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Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones
Especialidad en Imagen y Sonido
DESARROLLO
DE UN SISTEMA DE MEDIDAS ACÚSTICAS BÁSICAS DE BAJO COSTE
Autor: Gabriel Brais Martínez Silvosa
Tutor: Antonio Pena Giménez

DESARROLLO
RESUMEN
Este proyecto está enfocado a desarrollar un sistema de medidas acústicas básicas de bajo coste.
El software empleado es Matlab. El hardware consta de dos sistemas formados por un micrófono
de medición y un preamplificador USB , uno de gama baja y uno de gama media. Dentro del
desarrollo del sistema se incluyen entre otros elementos un Procedimiento de Calibración, un
Procedimiento de Pruebas, un Manual de Usuario y un Manual de Programador. La finalidad de
este proyecto es el desarrollo de una aplicación en Matlab que permita integrar de forma sencilla
los dispositivos que forman el sistema para la realización de medidas acústicas básicas en el
ámbito de la docencia.
PALABRAS CLAVE
Las palabras clave de este Proyecto de Fin de Carrera son:
sistema, medidas, calibración, acústica, Matlab

AGRADECIMIENTOS
Quiero dar las gracias a mis padres por haberme apoyado siempre en cada una de mis
aventuras y decisiones de mi vida, por confiar en mi capacidad de superación. A mi madre en
especial por haberme inculcado desde pequeño la admiración por el conocimiento en general y la
ciencia en particular y conseguir que mantenga esa curiosidad por el mundo que tiene un niño.
A mi hermana por sacarme las palabras que de otra forma se quedarían en pensamientos y por
ser mi hermana mayor. A Josefina por haberme regalado todo su cariño. A mi abuela por haberme
acogido en su casa para estudiar la carrera y no dejar de preocuparse por mí. A mis tías de Lugo,
porque las comidas familiares sin ellas no serían lo mismo.
A mis amigos que continúan siéndolo desde que éramos niños por crecer juntos y crear
tantos recuerdos inolvidables. A Desidia por haber coincidido todos en el lugar y momento
adecuados para compartir tanta emoción contenida a través de la música y crear cientos de
momentos mágicos, y por haber conocido unas personas auténticas. A mi mejor amigo francés
Arno porque la distancia nos acerca y cuando nos vemos no ha pasado el tiempo. A toda la gente
con la que he compartido desde las colas a las 7 de la mañana para estudiar en exámenes hasta
las fiestas que hemos celebrado por terminarlos, incluyendo viajes de Paso de Ecuador, San
Telecos, San Pepes...
A Tamara por haberla conocido, mi mejor amiga. Por enseñarme a luchar contra las
adversidades día a día y superarlas. Por ser sincera, por ayudarme cuando dudo y por estar ahí
tanto en los buenos como en los malos momentos. Por ser mi compañera de planes y nuevos
proyectos.
A Toni Pena por haber tenido mucha paciencia conmigo dirigiendo este Proyecto de Fin de
Carrera. Y a David Santos por la gran ayuda aportada en el laboratorio para el desarrollo de este
proyecto.

ÍNDICE GENERAL
1. INTRODUCCIÓN 9
1.1 Motivación 9
1.2 Objetivos 10
2. ESTADO DEL ARTE 11
2.1 Sonómetro 11
2.2 Normas y medidas básicas 14
2.3 Calibración 17
2.4 Matlab 18
2.5 Interfaces de Audio 19
2.6 Conclusiones 21
3. SISTEMA DE MEDIDAS ACÚSTICAS 23
3.1 Estructura 23
3.2 Sistema de adquisición 26
3.2.1 Micrófonos 27
3.2.2 Interfaces de Audio USB 29
3.3 Software 30
3.3.1 Estructura del programa 30
3.3.2 Funcionamiento del programa 34
3.4 Conclusiones 38
4. PRUEBAS Y CALIBRACIÓN 39
4.1 Introducción 39
4.1.1 Dispositivos usados 39
4.1.2 Condiciones de medida 39
4.2 Procedimiento de calibración 42
4.2.1 Rango dinámico 42
4.2.2 Presión sonora 42
4.2.3 Respuesta en frecuencia 42
4.3 Procedimiento de pruebas 43
4.3.1 Señales empleadas 43
4.3.2 Medidas 43
4.4 Análisis de resultados 44
4.4.1 Medidas desfavorables 44
4.5 Conclusiones 52
5. CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS 55
5.1 Conclusiones finales 55
5.2 Lineas futuras 57
6. BIBLIOGRAFÍA 59

APÉNDICE A: MANUAL DE PROGRAMADOR 61
1. Estructura general del programa 61
2. Funciones utilizadas 63
APÉNDICE B: MANUAL DE USUARIO 83
1. Software y Hardware empleado 83
2. Configuración del sistema de medidas 83
3. Iniciación y configuración del programa 90
4. Modos de funcionamiento 93
4.1 Record Mode 94
4.2 Real Time Mode 96
5. Medidas implementadas 98
6. Especificaciones técnicas 98
6.1 Sistema de medidas acústicas de bajo coste 99
6.2 Sistema de medidas acústicas de muy bajo coste 100
6.3 Tablas comparativas de especificaciones técnicas 102
APÉNDICE C: PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 103
1. Introducción 103
2. Cálculo del rango dinámico 104
3. Calibración del nivel de presión sonora 106
4.Calibración de la respuesta en frecuencia 107
APÉNDICE D: PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS 109
1. Introducción 109
2. Señales de prueba 110
3. Medidas 110
3.1 Ruido blanco 110
3.2 Ruido fluctuante 111
3.3 Ruido impulsivo 112
3.4 Tono 113
APÉNDICE E: GRÁFICAS DE RESULTADOS DE LAS MEDIDAS 115
APÉNDICE F: HOJAS DE ESPECIFICACIONES 127

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
DESARROLLO
1.1 Motivación
Este proyecto está enfocado a desarrollar un sistema de medidas acústicas básicas de bajo coste.
El software empleado es Matlab. El hardware consta de dos sistemas formados por un micrófono
de medición y un preamplificador USB , uno de gama baja y uno de gama media. Dentro del
desarrollo del sistema se incluyen entre otros elementos un Procedimiento de Calibración, un
Procedimiento de Pruebas, un Manual de Usuario y un Manual de Programador. La finalidad de
este proyecto es el desarrollo de una aplicación en Matlab que permita integrar de forma sencilla
los dispositivos que forman el sistema para la realización de medidas acústicas básicas en el
ámbito de la docencia.
9

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.2 Objetivos
1.2.1 Consultar bibliografía :
- Aprender a interpretar y aplicar normas técnicas.
- Conocer el funcionamiento interno de un sonómetro.
- Conocer el proceso de calibración de un micrófono.
1.2.2 Diseñar un sistema de medidas sencillo para uso docente, que incluya:
- Procedimiento básico de calibración del micrófono.
- Cálculo del nivel de presión sonora (SPL) y del nivel continuo equivalente (Leq)
con ponderación frecuencial A y C y ponderación temporal Fast y Slow.
- Análisis en frecuencia a través de la FFT de la señal y de filtros de octava , tercios
de octava y doceavos de octava.
- Conexión eficaz y estable entre los distintos dispositivos y software ( micrófono,
preamplificador USB, pc y Matlab ).
1.2.3 Aplicar los conceptos de acústica y procesado de sonido en Matlab:
- Desarrollo de una aplicación que realice los procesos básicos de adquisición,
procesado y muestra de datos y que sea fácilmente ampliable.
- Estudiar las posibilidades de Matlab como herramienta para aplicaciones de
acústica en tiempo real.
10

CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
2. ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se explican las herramientas y los recursos empleados para el diseño del sistema
de medidas acústicas . En primer lugar , se hace una descripción detallada del sonómetro y los
principales procesos que forman este dispositivo. En segundo lugar, se enumeran las principales
especificaciones de las normas adoptadas en el diseño del sistema de medidas y se definen los
términos más relevantes de estas normas. En tercer lugar, se describe brevemente en qué
consiste la calibración y los tipos de calibración. En cuarto lugar, se explican las características del
software Matlab. Y en quinto lugar, se aborda el funcionamiento de las interfaces de audio y los
tipos de conectividad.
2.1 El sonómetro
El sonómetro es un instrumento para medir presión sonora, cuyos componentes son un micrófono,
un procesador de señal, un dispositivo de presentación de resultados y una memoria para
almacenar los resultados de la medición . Se ha empleado el libro Ingeniería Acústica (referencia
[1]) como apoyo a las descripciones realizadas sobre el sonómetro.
Existen varios tipos de sonómetros :
- Convencional : Mide niveles de presión sonora con ponderación temporal exponencial.
- Integrador-Promediador : Mide niveles de presión sonora promediados en el tiempo.
- Integrador : Mide niveles de exposición sonora.
Figura 2.1 Diagrama de bloques de un sonómetro genérico
11

