Fundamentos de Ingeniería Acústica I. Manual de Prácticas

ROCÍO J. PÉREZ DE PRADO

MANUAL DE PRÁCTICAS. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA 2012-2013 Departamento Ingeniería de Telecomunicación. Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones.

PROFESOR: Rocío J. Pérez de Prado.

ÍNDICE: 1.

Práctica 1 : EXPERIMENTOS DE PSICOACÚSTICA

2.

Práctica 2 : MODELO DE ENMASCARAMIENTO MPEG

3.

Práctica 3 : MEDICIÓN DE NIVELES ACÚSTICOS CON SONÓMETROS

4.

Anexo: GUIA ACÚSTICA DE CONTROL DE VEHÍCULOS ESPECIALMENTE RUIDOS

PRÁCTICA 1. EXPERIMENTOS DE PSICOACÚSTICA. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA 2012-2013. Departamento Ingeniería de Telecomunicación. Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones.

I.1 Introducción Con esta práctica se pretende observar de manera práctica algunos de los efectos y fenómenos relativos al funcionamiento del sistema auditivo estudiados en teoría. Para ello se hará uso de los siguientes recursos : - PC con tarjeta de sonido instalada. - Auriculares conectables a la tarjeta de sonido. - Software MATLAB@. - Software específico de la tarjeta de sonido. Respecto a los objetivos a alcanzar, los aspectos más importantes que deberá de poner de manifiesto la práctica mediante la creación de pequeños programas, serán los siguientes : - Comprobación práctica de las curvas isofónicas. - Experimentación del enmascaramiento. - Simulación de batidos auditivos. - Generación de un foco virtual móvil. I.2 Comprobación práctica de las curvas isofónicas Para establecer un nivel de referencia se reproducirá en los auriculares un tono de amplitud 1, frecuencia 1000 Hz y duración 1 segundo, ajustando el nivel de salida mediante el software de la tarjeta de sonido para apreciar una sonoridad lo más alta posible sin llegar a molestar. A partir de este momento supondremos que este nivel se corresponde con 94 dB de nivel de presión sonora. Se comenzará por realizar un programa SCRIPT que se llamará 'lea1.m'. Dicho programa realizará dos barridos : i. Se realizará un barrido en frecuencia utilizando tonos de frecuencias normalizadas de 1 octava desde 125 hasta 8000 Hz con un nivel de presión sonora de 88 dB. Comenzará por el tono de 125 Hz representándolo mediante la rutina ‘DibuSPL.m’ , y posteriormente se oirán en los auriculares 500 ms del tono de 125 Hz concatenados con 500 ms del tono de 1KHz que servirán de referencia de sonoridad (es decir, sin pausa entre el tono de 125 Hz y el de 1KHz). A continuación se repetirá la misma secuencia para el tono de 250 Hz y así hasta llegar al de 8 KHz. Todos los tonos tendrán el mismo nivel de 88 dB. ii. Se realizará un barrido de nivel utilizando saltos de 6 dB desde 76 hasta 94 dB. Se usará un tono de 1000 Hz comenzando por 76 dB representándolo mediante la rutina ‘DibuSPL.m’, y posteriormente se oirán en los auriculares 500 ms del tono concatenados con 500 ms del tono de 88 dB que servirán de referencia de sonoridad (es decir, sin pausa entre el tono de 76 dB y el de FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA. MANUAL DE PRÁCTICAS. 2012-2013.

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88 dB ). A continuación se repetirá la misma secuencia para el tono de 82 dB y así hasta llegar al de 94 dB. Todos los tonos tendrán la misma frecuencia de 1000 Hz. Con el barrido de frecuencia del programa ‘lea1.m’ funcionando correctamente y tomando como referencia la sonoridad del tono de 1 KHz, trácese de manera aproximada una curva de nivel de sonoridad en función de la frecuencia, ¿qué frecuencias suenan relativamente más altas o más bajas que otras? Contrástese con lo esperado teóricamente usando la rutina ‘isofon.m’. Con el barrido de nivel del programa ‘lea1.m’ funcionando correctamente, determínese aproximadamente cuantas veces más o menos sonoros son los tonos de 76, 82 y 94 respecto la sonoridad del tono de 88 dB. Contrástese con lo esperado teóricamente. I.3 Experimentación del enmascaramiento Se trata de crear una función llamada ‘lea2.m’ que sea capaz de generar un tono (sonido enmascarante) superpuesto a un ruido de 100 Hz de ancho de banda (sonido enmascarado). Las variables de entrada serán : ftono SPLtono fruido SPLruido

frecuencia del tono. nivel del tono. frecuencia central del ruido. nivel total del ruido.

