1. Medições Esféricas Automatizadas de
Caixas Acústicas
M. Bigi, M. Jacchia, D. Ponteggia - Audiomatica
ALMA 2009 European Symposium
Loudspeaker Design - Science & Art
April 4, 2009
2. Sumário
• Introdução
– Por que fazer medições em 3D?
– Sistema coordenado
• Medições esféricas de caixas acústicas
–
–
–
–
–
–
–
Técnicas de amostragem espacial
Ambiente
Rotação e Posicionamento
Manipulação de dados
Nomenclatura convencional
Pós-processamento de dados
Exportar para formatos padrões
• Conclusões
2
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3. Introdução
• Conjunto de medições polares são utilizados para
(contexto):
– Uso em Laboratório:
• Concepção ou projeto e validação
• Entrada para softwares de simulação de design
• Documentação técnica
– Uso Público:
• Características técnicas e catálogos
• Publicações técnicas
• Modelos para softwares comerciais de simulação
(EASE, CLF, ...)
3
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4. Modelo de Radiação da Caixa Acústica
•
Uma fonte eletroacústica pode ser modelada como uma única
entrada elétrica em um sistema de múltiplas saídas SPL
IN
OUT
S
com uma dada função de transferência (modelo linear) para
todo ponto ao redor do espaço S. A fim de modelar o sistema, é
necessário medir a resposta neste espaço S.
4
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5. Modelo de Fonte Pontual
•
5
Se a fonte pode ser modelada como uma “fonte pontual”, então,
é possível medir a resposta sobre uma esfera centrada na
posição da fonte.
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6. Como Medir?
• Como medir esfericamente?
– Qual sistema de coordenadas esféricas utilizar?
– Quantos “meridianos” (polares) utilizar?
• Usar medições regulares ou adaptadas?
– Se for regular, qual intervalo utilizar?
– Parece igualmente razoável utilizar uma resolução fina,
onde o conteúdo energético é alto (pode ser vista também
como uma resolução baixa, onde o conteúdo energético é
baixo, ou seja, retorno das emissões)
– Harmônicos esféricos?
6
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7. Sistema de Coordenadas Esféricas
Weisstein, Eric W. "Spherical Coordinates." From MathWorld - A Wolfram Web Resource.
http://mathworld.wolfram.com/SphericalCoordinates.html
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8. Sistema de Coordenadas Esféricas
•
Adotamos este sistema de coordenadas esféricas:
y
φ
r
z
θ
x
É possível imaginar que no ponto da fonte, a direção do seu eixo aponte para o
pólo norte. Desta maneira, os meridianos (polares) estão efetivamente
passando pelos pólos.
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9. AES56
•
•
9
Recentemente, a AES publicou uma norma chamada AES562008 : “Norma AES sobre acústica – modelagem de fontes
sonoras – medições de radiações polares em caixas acústicas”.
A norma adota a coleção dos arquivos de IR (Impulse
Response) (pelo menos 8k pontos) com intervalos de 5 graus
em ambos os eixos.
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10. O Método Mais Simples: H+V
• Simples e RÁPIDO.
y
VERTICAL
HORIZONTAL
x
z
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11. O Método Mais Simples: H+V
• Meça a resposta apenas para duas polares
(Horizontal e Vertical) com o intervalo angular dado.
– O valor mais comum para intervalos do ângulo polar theta é
de 5 graus.
– Para o ângulo phi, o intervalo é de 90 graus.
• Então, os polares restantes são interpolados
matematicamente.
– Como interpolar?
• Interpolação elíptica.
• Suavização do formato esférico.
– Esta interpolação é significativa?
• Apenas em poucos casos.
• Funciona apenas para dados de magnitude AFAIK.
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12. Interpolação?
• Existem poucas equações para calcular a interpolação
apenas a partir de H+V. Por exemplo, o software EASE
utiliza a fórmula abaixo para interpolar os dados de
magnitude (primeiro quadrante):
L(ϕ , θ ) = L(0, θ ) ⋅ cos(ϕ ) 2 + L(90, θ ) ⋅ sen(ϕ ) 2
• O erro relativo à interpolação dos dados é de difícil
previsão.
• A interpolação de dados de fase não é possível.
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15. Interpolação?
Full sphere data 5°
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16. Interpolação?
H+V interpolated
Erro de interpolação, aceitável?
16
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17. Por que H+V é simples?
• O processo de medição envolve um único prato giratório
controlado por um PC.
– O controle pelo PC pode ser bem simples, apenas enviando
os pulsos para o prato giratório.