- Micrófono:
El micrófono es el elemento transductor, encargado de transformar las variaciones de energía
acústica en señal eléctrica. Un micrófono de medida debe presentar una respuesta en frecuencia
plana, es decir, debe presentar la misma sensibilidad (relación de transformación de presión
acústica en tensión eléctrica) en todo el rango de frecuencias (20 a 20.000 Hz).
Los micrófonos de medida suelen ser de tipo condensador, que combinan una excelente
respuesta en frecuencia con una gran estabilidad y fiabilidad. En general, requieren alimentación,
que en muchos casos suministra el propio equipo de medida.
- Preamplificador:
Los micrófonos de condensador presentan una impedancia de salida demasiado elevada, por lo
que se necesita un preamplificador cuya principal misión es adaptar la impedancia del micro a la
impedancia habitual de entrada de un equipo de audio.
- Banco de filtros:
Se encarga de realizar un análisis en frecuencia de la señal acústica por bandas de fracción de
octava . Para la mayoría de las aplicaciones una resolución de octava y ⅓ de octava es suficiente.
- Ponderación frecuencial:
La señal acústica pasa a través de un filtro cuya respuesta en frecuencia varía de forma inversa
a la sensibilidad del oído humano. De esta forma, se busca que el nivel de presión
sonora de los resultados del sonómetro refleje en cierta manera el
nivel subjetivo percibido.
Las ponderaciones que vienen especificadas en la normativa sobre sonómetros son:
- Ponderación A: Es la más utilizada, ya que es la que mejor refleja la respuesta del oído
humano para niveles medios de presión sonora. Se utiliza para la medición de ruido
ambiental, de ruido industrial, ruidos de fondo...
- Ponderación C: Se utiliza para la medición de sonidos de niveles altos de presión sonora
(aeropuertos).
12

Figura 2.2 Respuesta en frecuencia (dB) de los filtros de ponderación A y C
- RMS (Promediado temporal) :
Una vez que tenemos los valores de presión ponderados frecuencialmente, se procede a un
promediado temporal de tipo rms o a una ponderación de tipo exponencial. Las constantes de
tiempo determinan la velocidad de respuesta del sonómetro frente a las variaciones de presión
sonora.
En ambos casos, las constantes de tiempo están estandarizadas a los siguientes
valores:
- Fast. Respuesta rápida. Se utiliza para las medidas de ruido fluctuante. La
constante de tiempo para este tipo de respuesta es de 125 ms.
- Slow. Respuesta lenta. Se utiliza para medir ruidos que no fluctúan rápidamente.
La constante de tiempo es de 1 s.
- Impulse. Respuesta Impulsiva. Se utiliza únicamente para medir ruidos
impulsivos, con una constante de tiempo de 35 ms.
- DISPLAY:
Los parámetros calculados se muestran en una pantalla.
13

2.2 Normas y medidas básicas
La norma técnica es un documento que contiene definiciones, requisitos, especificaciones de
calidad, terminología, métodos de ensayo o información de rotulado. La elaboración de una norma
técnica está basada en resultados de la experiencia, la ciencia y del desarrollo tecnológico, de tal
manera que se puedan estandarizar procesos, servicios y productos.
En el diseño del sistema de medidas acústicas se ha usado como guía principal la Norma UNE-
EN 61672-1 Sonómetros (referencia [2]) y como guía secundaria la Norma UNE-EN 61260 Filtro
de bandas de octava y de bandas de una fracción de octava (referencia [3]).
El sistema de medidas acústicas diseñado abarca las aplicaciones de un sonómetro
convencional que mide niveles de sonido con ponderación temporal exponencial y de un
sonómetro integrador - promediador que mide niveles de sonido promediados en el tiempo.
Las principales especificaciones de las Normas UNE-EN 61672-1 y UNE-EN 61260 que se han
seguido son :
– Implementación de ponderación frecuencial A y C.
– Implementación de ponderación temporal Fast y Slow.
– Análisis en frecuencia en tercios de octava de 63 Hz a 16 Khz.
– Análisis en frecuencia en tercios de octava de 63 Hz a 1 Khz y de doceavos de octava
de 1 Khz a 16 Khz
– Cálculo de las frecuencias centrales exactas en base diez para los filtros de bandas de
octava, bandas de un tercio de octava y bandas de un doceavo de octava en el margen
audible.
– Corrección de las desviaciones de la respuesta en frecuencia del sistema en tercios de
octava.
– Realización de un procedimiento de calibración del nivel de presión sonora de
referencia.
– Realización de un manual de instrucciones compuesto por un manual de usuario y un
manual de programador.
Definiciones empleadas:
Presión acústica de referencia: Magnitud de referencia elegida convencionalmente igual a
20 Pa para sonido aéreo.
Nivel de presión acústica: Veinte veces el logaritmo decimal del cociente entre el valor
cuadrático medio de una presión acústica dada y la presión acústica de referencia.
Ponderación frecuencial: Para un sonómetro, la diferencia en decibelios entre el nivel de la
señal indicada en el dispositivo de presentación de resultados y el nivel correspondiente de una
señal de entrada sinusoidal continua de amplitud constante.
Ponderación temporal: Función exponencial temporal, con una constante de tiempo especificada
, que pondera el cuadrado de la presión acústica instantánea.
14

Nivel sonoro ponderado temporalmente: Veinte veces el logaritmo decimal del cociente entre
una presión acústica cuadrática media y la presión acústica de referencia, siendo obtenida la
presión acústica cuadrática media con una ponderación frecuencial normalizada y una
ponderación temporal normalizada.
(1)
Figura 2.3 Nivel sonoro ponderado temporalmente
15

Nivel de sonido promediado en el tiempo: Veinte veces el logaritmo decimal del cociente entre
una presión cuadrática media durante un intervalo de tiempo establecido y la presión acústica de
referencia, siendo obtenida la presión acústica con una ponderación frecuencial normalizada.
(2)
Figura 2.4 Nivel de sonido promediado en el tiempo
16

2.3 Calibración
La calibración es el proceso de comparar las indicaciones de un instrumento contra un patrón de
referencia y ajustar el instrumento conforme a ese patrón de referencia.
El motivo de la calibración es permitir que cualquier instrumento de medida calibrado obtenga
medidas fiables y controladas y referenciadas a un mismo patrón de medida .
Para la aplicación del sonómetro tenemos que considerar dos tipos de calibración. La calibración
del nivel de presión sonora y la calibración de la respuesta en frecuencia.
Calibración de la respuesta en frecuencia:
Esta calibración consiste en conseguir una respuesta en frecuencia del sonómetro lo más plana
posible en el rango de frecuencias de funcionamiento de este. Todos los sistemas de procesado
de señales tienen variaciones en su respuesta en frecuencia que hacen que no procesen de la
misma forma todas las frecuencias de una señal. Estas variaciones alteran las medidas acústicas
en un sonómetro . Para corregir las variaciones en la respuesta en frecuencia se filtra la señal de
entrada del sonómetro con un filtro cuya respuesta en frecuencia sea la curva inversa de la
respuesta en frecuencia del sonómetro. De esta manera las dos curvas se anulan y el resultado es
una respuesta en frecuencia plana. Esta calibración ha de hacerse sólo una vez y antes de la
calibración del nivel de presión sonora.
Calibración del nivel de presión sonora:
Esta calibración consiste en establecer una relación correcta entre la presión sonora que incide
sobre el micrófono y el voltaje que proporciona. Esta relación es el parámetro de sensibilidad en
un micrófono (V/Pa). Si no se establece esta relación de forma correcta , el sonómetro realizará
medidas de presión sonora que no se corresponden con la realidad. Para calibrar el sonómetro, es
decir, que los valores que observamos en la pantalla de resultados se correspondan con niveles
de presión sonora, se emplea un pistófono. Este calibrador proporciona 1 Pa al sonómetro por lo
cual, el resultado que tiene que mostrarse en la pantalla es de 94 dB de nivel de presiónsonora. El
sonómetro dispone de un dispositivo para ajustar ese valor durante el proceso de calibración. Al
comenzar y finalizar una medición siempre hay que calibrar el sonómetro para que los resultados
se consideren correctos. En el proceso de calibración, el micrófono del sonómetro se introduce en
el pistófono tal como se muestra en la Figura 5.
Figura 2.5 Pistófono
17