Cada vez que se llame a la rutina ‘lea2.m’ deberá reproducir los sonidos enmascarante y enmascarado durante 1.5 s, y dar como salida la forma de onda conjunta. Se creará ahora un programa SCRIPT ‘lea3.m’ que generará primero la siguiente secuencia de sonidos: 1) 2) 3) 4)

ftono= 800 Hz, SPLtono= 94 dB, fruido= 1000 Hz, SPLruido= 14 dB ftono= 800 Hz, SPLtono= 94 dB, fruido= 1000 Hz, SPLruido= 82 dB ftono= 1200 Hz, SPLtono= 94 dB, fruido= 1000 Hz, SPLruido= 14 dB ftono= 1200 Hz, SPLtono= 94 dB, fruido= 1000 Hz, SPLruido= 82 dB

Establézcanse las conclusiones oportunas en relación con la teoría del enmascaramiento. Determine para una frecuencia de tono de 1000 Hz, con un nivel de 94 dB SPL para el tono y una frecuencia central para el ruido de 1000 Hz el nivel de enmascaramiento TMN, es decir, la diferencia en nivel de presión sonora en el umbral de enmascaramiento de tonos sobre ruido. Compare los resultados con los teóricamente esperados. Determine para una frecuencia de tono de 1000 Hz el nivel de enmascaramiento de ruido sobre tonos para un ruido de 84 dB SPL y frecuencia central de 1000 Hz. Compare los resultados con los teóricamente esperados. ¿Qué tipo de señal, tono o ruido, tiene mayor efecto de enmascaramiento sobre la otra? I.4 Simulación de batidos auditivos Se trata de crear una función llamada ‘lea4.m’ que sea capaz de crear un batido auditivo. La rutina tendrá como variables de entrada : f df

frecuencia central de batido. desviación de la frecuencia central.

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dp p

diferencia de fase. amplitud máxima del batido.

Cada vez que se llame a la rutina ‘lea4.m’ deberá dibujar la forma de onda del batido en un intervalo de tiempo tal que se aprecien correctamente 5 periodos de batido y generar la señal del batido durante 1.5 s. La salida de la rutina será la forma de onda del batido. Se creará ahora un programa SCRIPT ‘lea5.m’ que irá simulando un batido auditivo en torno a 1Khz usando la rutina ‘lea4.m’ en pasos de 10 Hz, comenzando por df=-50 y finalizando por df=+50. Descríbase el resultado del proceso de simulación del batido auditivo, intentándolo relacionar con los resultados teóricos. Determine para las frecuencias centrales de 250, 500 y 1000 Hz la desviación de la frecuencia central que permiten la percepción de dos tonos diferentes. Compare los resultados obtenidos con los teóricamente esperados. I.5 Generación de un foco virtual móvil En este apartado se va a generar un foco virtual móvil que se reproducirá mediante el software específico de la tarjeta de sonido. Se realizará una rutina ‘lea6.m’ que generará dos ficheros de tipo .wav, estéreo, 16 bits y duración entre 5 y 15 segundos. El primer fichero se llamará amplitud.wav y producirá un desplazamiento de derecha a izquierda de foco virtual jugando con la amplitud. El segundo fichero se llamará retardo.wav y tratará de hacer lo mismo jugando con el retardo. Mediante el software específico de la tarjeta de sonido reprodúzcanse los ficheros amplitud.wav y retardo.wav y coméntese brevemente la correspondencia con el resultado teórico.

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PRÁCTICA 2. MODELO DE ENMASCARAMIENTO MPEG

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II.1 Introducción Los codificadores de audio en su mayoría utilizan un modelo psicoacústico para conformar el ruido de cuantificación a aquellas zonas del espectro en las que tengan menos impacto auditivo. Principalmente se aplica el enmascaramiento en frecuencia, por eso este tipo de codificadores aplica algún tipo de transformada. El resultado de aplicar el modelo psicoacústico es el umbral de enmascaramiento, es decir, la potencia sonora del ruido de cuantificación a cada frecuencia que es imperceptible al oído humano para la señal de entrada actual. En MPEG el umbral de enmascaramiento se obtiene a partir de unas recomendaciones que permiten la implementación del modelo. Sin embargo, el estándar no obliga a utilizar el modelo de enmascaramiento recomendado. En este tipo de estándares la especificación recoge el encapsulado (definición de la trama de datos) y aquellos aspectos del decodificador que hagan que el entramado sea universal. Por tanto, el estándar MPEG permite una implementación libre del codificador siempre y cuando cualquier decodificador sea capaz desencapsular la señal codificada. II.2 Revisión gráfica del modelo de enmascaramiento I de MPEG. Descárgese de la siguiente dirección enmascaramiento I recomendado por MPEG.

