Alma 2009

Medições Esféricas Automatizadas de
Caixas Acústicas
M. Bigi, M. Jacchia, D. Ponteggia - Audiomatica

ALMA 2009 European Symposium
Loudspeaker Design - Science & Art
April 4, 2009

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

Automated Loudspeaker Balloon Measurement
M. Bigi, M.Jacchia, D. Ponteggia - Audiomatica

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


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


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.


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


Sistema de Coordenadas Esféricas

Weisstein, Eric W. "Spherical Coordinates." From MathWorld - A Wolfram Web Resource.
http://mathworld.wolfram.com/SphericalCoordinates.html

7


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.
8


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.


O Método Mais Simples: H+V
• Simples e RÁPIDO.
y

VERTICAL

HORIZONTAL
x
z

10


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.
11


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.

12


Interpolação?

theta

Full sphere data 5°

phi
13


Interpolação?
H+V interpolated

14


Interpolação?
Full sphere data 5°

15


Interpolação?
H+V interpolated

Erro de interpolação, aceitável?
16


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


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


Exemplo de um Setup de Grande Porte

19


Exemplo de um Setup Menor

20


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
21


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.

22


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)

23


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.
24


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)

25


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


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.

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


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)

29


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


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.

31


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


25

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.

Sala de Baixa Reverberação

Tratamento de baixo custo
utilizando cortinas espessas
penduradas nas paredes.

34


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


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


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).

37


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


Nomenclatura Utilizada para Autosave
y

r
x
z

<filename> <phi*100> <theta*100> .mls
39


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.


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


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


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:


Pressione GO! …e Espere...
•

44

O tempo de medição depende de vários fatores. Abaixo, um
exemplo onde foram utilizados dois pratos giratórios Outline:


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


Ferramentas de Análise

46


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


Utilização dos dados polares 3D
•

48

Visualização e pós-processamento com Matlab ou Scilab para
P&D.


•

49

Criação de CLF Loudspeaker Models:


•

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.



51



52


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.


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.


Obrigado!
Para mais informações:
info@audiomatica.com
www.audiomatica.com

suporte@eam.com.br
www.eam.com.br

Alma 2009

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Más de Muniz Rodrigues

Más de Muniz Rodrigues (20)

Alma 2009