sistema de medición
requiere que se le realice una compensación en frecuencias
hecha por software.
B. Programa para Obtención de Respuesta Impulsiva y de
Parámetros Biaurales de un Recinto
La medición de respuesta impulsiva de un recinto es el
primer paso para la obtención de sus parámetros acústicos.
Cuando esos parámetros son biaurales, se requiere
previamente la obtención de la respuesta impulsiva biaural.
Se trata de una medición indirecta, es decir, que se obtiene
la respuesta impulsiva a través del procesamiento de las
señales capturadas por los micrófonos. Lo particular de la
medición de la respuesta impulsiva a través de un sistema
biaural, es que se obtiene simultáneamente la respuesta
impulsiva del canal derecho y la respuesta impulsiva del
canal izquierdo.
Los parámetros acústicos biaurales que se pueden obtener
a partir de la utilización de un maniquí acústico registrando
las señales que llegan a cada uno de sus micrófonos,
proporcionan una cuantificación de la espacialidad del
recinto. Dichos parámetros son: el Coeficiente de
Intercorrelación Interaural (IACC), el Coeficiente de
Intercorrelación Interaural Temprano (IACC Temprano): y
el Coeficiente de Intercorrelación Interaural Tardío (IACC
Tardío).
1) Cálculo de las respuestas impulsivas: Para obtener
la respuesta impulsiva de un recinto se optó por el método
indirecto utilizando un barrido sinusoidal exponencial como
señal de excitación [7]. En la Fig. 15 se presenta un
diagrama en bloques que sintetiza el procedimiento
efectuado para obtener la respuesta impulsiva.
Fig. 15. Diagrama en bloques de la medición y el procesamiento
involucrado para obtener la respuesta impulsiva.
En la Fig. 16, a modo de ejemplo, se pueden observar las
respuestas impulsivas obtenidas con el HATS, utilizando un
barrido sinusoidal exponencial de 3 segundos de duración.
Para calcular las respuestas impulsivas se desarrolló una
rutina que permitiera: generar y emitir un barrido sinusoidal
de acuerdo con los parámetros seleccionados por el
operador, registrar mediante los micrófonos del HATS el
barrido sinusoidal emitido (teniendo en cuenta que en caso
de realizar varias repeticiones del proceso de emisión, se
promediaran los registros obtenidos), realizar la
deconvolución en forma lineal de la señal de excitación y de
las señales registradas, obtener las respuestas impulsivas, y
exportar los resultados a una planilla de cálculo.
Fig. 16. Respuesta impulsiva de un recinto, obtenida a partir del HATS,
utilizando un barrido exponencial sinusoidal.
2) Cálculo de parámetros biaurales: Para la calcular
los parámetros biaurales se desarrolló una rutina que
permitiera filtrar las respuestas impulsivas obtenidas en
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bandas de octava, de acuerdo con lo especificado en la
norma IRAM 4081 [4], con frecuencias centrales
comprendidas entre 63 Hz y 8.000 Hz, y obtener de este
filtrado los parámetros IACC, IACC Temprano e IACC
Tardío.
3) Verificación de las rutinas de cálculo de las
respuestas impulsivas y de parámetros biaurales: En la Fig.
17 se presenta un diagrama en bloques, correspondiente al
esquema utilizado en las mediciones de los parámetros
biaurales de un recinto.
Fig. 17. Esquema de una medición de los parámetros biaurales de un
recinto.
Para la validación de los algoritmos empleados para el
cálculo de los parámetros acústicos biaurales de una sala, se
midió la respuesta impulsiva de la misma y se calcularon
dichos parámetros empleando las rutinas desarrolladas y la
versión 3.0 del programa "DIRAC Room Acoustics
Software" utilizado como software de referencia.
Para la obtención de la respuesta impulsiva de la sala, y
con el objeto de evaluar su influencia en los resultados, se
probaron dos tipos de señales de excitación: 4 barridos en
frecuencia, de corta duración (3 s), y 1 barrido de larga
duración (12 s), sin repetición [3]. Los resultados obtenidos
se presentan en las Fig. 18, 19 y 20.
Fig. 18. Comparación de los valores obtenidos de IACC con el software de
referencia y con la rutina desarrollada.
Fig. 19. Comparación de los valores obtenidos de IACC Temprano con el
software de referencia y con la rutina desarrollada.
Fig. 19. Comparación de los valores obtenidos de IACC Tardío con el
software de referencia y con la rutina desarrollada.