2.4 Matlab
MATLAB es un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo numérico, la
visualización y la programación. Mediante MATLAB, es posible analizar datos, desarrollar
algoritmos y crear modelos o aplicaciones. El lenguaje, las herramientas y las funciones
matemáticas incorporadas permiten explorar diversos enfoques y llegar a una solución antes que
con hojas de cálculo o lenguajes de programación tradicionales, como pueden ser C/C++ o Java.
Data Acquisition Toolbox:
Proporciona funciones para la conexión de MATLAB con el hardware de adquisición de datos.
Con esta Toolbox se puede configurar el hardware de adquisición de datos y leerlos en MATLAB
para su análisis inmediato. Puede analizar los datos en tiempo real o guardarlos para realizar un
postprocesado. Esta Toolbox no está incluída en la versión estándar de Matlab. Es necesario
instalarla por separado.
Signal Processing Toolbox:
Proporciona algoritmos estándar para el procesamiento de señales analógicas y digitales (DSP).
Esta Toolbox permite visualizar señales en los dominios de tiempo y frecuencia, calcular la FFT
para el análisis espectral, diseñar filtros IIR y FIR e implementar la convolución, la modulación, el
remuestreo y otras técnicas de procesamiento de señales. Esta Toolbox está incluída en la versión
estudiante de Matlab.
Tipos de datos y funciones:
Para el desarrollo del programa se ha empleado una organización de los resultados calculados en
forma de estructura jerárquica que permite acceder y controlar los datos de una forma más
sencilla . Esta estructura está formada por varios campos y subcampos a su vez.
Para el desarrollo de la adquisición de datos en tiempo real se han empleado funciones de tipo
Callback . Estas funciones se ejecutan cuando se cumple la condición de un temporizador , la
pulsación de un botón o un número de muestras adquiridas entre otros ejemplos.
18

2.5 Intefaces de audio
Preamplificador:
El preamplificador se utiliza para adaptar señales muy débiles (nivel de micrófono, de -70 a -50
dBu) a dispositivos que necesitan un nivel de señal de entrada mucho mayor (nivel de línea, de
-20 a 4 dBu).
Las características más recomendables son un nivel de ruido muy bajo y una distorsión pequeña.
El nivel de ruido del preamplificador es determinante ya que fija el rango dinámico del sistema.
Conversor A/D:
Un conversor analógico-digital (CAD) es un dispositivo electrónico capaz de convertir una entrada
analógica de voltaje en un valor binario.
En la conversión analógica-digital participan los siguientes procesos:
1. Muestreo: el muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la
amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de
muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.
2. Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de
las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único
nivel de salida. Como resultado, añade una señal indeseada a la señal de entrada: el ruido
de cuantificación.
3. Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la
cuantificación al código binario.
Figura 2.6 Proceso de conversión A/D
19

Conectividad:
Según el tipo de conexión que realizan con el PC, actualmente se pueden clasificar en:
- ExpressCard : Es un estándar de hardware que reemplaza a las tarjetas PCMCIA. Las
tarjetas pueden conectarse al ordenador encendido sin necesidad de reiniciarlo
(soportan Hot swap o conexión en caliente). ExpressCard tiene un rendimiento de
procesamiento máximo de 2.5 Gbit/s sobre PCI-Express ó 480 Mbit/s sobre USB 2.0
dedicado para cada ranura.
- Firewire: Es un estándar de interfaz de conexión para diversas plataformas, destinado
a la entrada y salida de datos en serie a gran velocidad. Soporta Hot swap. En la
actualidad, su escasa popularidad entre los fabricantes, ha causado que los dispositivos
periféricos e impresoras, entre otros, sean provistos de puertos USB. Permiten un
ancho de banda de hasta 3.2 Gbit/s .
- USB: Es un estándar industrial que define los cables, conectores y protocolos usados
en un bus para conectar, comunicar y proveer de alimentación eléctrica entre
ordenadores y periféricos y dispositivos electrónicos. Su campo de aplicación se
extiende en la actualidad a cualquier dispositivo electrónico o con componentes.
Soporta Hot swap. Permite un ancho de banda de hasta 4.8 Gbit/s con la versión 3.0 .
La elección de un interfaz de audio USB es debido a que es un tipo de conexión que está
implementada en cualquier PC de sobremesa o portátil y porque la universalidad de esta conexión
ha permitido el desarrollo de una gran variedad de interfaces de audio que son de bajo coste.
20

2.6 Conclusiones
El sistema de medidas acústicas diseñado abarca las aplicaciones de un sonómetro convencional
que mide niveles de sonido con ponderación temporal exponencial y de un sonómetro integrador -
promediador que mide niveles de sonido promediados en el tiempo.
medidas fiables, controladas y referenciadas a un mismo patrón de medida .
Mediante MATLAB, es posible analizar datos, desarrollar algoritmos y crear aplicaciones.
El lenguaje de alto nivel y las funciones matemáticas incorporadas (Toolbox) permiten llegar a una
solución antes que con hojas de cálculo o lenguajes de programación tradicionales, como pueden
ser C/C++ o Java.
La elección de un interfaz de audio USB es debido a que es un tipo de conexión que está
21

CAPÍTULO 3. SISTEMA DE MEDIDAS ACÚSTICAS
3. SISTEMA DE MEDIDAS ACÚSTICAS
Este capítulo explica las distintas partes que forman el sistema de medidas acústicas. Estructura ,
sistema de adquisición y software. Estructura, describe cómo están relacionados y organizados
los procesos que forman el sistema. Sistema de adquisición, muestra y compara las
especificaciones de las distintas versiones de los micrófonos y preamplificadores empleados.
Software, describe la estructura de los procesos del sistema y de las funciones dentro del
programa y su funcionamiento.
3.1 Estructura
Figura 3.1 Diagrama de bloques del sistema de medidas acústicas
23

- Micrófono:
Dispositivo encargado de convertir la presión sonora en una señal eléctrica.
- Preamplificador:
Permite amplificar la señal eléctrica para mejorar la relación señal a ruido (SNR) y aumentar el
rango dinámico del sistema de medidas.
- Conversor A/D:
La señal eléctrica necesita ser convertida en una señal digital para poder transmitirla al PC y
aplicarle los procesados de señal a través de software.
- Calibración:
Se aplican dos tipos de calibración:
- Calibración de la respuesta en frecuencia:
La señal al entrar en el sistema de medidas se modifica porque la respuesta en frecuencia
de un sistema real no es plano sino que presenta un comportamiento ligeramente distinto
según la frecuencia en la que trabaje. La respuesta en frecuencia del sistema de medidas
se corrige por tercios de octava de resolución empleando un vector que contiene la
corrección en decibelios que hay que aplicar a cada tercio de octava de la señal . Este
método es singular de este proyecto y sólo permite calibrar en frecuencia los parámetros
del análisis en frecuencia (FFT, filtros de bandas de octavas) y no los parámetros
temporales (SPL, Leq). El motivo de emplear este método es la sencillez de
implementación. El procedimiento está explicado en el Apéndice C: Procedimiento de
Calibración (referencia [4]). El método ideal para la correcta calibración de la respuesta en
frecuencia sería el diseño de un filtro cuya respuesta en frecuencia fuese la inversa de la
respuesta en frecuencia del sistema a calibrar. De esta forma , al aplicar este filtro sobre el
sistema , las dos respuestas en frecuencia se anularían obteniendo una respuesta en
frecuencia plana.
- Calibración del nivel de presión sonora:
Para que la relación entre presión sonora y voltaje de la señal eléctrica sea correcta hay
que realizar un proceso de calibración del nivel de presión sonora. Para ello, se graba una
señal de referencia de un tono de 1 KHz @ 94 dB SPL que corresponde a 1 Pa en
unidades naturales. Esta señal de referencia se carga al iniciar el programa y corrige la
relación entre presión sonora y voltaje. El procedimiento está explicado en el Apéndice C:
Procedimiento de Calibración (referencia [4]).
- Valor RMS:
Corresponde a la potencia efectiva de la señal y es equivalente a la tensión continua que disipa la
misma potencia sobre una resistencia de carga . En una senoidal el valor rms es igual a 0,707 del
valor de pico. Tanto para trabajar en términos de presión sonora como de voltaje es necesario
convertir la señal al valor rms (raíz cuadrada del valor cuadrático medio) porque tanto la presión
sonora instantánea como el nivel de pico en magnitudes eléctricas no se corresponde con el valor
real de la magnitud.
24

Figura 3.2 Valor rms
- Ponderación frecuencial:
La ponderación frecuencial se aplica para cada parámetro de medida que se va a calcular
posteriormente de forma que la ponderación de cada parámetro sea independiente. De esta forma
se puede calcular en la misma medida la FFT con ponderación A y el SPL con ponderación C por
ejemplo.
- Análisis en frecuencia:
Se calcula la FFT de la señal y se realiza un filtrado de la señal por bandas de octava , tercios de
octava o doceavos de octava. En el filtrado de la señal por bandas, por cada banda de octava,
tercio o doceavo se calcula su Leq correspondiente.
- Leq:
Calcula el nivel continuo equivalente.
- Ponderación temporal:
Según la constante de tiempo que se use en el filtro (Fast/Slow) la velocidad de respuesta del
sistema de medidas a las variaciones de presión sonora será mayor o menor.
- SPL:
Calcula el nivel de presión sonora.
- DISPLAY:
Los parámetros calculados se muestran en una ventana formada por un conjunto de gráficas y
valores numéricos.
25