una

implementación

del

modelo

de

http://www.petitcolas.net/fabien/software/mpeg/ Ejecute la función principal ‘Test_MPEG’ y observe las figuras. Compruebe los pasos del algoritmo. Determine el número de bandas usadas en la capa II de MPEG audio. II.3 Generación del umbral enmascaramiento II de MPEG.

de

enmascaramiento

mediante

el

modelo

de

Utilice ahora las funciones de MATLAB que se entregan con la práctica, éstas corresponden a una implementación del modelo de enmascaramiento II de MPEG. Genere el umbral de enmascaramiento y dibuje éste y la transformada de la señal de entrada en dB mediante el script de MATLAB ‘Test_MPEG.m’. II.4 Revisión de los pasos del modelo de enmascaramiento II de MPEG. A continuación, ejecute paso a paso la función MPEG_masking_model para revisar los pasos del modelo. Dibuje las siguientes variables intermedias: a) energía de señal en frecuencia, b) energía de señal en bandas críticas, c) índice de tonalidad estimado, d) función de difusión en alguna banda crítica, e) relación señal máscara en bandas crítica, f) umbral de silencio, g) umbral de enmascaramiento estimado. Como observará el modelo de enmascaramiento de MPEG trabaja en bandas críticas, imitando de esta forma el comportamiento logarítmico del oído humano. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA. MANUAL DE PRÁCTICAS. 2012-2013.

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PRÁCTICA 3. MEDICIÓN DE NIVELES ACÚSTICOS CON SONÓMETROS.

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I.1 Introducción Esta práctica pretende introducir al alumno a la medición de presión sonora mediante el uso de sonómetros, experimentar con la evaluación de ruido de fondo y analizar la contaminación acústica medioambiental debido a vehículos. Inicialmente se realizará un repaso de la normativa vigente en materia de contaminación acústica, DECRETO 6/2012, de 17 de enero del Reglamento de Protección contra la Contaminación Acústica en Andalucía y la Guía Técnica de Contaminación Acústica, de forma que el alumno adquiera los conocimentos necesarios para identificar la instrumentación y los modos de funcionamiento reglamentarios, las condiciones de medida y el método de ensayo propicio en diferentes casos de medición y la interpretación de los resultados. Para ello se hará uso de los siguientes recursos: • • • • • • • •

Sonómetro RION NL-32 Clase 1 Calibrador acústico NC-74 Trípode PC con tarjeta de sonido instalada Altavoces conectables a la tarjeta de sonido Software MATLAB@ Software específico de la tarjeta de sonido Vehículo

Respecto a los objetivos a alcanzar, los aspectos más importantes que deberá de poner de manifiesto la práctica son los siguientes: •

• • • •

Conocimiento de los diferentes aparatos de medida, condiciones de ensayo, método de ensayo e interpretación de los resultados recogidos en la legislación vigente en materia de contaminación acústica en diferentes casos prácticos. Manejo de los controles básicos y funciones de un sonómetro. Calibración acústica de un sonómetro. Medición de señales con ruido de fondo. Realización de medidas de contaminación acústica medioambiental. Ruido en vehículos parados.

I.2 Introducción a la normativa vigente en contaminación acústica Introducción al DECRETO 6/2012, de 17 de enero del Reglamento de Protección contra la Contaminación Acústica en Andalucía y su guía de aplicación o Guía Técnica de Contaminación Acústica. Análisis de casos prácticos. I.3 Controles y funciones básicas del sonómetro Los sonómetros son instrumentos de medida que nos permiten obtener niveles de presión sonora. Las normas IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) 60651 y 60804 se FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA. MANUAL DE PRÁCTICAS. 2012-2013.

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unifican en la norma 61672 (2003), que especifica las recomendaciones que han de seguir los fabricantes de sonómetros. Existen 4 clases de sonómetros: • • • •

Clase 0: para obtener niveles de referencia en laboratorios. Clase 1: para trabajo de campo de precisión. Clase 2: para mediciones generales de campo. Clase 3: para mediciones aproximadas.