4) Análisis de resultados y problemáticas: De estas
mediciones se desprende que el parámetro IACC global
tiene un error despreciable, dándose un error relativo
máximo de 10% en la octava de 2.000 Hz. En el caso de los
parámetros IACC Temprano e IACC Tardío, los errores son
mayores y tienen un punto en común entre ambos: dependen
del arribo de energía en un determinado lapso de tiempo.
Por lo que el desplazamiento temporal de la respuesta
impulsiva obtenida afecta directamente el cálculo de estos
parámetros. Esto derivó en la necesidad de tener en cuenta
la latencia de la placa de audio para el cálculo de los
parámetros IACC.
5) Medición de latencia de audio: Se midió la latencia
del sistema a través de dos métodos:
Utilizando un bucle IN/OUT en la placa de audio
Utilizando el indicador de latencia del software
comercial "Reaper"
Los resultados al utilizar el bucle IN/OUT pueden verse
en la Tabla IV. El retardo calculado es, en promedio, de 204
ms, un tiempo mayor al tiempo de integración de los
parámetros IACC Temprano y Tardío.
En la utilización del indicador de latencia de audio del
software comercial "Reaper", se configuró como interface
de audio de dicho programa el controlador “Windows
DirectSound”. En la Fig. 21 se muestra una captura de
pantalla donde en la parte superior derecha se observa que
la latencia es de 213 ms.
TABLA IV
LATENCIA DE AUDIO
Duración del barrido
Medición N°
Retardo [ms]
3 s
1
205,9
2
205,9
3
205,9
4
205,9
5
205,9
6
211,7
7
200,1
12 s
1
200,1
2
205,9
3
205,9
4
200,1
5
205,9
6
188,8
7
205,9
Retardo promedio
204,0
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ISSN 2525-0159
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Fig. 20. Visualización de la latencia indicada por el programa Reaper.
6) Verificaciones y correcciones planteadas: En
primer lugar, como la capacidad de almacenamiento de la
planilla de cálculo utilizada es limitada, siendo 23,7 s el
máximo tiempo que se puede registrar una señal para una
frecuencia de muestreo de 44,1 kHz, se optó por usar
señales de duración máxima de 23 s.
En cuanto a la sincronización de las señales involucradas
en el cálculo de la respuesta impulsiva, a partir de los 2
métodos empleados, se concluyó que existe un desfasaje
promedio de 208 ms, valor que se tomó para la corrección
de la rutina de cálculo de los parámetros IACC.
Luego de la implementación de la corrección mencionada
en el párrafo anterior, se realizaron nuevas mediciones para
verificar el correcto funcionamiento de la rutina de cálculo
de los parámetros IACC Temprano y Tardío. En las Fig. 22
y 23 se muestran los resultados.
Fig. 21. Comparación de los valores obtenidos de IACC Temprano con el
software de referencia y la rutina desarrollada corregida.
Fig. 22. Comparación de los valores obtenidos de IACC Tardío con el
software de referencia y la rutina desarrollada corregida.
7) Conclusiones sobre la obtención de parámetros
biaurales: Se puede apreciar que los valores del parámetro
IACC obtenidos con el sistema desarrollado o con el
programa comercial tomado como referencia, son similares,
a pesar de las diferentes señales de excitación utilizadas
para obtener la respuesta impulsiva de la sala.
En cuanto a la obtención de los parámetros IACC
Temprano y Tardío, es imprescindible tener en cuenta el
desfasaje que se produce entre las señales convolucionadas
en la rutina implementada para obtener la respuesta
impulsiva.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue financiado con fondos del Laboratorio de
Acústica y Luminotecnia de la Comisión de Investigaciones
Científicas de la Provincia de Buenos Aires. Y formó parte
del plan de tareas de la Beca de Entrenamiento de un
alumno de la carrera de Ingeniería Electrónica de la
Universidad Nacional de La Plata.
REFERENCIAS
[1] Recommendation ITU-T P.58 (2013). "Head and torso simulator for
telephonometry".
[2] Recommendation ITU-T P. 57 (2011). "Artificial ears".
[3] A. Farina, "Advancements in impulse response measurements by sine
sweeps", Audio Engineering Society 122nd Convention, Vienna,
Austria, 2007.
[4] IRAM 4081. (1977). Filtros de banda de octava, de media octava y de
tercio de octava destinados al análisis de sonidos y vibraciones.
[5] F. Miyara, Mediciones acústicas basadas en software, Ed. Asociación
de Acústicos Argentinos, 2013.
[6] UNE-EN 61260-1:2014 - Electroacústica. Filtros de banda de octava y
de bandas de una fracción de octava. Especificaciones.
[7] M. Swen y P. Massarani, "Transfer-Function Measurement with
Sweeps", Journal AES, pg. 443-471, Jun. 2001.
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