3.2 Sistema de adquisición
Dentro del sistema de medidas acústicas, el sistema de adquisición está formado por el micrófono
y la Interfaz de Audio USB. Estos dos dispositivos son los únicos elementos del sistema de
medidas acústicas que no forman parte del software del programa.
Para mayor versatilidad el sistema de adquisición cuenta con dos versiones, una versión de bajo
coste compuesta por un micrófono de medición y un preamplificador-conversor A/D de gama
media, y una versión de muy bajo coste compuesta por un micrófono de medición y un
preamplificador de gama baja.
Existen diferencias de comportamiento entre los dos dispositivos USB.
El preamplificador Art posee dos ganancias independientes, una es la propia del preamplificador
(potenciómetro) que regula la relación señal a ruido (SNR), la otra es la ganancia del conversor
A/D de la tarjeta de sonido del PC que gestiona Windows. Esta ganancia regula el rango dinámico
del dispositivo y es necesario ajustarla para calibrarlo correctamente.
En el preamplificador-conversor A/D CEntrance la ganancia del rango dinámico queda ajustada si
establecemos la ganancia máxima de Windows (100). De esta forma sólo hay que ajustar la
ganancia del preamplificador (potenciómetro) para calibrarlo correctamente.
El funcionamiento del sistema está explicado de forma detallada en el Apéndice B: Manual de
Usuario (referencia [5]).
26

3.2.1 Micrófonos
Figura 3.3 Behringer ECM8000 Figura 3.4 NTi Audio M4260
(Versión de muy bajo coste) (Versión bajo coste)
- Características:
Behringer ECM8000 NTi Audio M4260
Type electret condenser, omni-
directional
Omnidirectional, pre
polarized condenser, free
field microphone
Sensitivity -60 dBV/Pa -31.7 dBV/Pa
Bandwidth 15 Hz - 20 kHz 5 Hz - 20 kHz
Price 55,00 € 500,00 €
27

Figura 3.5 NTi Audio M4260
Figura 3.6 Behringer ECM8000
28

3.2.2 Interfaces de Audio USB
Figura 3.7 ART USB Dual Pre Figura 3.8 CEntrance MicPort Pro
(Versión de muy bajo coste) (Versión de bajo coste)
- Características:
Art USB Dual Pre CEntrance MicPort Pro
Frequency Response 20 Hz – 20 kHz (+/- 1 dB) 20 Hz – 20 kHz (+/- 1.5 dB)
Signal to Noise Ratio 90 dB 103.5 dB
Sample Rate No A/D Converter 24 Bit , 44.1 / 48 / 96 kHz
Audio Input - Female XLR
- 1/4-inch TRS balanced or
unbalanced
Female XLR
Audio Output - 1/4-inch TRS balanced
- Stereo 1/8-inch TRS
headphone mini jack
Stereo 1/8-inch TRS
headphone mini jack
Input Impedance - 300k Ohms 1/4-inch input
- 4k Ohms XLR input
5k Ohms XLR input
29

Maximum Input Level +6 dBu Full Scale values:
-9.5 dBV (min. gain) to
-45.5 dBV (max. gain)
THD 0.01% @1kHz 0.01% @1kHz
Phantom Power Switchable 48 Volts DC Switchable 48 Volts DC
Price 85,00 € 135,00 €
Las hojas de especificaciones completas se encuentran en el Apéndice F: Hojas de
especificaciones (referencia [6]) solamente disponibles en versión digital.
3.3 Software
3.3.1 Estructura del programa
El objetivo inicial en el diseño del programa era hacer un único modo de funcionamiento en tiempo
real que permitiese visualizar los datos procesados en tiempo real e ir volcando la información a
un archivo wav a medida que transcurría la adquisición de audio hasta que se pulsase el botón de
Stop del display que detuviese la adquisición y cerrase el archivo wav. Debido a la dificultad de
realizar el volcado de datos al archivo wav y gestionar eficientemente la memoria del PC se
descartó este diseño y se optó por proporcionar dos modos de funcionamiento. Uno para grabar la
señal en un archivo de audio y llevar a cabo todas las medidas y procesados implementados
(Record Mode) a costa de ser más lento. Y otro para visualizar sin grabar en tiempo real las
medidas calculadas excepto el filtrado por bandas de octava que es muy costoso
computacionalmente (Real Time Mode).
La estructura del programa está descrita con detalle en el Apéndice A: Manual de Programador
(referencia [7]).
30

Figura 3.9 Diagrama de bloques del software
31

- sound_acquisition:
El programa principal se encarga de ejecutar los procesos de configuración de programa
(Configuration_file) , calibración del micrófono (mic_calibration), grabación (Record), filtrado de
señal (filter_bank) y tiempo real (RealtimeSPL) . Tambien almacena los datos referentes a la
calibración y a la señal adquirida .
- Configuration_file:
Inicializa las variables de funcionamiento del programa dentro de unos valores predefinidos donde
el usuario selecciona entre las opciones disponibles.
- mic_calibration (opcional):
Calibra el sistema de medidas a partir de una señal que graba el usuario.
RECORD MODE:
- Record:
Captura audio a través del sistema de medidas y lo guarda en un archivo .wav.
- filter_bank:
Procesado de la señal y cálculo de las medidas acústicas.
- Windowing:
Realiza el enventanado de la señal y aplica la FFT a cada segmento.
- SPL:
Calcula el SPL de la señal adquirida.
- Leq:
Calcula el Leq de la señal adquirida.
- filter_bank_plot:
Dibuja los resultados del análisis de la señal adquirida.
32

REAL TIME MODE:
- realtimeSPL:
Ejecuta Real Time Mode.
- initSC:
Inicializa la adquisición de audio.
- estL:
Realiza el análisis de la señal en frecuencia y en tiempo.
- initDP:
Inicializa el display donde se muestran los resultados del análisis de la señal en tiempo y
frecuencia.
- upD:
Actualiza la adquisición de audio y los valores de SPL, Leq y FFT de la señal.
- FRcal:
Realiza la calibración por tercios de octava de la FFT de la señal adquirida.
- upPlotD:
Actualiza los valores de FFT y forma de onda de la señal.
- stopSC:
Comprueba si se ha pulsado el botón Stop/Restart para detener o reanudar la adquisición de
audio.
33

3.3.2 Funcionamiento del programa
El programa principal es sound_acquisition. Antes de ejecutarlo, hay que configurar los
parámetros de medida mediante el fichero Configuration_file (Fig. 3.10).
Figura 3.10
34

Una vez terminado el proceso de configuración se ejecuta sound_acquisition . Para ello
seleccionamos la pestaña de la función y pulsamos el símbolo de play situado en la parte superior
(Fig. 3.11).
Figura 3.11
35

Record Mode:
Si hemos escogido Record Mode el programa se mantendrá ocupado (busy) mientras realiza la
adquisición de audio el tiempo que hemos seleccionado más el tiempo que le lleve el procesado
de la señal.
Al terminar la adquisición mostrará una ventana emergente con los resultados calculados que
hemos seleccionado (Fig. 3.12).
Figura 3.12
36

Real Time Mode:
Si en Configuration_file seleccionamos Real Time Mode cuando ejecutamos el programa principal
nos aparece una ventana emergente con los resultados de la adquisición en tiempo real. En la
esquina inferior izquierda hay un botón de Stop que permite detener la adquisición y congelar los
resultados (Fig. 3.13) .
Figura 3.13
37

3.4 Conclusiones
En cada dispositivo USB existen dos ganancias independientes para ajustar el rango dinámico, la
del preamplificador y la del conversor A/D. En el dispositivo Centrance están integradas porque es
preamplificador y conversor A/D. Esto permite que solamente haya que ajustar la ganancia del
preamplificador al nivel máximo deseado dentro del rango permitido por el rango dinámico de los
dispositivos que forman el sistema (micrófono y preamplificador). Pero en el dispositivo Art no
están integradas porque sólo es preamplificador. Esto quiere decir que la ganancia del conversor
A/D hay que ajustarla y hay que hacerlo a través del panel de configuración de la tarjeta de sonido
de Windows que es quien realiza la conversión A/D en este caso.
En cuanto al diseño del software, debido a la dificultad de realizar el volcado de datos al archivo
wav y gestionar eficientemente la memoria del PC, se optó por proporcionar dos modos de
funcionamiento; uno para grabar la señal en un archivo de audio y llevar a cabo todas las medidas
y procesados implementados (Record Mode) a costa de ser más lento, y otro para visualizar en
tiempo real las medidas calculadas excepto el filtrado por bandas de octava que es muy costoso
computacionalmente (Real Time Mode).
38

CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y CALIBRACIÓN
4. PRUEBAS Y CALIBRACIÓN
4.1 Introducción
En este capítulo se explican las condiciones y los dispositivos empleados en las medidas así
como las señales de prueba usadas. También se hace referencia al procedimiento seguido en las
pruebas y en la calibración y se lleva a cabo un análisis de los resultados , centrándose en las
medidas erróneas y explicando el motivo de estas. Por último, se extraen las conclusiones más
relevantes sobre las limitaciones y la precisión del sistema de medidas.
4.1.1 Dispositivos usados
– Sistema calibrado :
– Micrófono NTI Audio M4260
– Sonómetro NTI Audio XL2
– Sistema de reproducción :
– Generador de señales NTI Audio Minirator MR-PRO
– Altavoz Dynaudio Acoustics BM6A 2 Vias
– Sistema a calibrar 1:
– Preamplificador USB Centrance MicPort Pro
– Software desarrollado (Matlab)
– Micrófono Behringer ECM8000
– Preamplificador USB ART USB Dual Pre
4.1.2 Condiciones de medida
Las medidas se llevaron a cabo en la sala semianecoica. Esta sala está diseñada
para realizar medidas acústicas en condiciones controladas de ruido, vibraciones,
temperatura y humedad.
Temperatura : 20,6 ºC
Humedad : 68 %
39