La norma 61672 elimina las clases 0 y 3. En esta práctica se utilizará el sonómetro RION NL-32 de clase 1, que permite realizar medidas de precisión. En los sonómetros integradores como el NL-32, se permite seleccionar la curva de ponderación en frecuencia que va a ser usada. Es decir, un nivel de presión sonora de un sonido medido se atenúa una cantidad de dB determinada en función de la frecuencia de dicho sonido. Así, los sonómetros pueden simular la respuesta en frecuencia del oído mediante curvas de ponderación. Las principales curvas de ponderación son: •

•

•

• •

curva A (dBA). Mide la respuesta del oído, ante un sonido de intensidad baja. Es la más semejante a la percepción logarítmica del oído humano. Se utiliza para establecer el nivel de contaminación acústica y el riesgo que sufre el hombre al ser expuesto a la misma. Es la curva que se utiliza a la hora de legislar. curva B (dBB). Su función era medir la respuesta del oído ante intensidades para intensidades medias. Como no tiene demasiadas aplicaciones prácticas es una de las menos utilizadas. Muchos sonómetros no la contemplan. curva C (dBC). Mide la respuesta del oído ante sonidos de gran intensidad. Es tanto, o más empleada que la curva A a la hora de medir los niveles de contaminación acústica. También se utiliza para medir los sonidos más graves. curva D (dBD). Se utiliza, casi exclusivamente, para estudiar el nivel de ruido generado por los aviones. curva U(dBU). Es la curva de más reciente creación y se utiliza para medir ultrasonidos, no audibles por los seres humanos.

El NL-32 permite la selección de ponderación tipo A, C o FLAT (zero weighting), es decir, sin ponderación en frecuencia.

Figura 1. Curvas de ponderación en frecuencia A/C/ FLAT de un sonómetro. De igual modo que se permite realizar ponderación en frecuencia, los sonómetros también pueden realizar una ponderación en el tiempo (velocidad con que son tomadas las FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ACÚSTICA. MANUAL DE PRÁCTICAS. 2012-2013.

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muestras). En el NL-32 se dispone de 2 posiciones estandarizadas destacadas: • •

Lento (slow, S): valor (promedio) eficaz de aproximadamente un segundo. Rápido (fast, F): valor (promedio) eficaz por 125 milisegundos. Son más efectivos ante las fluctuaciones.

Los descriptores del sonido o funciones de medida fundamentales que se pueden utilizar con el sonómetro RION NL-32 : • •

•

•

•

Nivel de presión sonora, Lp. El nivel, en decibelios de la presión eficaz del sonido donde la presión de referencia es de 20·10-6 pascales. Nivel de sonido equivalente, Lkeq: se puede definir como el nivel de sonido constante capaz de aportar la misma cantidad de energía acústica que el sonido variable ponderado (k). Nivel de sonido de exposición, LkE. Es un hipotético nivel de presión sonora constante de duración 1s que proporcionara la misma energía que un evento de nivel de presión sonora con ponderación k. Nivel de sonido máximo, Lkmax y mínimo, Lkmin. Es el máximo y el mínimo nivel de presión sonora evaluado durante el tiempo de una medición con ponderación k. Nivel de percentil x, Lkx: son los niveles de presión sonora que han sido superados durante un determinado porcentaje del tiempo medido (tomando el tiempo total de medición como 100%) con ponderación k. Así un nivel de presión sonora Lx representa un valor de Lkp que fue superado durante el x porcentaje del tiempo de medición. Así, un valor de Lk10 = 60 dB nos indicaría que durante un 10% del tiempo la presión sonora medida con ponderación k superó los 60 dB.

Como se indica con la letra k, mediante la función A/C/FLAT del NL-32 es posible indicar el tipo de ponderación frecuencial que se desea de la medida junto al descriptor del sonido seleccionado con Mode. Dentro de las especificaciones técnicas del sonómetro RION NL-32 Clase 1 se tienen: • • • • • • •

Normativa: UNE-EN 60651 y UNE-EN 60804 Tipo 1. Aprobación de Modelo Nº 16-I-128-04003. IEC/EN: 61672-1 Class 1 Funciones de medida: Medida simultánea de Lp, Leq, LE, Lmax, Lmin y 5 valores de Ln (percentiles) Funciones auxiliares: Lpico, LCpico, LCeq, Latm5, LAI, LAIeq Rango: Nivel de pico: 141 dB. 6 escalas diferentes en intervalos de 20-80, 20-90, 20-100, 20-110, 30-120, 40-130 dB Tiempo de medida: 10 segundos, 1, 5, 10, 15, 30 minutos, 1, 8 ,24 horas o manual (entre 1segundo y 200 horas) Rango en frecuencia: 20 - 20000 Hz Memoria interna y CF para almacenamiento de medidas.