• A caixa acústica pode ser facilmente colocada no prato
giratório na posição vertical e horizontal e apenas duas
medidas de dispersão polares precisam ser feitas.
• Para uma medição normal em intervalos angulares de 5
graus, apenas 144 pontos são necessários e o processo
pode ser finalizado em menos de 10 minutos.
17
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18. Adicionando Complexidade
•
Se quisermos coletar outras
polares, um único prato giratório
não será suficiente, pois haverá a
necessidade de rotacionar o alto
falante ao redor de outro eixo.
•
Na verdade, isto é exatamente o
que fazemos com H+V colocando
a caixa acústica sobre o prato
giratório em duas posições.
y
azimuth
polar
•
18
O segundo eixo de rotação
pode ser obtido usando-se um
segundo prato giratório ou
rotacionando manualmente o
dispositivo.
x
z
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19. Exemplo de um Setup de Grande Porte
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20. Exemplo de um Setup Menor
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21. Full 3D – Diferentes Abordagens
• Existem outras abordagens diferentes, que precisamos
mencionar, além do nosso dispositivo de dois pratos
giratórios:
– Arco de microfones e aquisição de dados multicanal:
•
•
•
•
muito rápido
complexo
necessita de uma câmara anecóica
intervalos angulares fixos
– Rotação de microfones:
• lento
• pouco adequado para conseguir trabalhar em espaços nãoanecóicos
• oscilações mecânicas do microfone ao longo da armação
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22. Complexo o bastante?
• Com dois eixos de rotação é possível medir a resposta da
caixa acústica em cada ponto ao redor da superfície
esférica.
• Geralmente, medições polares permitem a escolha de
dois diferentes intervalos para os ângulos theta e phi.
– Por exemplo, é possível fazer medições com intervalos de theta
em 5 graus e phi em 30 graus.
– É melhor escolher o mesmo intervalo para ambos os ângulos theta
e phi?
– A norma da AES recomenda intervalos de 5 graus para ambos os
ângulos.
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23. Interpolação, novamente?
•
Neste momento, percebemos que algum grau de interpolação
será necessária em algum ponto do processo de modelagem.
•
Diferentes abordagens são possíveis.
•
Se a resposta da fonte é conhecida para um dado número de
pontos no espaço:
– Do ponto de vista do processo de medição, é necessário decidir qual será o
a amostra angular correta.
– Agora é possível seguir as recomendações e utilizar ângulos de 5 graus e
deixar o problema da interpolação para os usuários de softwares de
simulação.
– Ahnert e Feistel demonstraram que os intervalos angulares estão
relacionados com a acuidade da simulação, e que, atendendo uma
resolução de simulação de erro é delimitada abaixo de uma certa
freqüência (The Significance of Phase Data for the Acoustic
Prediction of Combinations of Sound Sources, AES preprint no.
6632)
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24. Full 3D
• Complexo e LENTO.
y
x
z
No pior dos casos (assimetria), para intervalos de 5 graus, 2664
respostas de impulso devem ser medidas.
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25. Considerações Práticas
• Estamos confiantes no fato de que medições polares em
3D de “alta resolução” serão realizadas utilizando-se
intervalos de 5 graus…
• Existem ainda alguns poucos problemas práticos a serem
levados em conta antes de começarmos as medições:
– Distância entre a fonte e o microfone.
– Espaço Anecóico ou Não Anecóico?
(diretamente relacionado com a distância)
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26. Distância entre a fonte e o microfone
• Sabe-se que a distância deve ser suficientemente grande
para medir a resposta em campo distante. Geralmente, a
distância usada para caixas acústicas em arranjos (Line
Array), varia de 4 a 8 metros.
• Uma distância maior reduz também o erro ligado ao apex
(vértice) devido ao fato de que a fonte foi modelada como
um ponto que rotaciona ao redor de outro que pode não
ser coincidente com o “centro acústico”
(A greater distance reduce also the error related to apex, due to the
fact that we model the source as a point and that we rotate the
source around another point that can be non coincident with the
“acoustical center”)
• Isto implica em medir distâncias de até 6-8 metros.
26
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27. Anecóico ou não?
•
•
O equipamento de medição pode ser muito pesado e necessita
ser bem estável, o que é difícil de se conseguir com o
equipamento suspenso
•
Como solução pode-se usar uma câmara semi anecóica ou
espaços com pouca reverberação (grandes espaços com
reverberações suficientemente pequenas).