Planta Perfil
Imágenes:
Figura 4.1 Perfil
40

Figura 4.2 Posición de micrófonos
Figura 4.3 Alineación de micrófonos - altavoz
41

4.2 Procedimiento de calibración
Antes de llevar a cabo las medidas con las señales de prueba se realizó la calibración del sistema
a calibrar. Para ello se siguió el método explicado en el Apéndice C: Procedimiento de Calibración
(referencia [4]). Este procedimiento está dividido en tres partes.
4.2.1 Rango dinámico
Para aprovechar al máximo el rango dinámico del preamplificador USB es
necesario adaptarlo al rango dinámico que va a tener el sistema a calibrar.
Tenemos pues que definir un nivel máximo para el sistema a calibrar. El
nivel máximo se determinará a un valor que se encuentre dentro del
rango dinámico del preamplificador y del micrófono empleado. Este
valor se determinará ajustando las ganancias del preamplificador y del
conversor A/D. El nivel mínimo estará determinado por el nivel de
ruido del sistema a calibrar, principalmente ruido del ventilador del PC.
Una vez ajustadas las ganancias del preamplificador y conversor A/D ya
no se puede mover ya que sino el sistema quedaría descalibrado y las
medidas sería erróneas.
4.2.2 Presión sonora
Una vez ajustadas la ganancias del preamplificador y del conversor A/D y
definido el rango dinámico de sistema, es necesario tener una presión
sonora de referencia. Grabamos con el sistema a calibrar un tono de 94
dB SPL @ 1 Khz comprobado por el sonómetro y después cargamos el
archivo wav grabado en el programa.
4.2.3 Respuesta en frecuencia
Para conseguir una respuesta en frecuencia plana medimos la diferencia
de nivel de un tono emitido en cada banda de tercio de octava entre el
sonómetro y el sistema a calibrar. Y con estos valores de diferencia de
niveles realizamos una corrección por bandas de tercios de octava y por
bandas de octava.
42

4.3 Procedimiento de pruebas
Se llevan a cabo una serie de comprobaciones a través de la adquisición y procesado de señales
de prueba que permiten determinar la exactitud de las medidas comparando los resultados del
sistema a calibrar con el sistema calibrado.
Este procedimiento está descrito en el Apéndice D: Procedimiento de Pruebas (referencia [8]).
4.3.1 Señales empleadas
– Ruido blanco:
Ruido cuya respuesta en frecuencia es plana, lo que significa que su intensidad es
constante para todas las frecuencias
– Ruido fluctuante:
Ruido cuya intensidad varía a lo largo del tiempo. Las fluctuaciones pueden ser
periódicas o aleatorias.
– Ruido impulsivo:
Ruido cuya intensidad aumenta bruscamente durante un impulso. La duración de
este impulso es breve, en comparación con el tiempo que transcurre entre un
impulso y otro.
– Tono:
Señal periódica formada por infinitas ondas senoidales cuyas frecuencias son
múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
4.3.2 Medidas
– Ruido blanco:
El ruido blanco permite observar la respuesta en frecuencia del sistema, por lo
tanto también cualquier filtrado sobre su respuesta en frecuencia como es la
ponderación frecuencial (A/C/Flat).
El ruido blanco se genera con Matlab a partir de la función pseudoaleatoria rand().
Realización de 3 series de 3 medidas. Cada serie es un tipo de análisis por bandas
(octavas, tercios, doceavos) y cada medida dentro de cada serie se corresponde
con un tipo de ponderación frecuencial (A/C/Flat).
– Ruido fluctuante:
Las variaciones de intensidad de la señal permiten comprobar la respuesta
temporal del sistema según la ponderación temporal empleada (Fast/Slow).
La señal analizada es una muestra de 20 s de una grabación casera de un ensayo
musical con sus correspondientes señales impulsivas procedentes de la batería,
señales armónicas de las guitarras y las voces y cambios bruscos de nivel según la
intensidad de la parte de la pieza musical interpretada.
Realización de 2 medidas. Una para cada tipo de ponderación temporal
(Fast/Slow).
43

– Ruido impulsivo:
Este tipo de señal permite ver con claridad las diferencias entre las ponderaciones
temporales Fast y Slow. Además al tratarse de una señal impulsiva podemos
comprobar el tiempo de respuesta del sistema según la ponderación temporal
empleada.
Las señales medidas son la explosión de un globo de aire y una palmada. La señal
finalmente analizada es la palmada porque la señal de la explosión del globo
saturaba en los ensayos realizados.
Realización de 2 medidas. Una para cada tipo de ponderación temporal
(Fast/Slow).
– Tono:
El uso de tonos como señales de prueba permiten comprobar los niveles Leq para
cada banda de octava, tercios y doceavos.
La señal analizada es una secuencia de tonos (sweep) centrados en cada banda
del análisis por bandas (octavas, tercios, doceavos).
Realización de 3 series de 1 medida. Cada serie es un tipo de análisis por bandas
(octavas, tercios, doceavos).
4.4 Análisis de resultados
4.4.1 Medidas desfavorables
Una vez realizado el Procedimiento de pruebas [8], centramos nuestra atención
en las medidas del sistema a calibrar 1 y 2 que muestran resultados menos
precisos respecto al sistema calibrado de referencia.
Entre los sistemas a calibrar , el sistema a calibrar 2 (Sistema de muy bajo
coste) compuesto por el preamplificador Art y el micrófono Behringer es el
sistema que presenta las medidas menos precisas y por tanto el que mejor
muestra las medidas desfavorables más significativas.
Sistema calibrado
En el sistema calibrado las medidas presentan desviaciones en los niveles
cercanos a 50 dB debido a que el rango dinámico del sistema calibrado
estaba configurado por defecto erróneamente entre 50 y 150 dB . Por lo
tanto ninguna de las medidas con el sistema calibrado son inferiores a 50
dB. A mayores, el sistema calibrado permite la configuración del rango
dinámico entre 40 y 130 dB y entre 30 y 110 dB .
En el sistema calibrado los datos de las medidas se encuentran en intervalos
de 1 segundo, es decir la resolución temporal de las medidas es de 1
segundo y las medidas mostradas son el nivel mínimo y máximo para ese
instante. Por lo tanto existe una desviación importante para comparar los
44

sistemas respecto al sistema calibrado, sobre todo cuantas más
fluctuaciones haya inferiores a 1 segundo medidas con ponderación
temporal Fast. Para minimizar esta desviación se ha realizado un
promediado de las medidas entre los niveles mínimo y máximo. Y para
minimizar la desviación producida por la resolución temporal de 1 segundo
del sistema calibrado, se ha realizado un promediado a 1 segundo de las
medidas de los sistemas a calibrar ya que estos muestran los datos con una
resolución temporal de un intervalo de muestreo Ts = 1/Fs
Filtro de ponderación temporal Fast/Slow
Respecto a las medidas de los sistemas a calibrar, la desviación más
importante es debido al ajuste de la ganancia del filtro de ponderación
temporal. La ponderación temporal Fast/Slow se realiza a través de un filtro,
y la señal filtrada necesita un factor de ganancia para mantener el nivel de
señal que le corresponde. Este factor se ha calculado por comparación con
los niveles con ponderaciones temporales Fast/Slow del sistema calibrado.
Las gráficas donde mejor se perciben las desviaciones descritas son las de
ruido fluctuante y ruido impulsivo ,ambas con ponderación temporal Fast.
Figura 4.4 Gráfica Ruido fluctuante con ponderación Fast
45

Figura 4.5 Gráfica Ruido impulsivo con ponderación Fast
Filtro de ponderación frecuencial A/C
Respecto a la ponderación frecuencial A/C existe una caída en altas
frecuencias de los filtros audioweighting prediseñados por Matlab. En las
gráficas se observa esta caída en altas frecuencias y por lo tanto no cumple
la norma de Sonómetros UNE-EN 61672-1 (referencia [2]) .
46

Figura 4.6 Gráfica Ruido blanco con ponderación A en tercios de octava
47

Figura 4.7 Gráfica Ruido blanco con ponderación C en tercios de octava
Promedio del vector de calibración en frecuencia
Respecto al análisis en frecuencia por bandas de octava, a partir de la señal
de sweep analizada se observa en la gráfica que hay unas desviaciones en
medias frecuencias debido principalmente al promedio realizado para aplicar
el vector de calibración en frecuencia de tercios de octava en los análisis de
bandas de octava. Y en menor medida es debido a un error de medida al
realizar el vector de calibración en frecuencia de tercios de octava para el
sistema a calibrar 2 compuesto por el preamplificador Art y el micrófono
Behringer.
48