Además, los componentes básicos del sonómetro RION NL-32 Clase 1: • • • •

Pantalla de viento. Se emplea para reducir los errores en las medidas en exterior o de máquinas de aire acondicionado. Micrófono y un preamplificador. El micrófono y el preamplificador están configurados como un único montaje desmontable. Display. Pantalla LCD que muestra la intensidad sonora, modo de operación, los parámetros de medida seleccionados, indicaciones de advertencia etc. Teclas de operación. Controles para la toma de medidas y almacenamiento.

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Una vez introducidas las funciones y características básicas del sonómetro, se propone experimentar con éste: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Selección del rango de medida Selección de la ponderación en el tiempo Selección de los diferentes descriptores y de la ponderación en frecuencia Configuración de opciones adicionales mediante el menú Almacenamiento de medidas durante diferentes intervalos de tiempo Borrado de datos de la memoria

I.4 Calibración del sonómetro Los sonómetros han de calibrarse antes y después de cada serie de mediciones. Para ello, dispondremos de un calibrador acústico. Cada sonómetro dispone de su modelo de calibrador específico, no siendo válidos todos los calibradores para todos los sonómetros. Con el sonómetro en modo calibración, le acoplaremos el calibrador que emitirá un sonido a unos decibelios prefijados que deben ser detectados por el sonómetro. Algunos sonómetros permiten también una calibración eléctrica, incluyendo un oscilador propio. 7.

Se propone en esta práctica la calibración acústica del RION NL-32 (especificación a 94dB) mediante el calibrador acústico NC-74 (94dB a 1KHz) y la calibración mediante eléctrica del propio NL-32. Para la calibración en ambos casos, es necesario emplear un rango de 30 a 120dB. Para calibración acústica se debe medir 94dB y para la calibración eléctrica debe medirse 114dB con descriptor Lc.

I.5 Medición de señales con ruido de fondo. Se denomina ruido de fondo a cualquier sonido no deseado que se produce simultáneamente a la realización de una medida acústica y que puede dificultar dicha medida. De esta forma, para evitar los errores en la medida, es necesario saber si el ruido de fondo afecta el resultado. Midiendo con la fuente evaluada encendida y apagada se puede evaluar si el ruido existente es relevante: • • •

Si la diferencia entre ambas mediciones es pequeña (menos de 3 dB), la medida no es fiable. Si la al encender la fuente de ruido la medida varía en más de 10 dB, el ruido de fondo no tiene influencia en la medida. En otro caso, el ruido de fondo está afectando a la medida en cierto grado y debe ser corregida por ruido de fondo. Este proceso consiste en restar ambas medidas:

Donde Ls+n corresponde a la medición con la fuente evaluada encendida y Ln corresponde a la evaluación del ruido de fondo. También puede usarse una tabla de compensación que se propociona en las notas técnicas del NL-32. Diferencia con y sin señal a medir (dB) Valor de compensación (dB)

8.

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5

6

7

8

9

-2

-2

-1

-1

-1

-1

Se propone en esta práctica la evaluación de ruido de fondo en diferentes escenarios mediante el uso de sonómetros. En primer lugar, se considerará ruido

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estable y no estable y se estudiará su efecto en la medición de tonos con diferentes niveles de presión sonora. En segundo lugar, se recreará un escenario real donde sea necesario la medición de niveles acústicos en la presencia de ruido de fondo indeterminado que debe evaluarse para conocer el nivel de señal a medir. I.6 Realización de medidas de contaminación acústica medioambiental. Ruido producido por automóviles. La contaminación acústica medioambiental tiene implicaciones en diversos sectores como el control y la aplicación de ordenanzas en ruido en zonas industriales, ruido en la construcción, ruido en zonas de entretenimento y ocio, ruido en vehículos, etc. En esta práctica se realizará un estudio sobre la contaminación acústica debida a los automóviles parados. Para ello se hará se seguirán los criterios de la normativa DECRETO 6/2012, de 17 de enero sobre el Reglamento de Protección contra la Contaminación Acústica en Andalucía sobre los métodos y aparatos de medida del ruido producido por los automóviles que especifica: a) b) c) d)

Aparatos de medida Condiciones de medida Método de ensayo Interpretación de los resultados 9.

A partir de la Guía Técnica de Contaminación Acústica derivada del DECRETO 6/2012, de 17 de enero sobre el Reglamento de Protección contra la Contaminación Acústica en Andalucía analice el nivel de ruido producido según dicha normativa en un vehículo parado y verificar si cumple con los niveles permitidos para el vehículo en esas condiciones.

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ANEXO. GUIA ACÚSTICA DE CONTROL DE VEHÍCULOS ESPECIALMENTE RUIDOSOS.

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