•
27
Teoricamente, uma grande câmara anecóica é a solução ideal.
No entanto, torna-se difícil conseguir distâncias superiores a 4
metros em câmaras anecóicas convencionais.
Uma câmara não anecóica ou semi anecóica pode reduzir
drasticamente os custos do processo de medição.
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28. Por favor, não em ambientes abertos!
•
A tentação de realizar medições polares 3D em lugares abertos
é grande, mas ambientes não controlados associados à longa
duração do processo de medição pode conduzir a grandes
erros!
•
Excluindo-se os efeitos do vento e barulho, uma mudança de
temperatura ocasionará uma mudança de fase:
Distância: 6m
Frequência: 10kHz
28
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29. Não Anecóica ou Semi Anecóica
• Existem dois problemas a serem considerados em
relação a um ambiente não anecóico:
– Reflexões (podem ser eliminadas pela supressão de parte
do impulso).
– Reverberações (podem causar erros de tempo entre
diferentes medições)
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30. Controlando a Reflexão
• É possível usar janela de tempo para se livrar das
reflexões da sala.
– A IR (Resposta de Impulso) deve ser livre de reflexões para
pelo menos T=1/f, onde f é a menor freqüência a ser
medida.
– Para obter esta condição, a fonte deve estar suficientemente
longe das regiões de reflexão, ou estas regiões devem ser
tratadas (na faixa de freqüência) para serem absorventes.
• C.Struck, S.Temme, “Simulated Free Field
Measurements”, JAES, Vol. 42, No. 6, 1994 June.
30
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31. Reflexões em uma Sala
ceiling
reflection
receiver wall
reflection
R
S
direct path
lateral
reflection
floor
reflection
dr
H
source wall
reflection
d
W
h
ds
D
Conhecida a frequência mínima a ser
medida, torna-se possível calcular a
dimensões necessárias da sala.
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32. Reflexões em uma Sala
Audiomatica Srl
LogChirp - Impulse Response
9-20-2008 12.59.27 PM
0.20
CLIO
DIRECT SOUND
Pa
REFLECTION
0.12
0.040
-0.040
-0.12
-0.20
0
2.5
4.9
7.4
9.9
12
CH A dBSPL Unsmoothed 48kHz 4K Rectangular Start 0.00ms
15
Stop 8.63ms
17
ms
22
FreqLO 115.94Hz Length 8.62ms
File: hidriver 0 0.mls
32
20
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25
33. Controlando a Reverberação
•
•
Há a necessidade de deixar a energia diminuir suficientemente
antes de fazer outra medição.
•
O tempo do RT60 dever curto, pelo menos para a faixa de
freqüência que está sendo medida.
•
Uma câmara anecóica é a escolha perfeita, mas a chamada
“câmara de baixa reverberação” também pode funcionar muito
bem.
•
33
O tempo de reverberação pode causar distorções de tempo
entre as medições.
Devido aos problemas com peso e tamanho, a melhor opção
parece ser uma câmara semi anecóica com cunhas colocadas
sobre o piso.
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34. Sala de Baixa Reverberação
Tratamento de baixo custo
utilizando cortinas espessas
penduradas nas paredes.
34
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35. Medições Automatizadas
•
Para realizar conjuntos de medições 3D, o processo de
medição deve ser automatizado.
•
Os novos pratos giratórios comercialmente disponíveis podem
ser a escolha prefeita desde que sejam facilmente conectados
e controlados através de um PC.
•
As características principais que o sistema de medição deve
apresentar são:
–
–
–
–
35
Controle do prato giratório
Salvar as informações 3D automaticamente
Ferramenta de análise 3D
Exportar dados em vários formatos
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36. Controle de Pratos Giratórios
•
Aqui, temos um breve exemplo das
características do software de
medição:
– Os pratos giratórios devem ser
preparados de maneira a girar antes
de iniciar o procedimento.
– É necessária a configuração
conveniente das funções Start, Stop
e Resume do processo de medição
automático.
36
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37. Opções para os Pratos Giratórios
•
Este é um exemplo de
configuração da comunicação
entre o software e os eixos
polar (1) e azimute (2) do prato
giratório.
•
•
Prato Giratório – opção 2:
– Outline ET250-3D
– LinearX LT360
– Manual
Prato Giratório – opção 1:
– Outline ET250-3D
– LinearX LT360
– TTL Pulse (legacy mode*)
*Se o PC não possuir uma porta paralela, pode-se usar o CLIO QC BOX modelo 5 para gerar os
pulsos (i.e. como controlar um antigo Outline ET2 sem uma porta paralela).