Figura 4.8 Gráfica Sweep por octavas
49

Figura 4.9 Gráfica Sweep por tercios de octava
Respuesta en frecuencia
Como último análisis de los resultados de las medidas mostrar la gráfica de
la respuesta en frecuencia de los dos sistemas desarrollados (sistema a
calibrar 1 y 2) sin aplicar el vector de calibración en frecuencia. Se puede
apreciar que en medias y altas frecuencias es donde más
irregular es la respuesta en frecuencia y, más acentuado en el
sistema a calibrar 2 (Sistema de muy bajo coste) compuesto por el
preamplificador Art y el micrófono Behringer.
50

Figura 4.10 Gráfica Respuesta en frecuencia de los sistemas
51

4.5 Conclusiones
Uno de los principales inconvenientes a la hora de realizar la calibración de los sistemas fue
averiguar el comportamiento de cada preamplificador. En cada dispositivo existen dos ganancias
independientes para ajustar el rango dinámico, la del preamplificador y la del conversor A/D. En el
dispositivo Centrance están integradas porque es preamplificador y conversor A/D. Esto permite
que solamente haya que ajustar la ganancia del preamplificador al nivel máximo deseado dentro
del rango permitido por el rango dinámico de los dispositivos que forman el sistema (micrófono y
preamplificador). Pero en el dispositivo Art no están integradas porque sólo es preamplificador.
Esto quiere decir que la ganancia del conversor A/D hay que ajustarla y hay que hacerlo a través
del panel de configuración de la tarjeta de sonido de Windows que es quien realiza la conversión
A/D en este caso. El procedimiento está explicado en el Procedimiento de Calibración [4].
Cuando se termina de realizar el procedimiento de calibración es muy importante que el
potenciómetro de ganancia del preamplificador no se manipule y a ser posible que permanezca
inaccesible para evitar una posible descalibración del sistema. El dispositivo Centrance tiene un
diseño que permite aislar el potenciómetro retirando el recubrimiento de este y cubriendo la zona
con cinta adhesiva. El dispositivo Art es más complicado porque el potenciómetro está diseñado
para que esté expuesto y sea fácilmente accesible.
La calibración en frecuencia de la FFT se ha realizado a partir del vector de calibración en
frecuencia calculado para el análisis por bandas de tercios de octava. El vector se promedia según
la resolución de la FFT y se suma el resultado final en dB para cada punto de la FFT. Este
procedimiento no es preciso y con bajas resoluciones de FFT se pueden observar saltos bruscos
de magnitud producidas por el promediado del vector de calibración. El procedimiento más preciso
sería diseñar un filtro con respuesta en frecuencia el vector de calibración. De esta forma se
conseguiría mayor suavidad de los cambios de magnitud en el recorrido de frecuencias.
Respecto a la calibración de la magnitud de la FFT, se ha realizado a partir de un tono puro
mediante comparación con la energía de la banda de ese tono en el análisis por bandas de tercios
de octava. Para ajustar la magnitud se ha empleado un factor de corrección que depende de la
duración de la señal (5,15, 30 s) , del tamaño de la ventana (3000 muestras en Record Mode y
1000 muestras en Real Time Mode) y de la resolución de la FFT (2048, 4096, 8192 muestras) .
La ponderación temporal Fast/Slow se realiza a través de un filtro, y la señal filtrada necesita un
factor de ganancia para mantener el nivel de señal que le corresponde. Este factor se ha
calculado por comparación con los niveles con ponderaciones temporales Fast/Slow del sistema
calibrado.
El análisis en frecuencia por bandas de doceavos de octava tiene ciertas limitaciones debido en
primer lugar a que la tabla de ponderaciones frecuenciales A y C de la norma [2] está en tercios de
octava y promediarla a doceavos provocaría un error de precisión en las bandas que no
coincidiesen con las bandas de tercios. En segundo lugar, como la tabla de ponderaciones
frecuenciales está en tercios se decidió que el vector de calibración en frecuencia se realizase en
tercios de octava. Por lo tanto la calibración y ponderación en frecuencia para doceavos de octava
queda descartada y no cumple la norma [2].
52

De todas formas se ha comprobado que el filtrado por bandas es correcto comparando la energía
de 1 octava con sus 3 tercios correspondientes y sus 12 doceavos correspondientes y la energía
de la FFT en ese rango de frecuencias.
53

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
5.1 Conclusiones finales
Sonómetro
El sistema de medidas acústicas diseñado abarca las aplicaciones de un sonómetro convencional
que mide niveles de sonido con ponderación temporal exponencial y de un sonómetro integrador -
promediador que mide niveles de sonido promediados en el tiempo.
Conectividad
La elección de una interfaz de audio USB es debido a que es un tipo de conexión que está
Calibración
medidas fiables, controladas y referenciadas a un mismo patrón de medida .
Uno de los principales inconvenientes a la hora de realizar la calibración de los sistemas fue
averiguar el comportamiento de cada preamplificador. En cada dispositivo existen dos ganancias
independientes para ajustar el rango dinámico, la del preamplificador y la del conversor A/D. En el
dispositivo Centrance están integradas porque es preamplificador y conversor A/D. Esto permite
que solamente haya que ajustar la ganancia del preamplificador al nivel máximo deseado dentro
del rango permitido por el rango dinámico de los dispositivos que forman el sistema (micrófono y
preamplificador). Pero en el dispositivo Art no están integradas porque sólo es preamplificador.
Esto quiere decir que la ganancia del conversor A/D hay que ajustarla y hay que hacerlo a través
del panel de configuración de la tarjeta de sonido de Windows que es quien realiza la conversión
A/D en este caso. El procedimiento está explicado en el Apéndice C: Procedimiento de Calibración
(referencia [4]).
Cuando se termina de realizar el Procedimiento de Calibración [4] es muy importante que el
potenciómetro de ganancia del preamplificador no se manipule y a ser posible que permanezca
inaccesible para evitar una posible descalibración del sistema. El dispositivo Centrance tiene un
diseño que permite aislar el potenciómetro retirando el recubrimiento de este y cubriendo la zona
con cinta adhesiva. El dispositivo Art es más complicado porque el potenciómetro está diseñado
para que esté expuesto y sea fácilmente accesible.
La calibración en frecuencia de la FFT se ha realizado a partir del vector de calibración en
frecuencia calculado para el análisis por bandas de tercios de octava. El vector se promedia según
la resolución de la FFT y se suma el resultado final en decibelios para cada punto de la FFT.
Respecto a la calibración de la magnitud de la FFT, se ha realizado a partir de un tono puro
mediante comparación con la energía de la banda de ese tono en el análisis por bandas de tercios
de octava. Para ajustar la magnitud se ha empleado un factor de corrección que depende de la
duración de la señal (5,15, 30 s) , del tamaño de la ventana (3000 muestras en Record Mode y
1000 muestras en Real Time Mode) y de la resolución de la FFT (2048, 4096, 8192 muestras).
55

El análisis en frecuencia por bandas de doceavos de octava tiene ciertas limitaciones debido en
primer lugar a que la tabla de ponderaciones frecuenciales A y C de la norma de Sonómetros
UNE-EN 61672-1 (referencia [2]) está en tercios de octava y promediarla a doceavos provocaría
un error de precisión en las bandas que no coincidiesen con las bandas de tercios. En segundo
lugar, como la tabla de ponderaciones frecuenciales está en tercios se decidió que el vector de
calibración en frecuencia se realizase en tercios de octava. Por lo tanto la calibración y
ponderación en frecuencia para doceavos de octava queda descartada y no cumple la norma. De
todas formas se ha comprobado que el filtrado por bandas es correcto comparando la energía de
1 octava con sus 3 tercios correspondientes y sus 12 doceavos correspondientes y la energía de
la FFT en ese rango de frecuencias.
La ponderación temporal Fast/Slow se realiza a través de un filtro, y la señal filtrada necesita un
factor de ganancia para mantener el nivel de señal que le corresponde. Este factor se ha
calculado por comparación con los niveles con ponderaciones temporales Fast/Slow del sistema
calibrado.
Matlab
Mediante Matlab, es posible analizar datos, desarrollar algoritmos y crear aplicaciones.
El lenguaje de alto nivel y las funciones matemáticas incorporadas (Toolbox) permiten llegar a una
solución antes que con hojas de cálculo o lenguajes de programación tradicionales, como pueden
ser C/C++ o Java.
En cuanto al diseño del software, debido a la dificultad de realizar el volcado de datos al archivo
wav y gestionar eficientemente la memoria del PC, se optó por proporcionar dos modos de
funcionamiento; uno para grabar la señal en un archivo de audio y llevar a cabo todas las medidas
y procesados implementados (Record Mode) a costa de ser más lento, y otro para visualizar en
tiempo real las medidas calculadas excepto el filtrado por bandas de octava que es muy costoso
computacionalmente (Real Time Mode). La estructura y funcionamiento están descritos con detalle
en el Apéndice A: Manual de Programador (referencia [7]) y en el Apéndice B: Manual de Usuario
(referencia [5]).
Coste
El precio del sistema de muy bajo coste formado por el preamplificador Art Usb Dual Pre y el
micrófono Behringer Ecm8000 es de 140 € (85 € + 55 €).
El precio del sistema de bajo coste formado por el preamplificador y conversor A/D Centrance
MicPort Pro y el micrófono Nti Audio M4260 es de 635 € (135 € + 500 €).
56

5.2 Lineas futuras
Precisión de las medidas
La precisión de las medidas realizadas en el Procedimiento de Pruebas [8] podría mejorarse
empleando un sistema calibrado de referencia (sonómetro profesional) que permitiese una
resolución temporal mayor en el volcado de datos de las medidas ya que gran parte de la falta de
precisión de las medidas es debida al promediado de las medidas para ajustarlas a la resolución
temporal del sistema calibrado de referencia.
Ponderación frecuencial
Los filtros prediseñados por Matlab de ponderación frecuencial A y C (audioweighting) no cumplen
la norma [2] en altas frecuencias. Sería necesario diseñar un filtro de ponderación frecuencial a
partir de la tabla de ponderaciones frecuenciales descritas en la norma [2] para poder cumplirla.
Procesado de señal en tiempo real
Uno de los motivos por los que no se ha podido implementar el diseño de software inicial es
porque el análisis por bandas de octava tal como está implementado es muy costoso
computacionalmente para realizarlo en tiempo real. Si se consiguiese mejorar el rendimiento de
este procesado el análisis por bandas de octava no supondría un problema para realizarlo en
tiempo real.
Duración de la adquisición de audio
La duración de la adquisición de audio está acotada porque esta duración depende de la
capacidad de memoria del PC que puede gestionar Matlab y del tamaño máximo de array que
puede manejar. Además el diseño de software implementado hace complicado procesar señales
de larga duración. Es posible que si se consiguiese implementar el diseño de software inicial,
realizar la adquisición, procesamiento y visualización y volcado de datos en disco en tiempo real,
la duración de la adquisición de audio no supondría un inconveniente.
Calibración de la respuesta en frecuencia
El método escogido para este proyecto ha sido la calibración en frecuencia por tercios de octava
empleando un vector de calibración. Este método es singular de este proyecto y sólo permite
calibrar en frecuencia los parámetros del análisis en frecuencia (FFT, filtros de bandas de octavas)
y no los parámetros temporales (SPL, Leq). El motivo de emplear este método es la sencillez de
implementación. El método ideal para la correcta calibración de la respuesta en frecuencia sería el
diseño de un filtro cuya respuesta en frecuencia fuese la inversa de la respuesta en frecuencia del
sistema a calibrar. De esta forma , al aplicar este filtro sobre el sistema , las dos respuestas en
frecuencia se anularían obteniendo una respuesta en frecuencia plana.
Sensibilidad de la calibración
Existe un problema importante de calibración referente al diseño del preamplificador Art y la
ubicación del potenciómetro de ganancia.
El dispositivo Centrance tiene un diseño que permite aislar el potenciómetro retirando el
recubrimiento de este y cubriendo la zona con cinta adhesiva. El dispositivo Art tiene el
57

potenciómetro muy grande y accesible. Esto dificulta poder mantenerlo intacto porque al manipular
el dispositivo es muy sencillo que se mueva. Por lo tanto sería recomendable usar el sistema de
medidas formado por el preamplificador Centrance para asegurarse que el sistema esta calibrado
y evitar tener que calibrarlo cada vez que se quiera usar.
Análisis por bandas de octava
En el análisis por bandas de octava se calcula el Leq para cada banda. El análisis sería más
completo si también permitiese calcular el SPL. Esto es posible de implementar de forma sencilla
utilizando la función que calcula el SPL (función SPL en Record Mode) adaptada en lugar de la
que calcula el Leq (función Leq en Record Mode) dentro del filtrado por bandas de octava.
Software compatible
Actualmente es necesario usar la versión de 32 bits de Matlab y de Data Acquisition Toolbox para
poder realizar adquisición de audio a través de Matlab porque está basada en la interfaz Legacy.
Ambos son compatibles con el sistema operativo Windows de 64 bits pero es posible que con el
tiempo los desarrolladores de Matlab actualicen Data Acquisition Toolbox de 64 bits para permitir
la adquisición de audio. Esto supondría actualizar los procesos de adquisición de datos del
sistema de medidas con las nuevas funciones de la Toolbox.
Importar/exportar datos
Una de las características de los sonómetros actuales es la posibilidad de exportar los resultados
para generar un informe o importar una señal de audio para analizarla. Esta podría ser una idea
interesante para ampliar las funcionalidades del sistema de medidas.
58

CAPÍTULO 6: BIBLIOGRAFÍA
6. BIBLIOGRAFÍA:
UNE-EN 61672-1 Sonómetros.
UNE-EN 61260 Filtros de bandas de octava y de bandas de una fracción de octava.
ABC de la acústica . Higini Arau.
Ingeniería Acústica . Manuel A. Sobreira, Enrique Alexandre Cortizo.
Introduction to digital signal processing using MATLAB . Robert J. Schilling.
Design of a Sound Level Meter . Douglas R. Lanman.
Online: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/9603-sound-level-meter
Art Usb Dual Pre User's Manual.
Centrance MicPort Pro User's Manual.
Nti Audio M4260 Specifications
Behringer ECM8000 Specifications
Referencias bibliográficas:
[1] Ingeniería Acústica . Manuel A. Sobreira, Enrique Alexandre Cortizo.
[2] UNE-EN 61672-1 Sonómetros.
[3] UNE-EN 61260 Filtros de bandas de octava y de bandas de una fracción de octava.
[4] Apéndice C: Procedimiento de Calibración.
[5] Apéndice B: Manual de Usuario.
[6] Apéndice F: Hojas de especificaciones.
[7] Apéndice A: Manual de Programador.
[8] Apéndice D: Procedimiento de Pruebas.
59

APÉNDICE A: MANUAL DEL PROGRAMADOR
Este apéndice explica con detalle el funcionamiento del programa desde el punto de vista del
programador con el objetivo de entender de la forma más sencilla posible el desarrollo de este.
Este apéndice se divide en dos partes.
La primera parte explica el funcionamiento general del programa. Proporciona información sobre
los procesos y funciones que se llevan a cabo a medida que se ejecuta el programa.
La segunda parte explica el funcionamiento interno del programa, es decir , se hace una
descripción detallada del cometido de cada función y de cómo se relacionan entre ellas durante la
ejecución del programa.
1. Estructura general del programa
En este apartado se explican en líneas generales los procesos que componen el programa. El
orden de los procesos que se describen a continuación corresponde al orden de ejecución en el
programa.
Figura A.1. Diagrama de bloques del sistema de medidas acústicas
61

Figura A.2. Diagrama de bloques del programa
62

1.1 Configuración de parámetros:
Antes de la ejecución del programa hay que configurar las opciones de cálculo de parámetros en
el archivo Configuration_file.m . En este archivo se configura desde el modo de funcionamiento
(Real Time, Record) hasta el tipo de ponderación aplicada para el cálculo de SPL, Leq, FFT,
filtrado por bandas de fracción de octava (A/C/ninguna , Fast/Slow/ninguna) pasando por las
opciones de duración de la grabación o resolución de FFT e incluso la posibilidad de realizar una
calibración por el usuario. El archivo de configuración se ejecuta al principio del programa principal
junto con el archivo con los coeficientes del diseño de filtros.
1.2 Calibración:
Existen dos tipos de calibración. La calibración por defecto usa el archivo wav interno de
calibración. La calibración personalizada permite al usuario grabar un sonido y asignarle un nivel
de presión sonora.
1.3 Modos de funcionamiento:
Real Time Mode
En el modo Real Time se ejecuta en tiempo real la adquisición de audio mientras se procesan las
muestras y se muestran los resultados gráficamente en el display de forma continua. En este
modo existe un botón de Stop/Restart en el display para detener o reanudar la adquisición en
tiempo real.
Record Mode
En el modo Record se graba la señal con una duración determinada por el usuario, se analiza la
señal en tiempo y en frecuencia y se muestran los resultados gráficamente.
2. Funciones utilizadas
Para entender el funcionamiento interno del programa es necesario conocer las funciones que lo
componen. En este apartado vamos a describir las principales características de cada función:
Variables de entrada y salida, llamadas a otras funciones , funciones donde son llamadas, objetivo
principal y una descripción más precisa del funcionamiento de cada una.
63

FUNCIONES
1. Configuration_file
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
Variables de entrada:
-
Variables de salida:
-
A qué funciones llama:
-
Objetivo principal:
Ajusta los parámetros principales de funcionamiento del programa.
Explicación detallada :
Inicializa las variables de funcionamiento del programa dentro de unos valores predefinidos donde
el usuario selecciona entre las opciones disponibles.
64

2. Filter_Coefficients
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
-
-
-
Objetivo principal:
Carga las variables del diseño de filtros
Importa las variables del diseño de filtros de ponderación frecuencial (A / C) y de filtros de octava
(octavas / tercios / doceavos) empleados en el análisis en frecuencia de la señal adquirida.
65