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38. Salvar as Medições Automaticamente
•
O software permite dois modos de autosave:
– 1D: Basicamente, o método do antigo CLIO pode ser usado como
uma facilidade .
– 3D: Pode realizar ambas as medições polares e esféricas
utilizando dois pratos giratórios.
38
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39. Nomenclatura Utilizada para Autosave
y
r
x
z
<filename> <phi*100> <theta*100> .mls
39
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40. Nomenclatura Utilizada para Autosave
• Intervalos angulares para os ângulos polares e
azimute são independentes:
– Exemplo de polares (somente horizontal e vertical) com
intervalos de 5 graus:
• phi resolution = 90
• theta resolution = 5
– Exemplo de polar com intervalos de 15 e 5 graus:
• phi resolution = 15
• theta resolution = 5 degrees
•
40
O algoritmo Smart Scan reduz o tempo das medições polares
e evita problemas de enrosco dos cabos durante a varredura
do ângulo polar para frente e para trás.
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41. Medições Automatizadas
• Uma vez que os pratos giratórios estejam conectados e
o autosave configurado…
é só pressionar GO e esperar...
• O software encarregar-se-á de controlar os pratos
giratórios, fazendo as medições, salvando e nomeando
os arquivos.
• Também é possível pausar o processo de medição e
terminar posteriormente.
41
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42. Antes de Pressionar GO!
• Para evitar reflexões indesejáveis é necessário configurar
a janela de tempo, que pode ser feito através de uma
medição mls no eixo e configurando cuidadosamente o
ponto de parada (Relativo ao IR).
• Teoricamente, é possível aplicar esta janela depois de
haver coletado as medições, mas isto vai consumir muito
tempo reprocessando um grande número de medições.
• Também é necessário que haja espaço suficiente no
disco em que desejamos salvar as medições...
42
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43. Tamanho do Banco de Dados
•
43
O tamanho do banco de dados depende do tamanho do MLS e
do número de medições a serem realizadas:
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44. Pressione GO! …e Espere...
•
44
O tempo de medição depende de vários fatores. Abaixo, um
exemplo onde foram utilizados dois pratos giratórios Outline:
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45. Ferramentas de Análise
• Uma vez que o longo processo de medição esteja
terminado, há a necessidade de visualizarmos os dados.
• Do ponto de vista de medição, necessitamos apenas de
uma simples ferramenta que verifique se as medições 3D
nos levaram a resultados significativos.
• Análises mais complexas podem ser feitas utilizando-se
ferramentas matemáticas como Matlab ou Scilab.
45
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47. Exportar Dados
•
Existem várias formas de usarmos os conjuntos de dados
medidos; algumas delas implementadas no menu de Análise
3D:
– Export to a single .xhn EASE (only magnitude) *
– Export to a single CLF v2 .tab *
– Export a single responses as time data .txt (to be imported with
EASE SpeakerLab)
•
Também é possível importar os dados para o Matlab ou Scilab,
onde as opções de visualização e processamento são maiores.
* necessária medição normal com intervalos de 5 graus para ambos os
ângulos phi e theta.
47
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48. Utilização dos dados polares 3D
•
48
Visualização e pós-processamento com Matlab ou Scilab para
P&D.
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49. Utilização dos dados polares 3D
•
49
Criação de CLF Loudspeaker Models:
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50. Utilização dos dados polares 3D
•
50
EASE SpeakerLab pode importar dados de tempo do CLIO em
formato .txt.
O CLIO exporta o arquivo no formato habitual com o nome
requisitado pelo SpeakerLab.
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51. Utilização dos dados polares 3D
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52. Utilização dos dados polares 3D
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53. Futuro?
•
•
Parece razoável utilizar uma resolução mais fina (pequenos
intervalos angulares) somente quando necessário, porém
algoritmos para medições não usuais ainda não estão
disponíveis.
•
53
Uma simples medida não permite aumentar a quantidade de
intervalos angulares devido às limitações relativas ao tamanho
do arquivo gerado.
A decomposição em harmônicos mostra-se útil para a
representação polar 3D.
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54. Conclusões
•
•
A configuração deve ser de fácil realização e as medições
podem ser feitas em espaços não anecóicos.
•
54
A automação na medição de respostas polares 3D de caixas
acústicas é um ponto chave.
A partir de um simples conjunto de dados de medições é
possível criar modelos EASE e CLF, documentações técnicas e
gráficos polares.
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