3. sound_acquisition
Resumen :
Llamada desde:
-
-
-
Configuration_file
mic_calibration
Record
filter_bank
RealtimeSPL
Objetivo principal:
Programa principal.
El programa principal se encarga de ejecutar los procesos de configuración de programa
(Configuration_file) , calibración del micrófono (mic_calibration), grabación (Record), filtrado de
señal (filter_bank) y tiempo real (RealtimeSPL) . Tambien almacena los datos referentes a la
calibración y a la señal adquirida .
66

4. mic_calibration
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
-
signal_ref (señal de calibración)
Fs_ref (frecuencia de muestreo de la señal de calibración)
Nbits_ref (número de bits por muestra de la señal de calibración)
p_pascal ( presión sonora de la señal de calibración en pascales)
-
Objetivo principal:
Calibrar el sistema de medida a partir de una señal que graba el usuario.
La función le pide al usuario el tiempo en segundos que quiere grabar para adquirir la señal de
calibración. La señal se graba en .wav como calibration_signal_user.wav . Después de grabar pide
el nivel SPL que se le quiere asignar a la señal medida.
67

5. Record
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
refreshRate (duración de la grabación en segundos)
signal (señal grabada)
Fs (frecuencia de muestreo de la señal grabada)
Nbits (número de bits por muestra de la señal grabada)
time (duración de la señal grabada)
nfft (número de muestras adquiridas)
-
Objetivo principal:
Capturar audio a través del sistema de medida y guardarlo en un archivo .wav.
en Record Mode.
Crea un objeto de tipo analoginput y establece los parámetros de adquisición de audio. Realiza la
adquisición y la guarda en un archivo .wav .
68

6. filter_bank
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
Aux_s (Estructura de datos que contiene toda la información sobre la señal
adquirida y la calibración)
Windowing
SPL
Leq
FRcal
filter_bank_plot
Objetivo principal:
Procesado de la señal y cálculo de las medidas en Record Mode.
Esta función está formada por varios procesos de cálculo de medidas. Para cada uno de los
procesos se aplica la ponderación frecuencial (A/C/ninguna) y para el cálculo de SPL también se
aplica la ponderación temporal (Fast/Slow/ninguna). El primer proceso que se ejecuta es el cálculo
de la FFT de la señal adquirida y su calibración en frecuencia. El siguiente proceso es el banco de
filtros (octavas/tercios de octava/doceavos de octava), en este proceso se realiza una calibración
en frecuencia por octavas y tercios de octavas. Después se calculan las medidas acústicas de
SPL y Leq de la señal y por último se almacenan los resultados en la estructura de datos (Aux_s)
y se muestran las gráficas.
69

7. Windowing
Resumen :
Llamada desde:
filter_bank
signal (señal)
n_samples (número de muestras/ventana)
w_shift (desplazamiento de la ventana)
fft_size (resolución de la FFT)
modfseg (valor de la FFT de la señal)
-
Objetivo principal:
Realiza el enventanado de la señal y aplica la FFT a cada segmento en Record
Mode.
Usa un ventana de tipo hamming para el enventanado. Calcula la FFT de cada segmento, coge la
parte real y suma todos los segmentos. Después se hace un promedio de la energía de todos los
segmentos de la señal (modfseg).
70

8. SPL
Resumen :
Llamada desde:
filter_bank
data_dBSPLW (vector de niveles de presión sonora en dB de la señal adquirida)
wseg1_mean_SPL (vector de valores de presión sonora en pascales de la señal
adquirida)
-
Objetivo principal:
Calcula el SPL de la señal adquirida en Record Mode.
Para trabajar con pascales convertimos los valores de la señal normalizados a 1 en pascales a
partir de la señal de calibración (signal_ref_mean) y el valor correspondiente en pascales de la
señal de calibración (p_94dBSPL). Para calcular el SPL primero se hace la ponderación
frecuencial (A/C/ninguna) y la ponderación temporal (Fast/Slow/ninguna), después se lleva a cabo
el enventanado , donde se hace un promedio de los valores de presión sonora de cada segmento
enventanado y se guardan en un vector (wseg1_mean_SPL). Una vez obtenidos los valores de
presión sonora se aplica la fórmula de SPL para calcular los niveles de presión sonora de la señal
adquirida (data_dBSPLW).
71

9. Leq
Resumen :
Llamada desde:
filter_bank
data_Leq_T (valor del nivel continuo equivalente de la señal adquirida)
-
Objetivo principal:
Calcula el Leq de la señal adquirida en Record Mode.
Para trabajar con pascales convertimos los valores de la señal normalizados a 1 en pascales a
partir de la señal de calibración (signal_ref_mean) y el valor correspondiente en pascales de la
señal de calibración (p_94dBSPL). Para calcular el Leq primero se hace la ponderación
frecuencial (A/C/ninguna), después se lleva a cabo el enventanado , donde se hace un promedio
de los valores de presión sonora de cada segmento enventanado y se guardan en un vector
(wseg1_mean_Leq). Una vez obtenidos los valores de presión sonora se aplica la fórmula de Leq
para calcular el nivel continuo equivalente de la señal adquirida (data_Leq_T). En Record Mode el
tiempo de promediado para el cálculo del Leq es la duración de la señal adquirida. En Real Time
Mode el tiempo de promediado empieza cuando se inicializa la adquisición de la señal pero no
termina hasta que se presiona el botón de Stop para detener la adquisición. Es decir, cuanto
mayor sea la duración de la adquisición , menos variaciones de nivel se reflejarán en el cálculo del
Leq.
72

10. filter_bank_plot
Resumen :
Llamada desde:
filter_bank
-
-
Objetivo principal:
Dibuja los resultados del análisis de la señal adquirida en Record Mode.
Dibuja todos los valores calculados en el análisis en una ventana distribuída en cinco secciones.
En el lateral izquierdo dibuja los valores en el dominio de la frecuencia , FFT y banco de filtros. En
el lateral derecho dibuja los valores en el dominio del tiempo ; forma de onda, SPL y Leq.
73

11. realtimeSPL
Resumen :
Llamada desde:
sound_acquisition
p_pascal_ref (valor en pascales de la señal de calibración)
FFT_Frequency_weighting (tipo de ponderación frecuencial, A/C/ninguna para
FFT)
Time_weighting (tipo de ponderación temporal, Fast/Slow/ninguna para SPL)
w_shift (desplazamiento de la ventana en el enventanado)
SPL_Frequency_weighting (tipo de ponderación frecuencial, A/C/ninguna para
SPL)
Leq_Frequency_weighting (tipo de ponderación frecuencial, A/C/ninguna para
Leq)
third_octave (vector de frecuencias de tercios de octava)
third_octave_calibration_dB (vector de calibración en frecuencia por tercios)
Filter_coef (coeficientes de los filtros diseñados)
device (dispositivo seleccionado)
-
initSC
estL
initDP
Objetivo principal:
Ejecuta Real Time Mode.
Funciona como un programa principal. Se encarga de ejecutar los procesos de configuración de la
adquisición, adquisición de audio, cálculo de parámetros acústicos a medir, inicialización del
display, actualización de la adquisición y actualización del display.
74

12. initSC
Resumen :
Llamada desde:
realtimeSPL
-
ai (objeto de tipo analoginput)
nfft (número de muestras por adquisición)
sampleRate (frecuencia de muestreo de la adquisición)
-
Objetivo principal:
Inicializa la adquisición de audio en Real Time Mode.
Configura el objeto de tipo analoginput con la frecuencia de muestreo, el número de muestras por
adquisición y el período de actualización de la adquisición. Dentro de las opciones del analoginput
se selecciona el tipo de temporizador a manual para que se configure de tal forma que se repita
en bucle indefinidamente mientras no se pulse el boton stop del display. Una vez configurado
comienza la adquisición con el comando start(ai) y el temporizador con el comando trigger(ai).
75

13. estL
Resumen :
Llamada desde:
realtimeSPL
signal (señal adquirida)
nfft (número de muestras por adquisición)
FFT)
w_shift (desplazamiento de la ventana en el enventanado)
SPL)
Leq)
data_dBSPL (vector de niveles de presión sonora en dB de la señal adquirida)
Windowing
Objetivo principal:
Realiza el análisis de la señal en frecuencia y en tiempo en Real Time Mode.
76

Es el equivalente a las funciones SPL y Leq de Record Mode, pero en este caso adaptadas para
implementarlas en tiempo real . El promedio para el cálculo del Leq se realiza con el uso de
variables de tipo persistent. Estas variables permiten que el promedio se actualice de forma
recursiva mientras se ejecuta el programa en tiempo real.
14. initDP
Resumen :
Llamada desde:
realtimeSPL
ai (objeto de tipo analoginput)
FFT)
data_dBSPL (vector de niveles de presión sonora en dB de la señal adquirida)
w_shift (desplazamiento de la ventana)
SPL)
Leq)
third_octave (vector de frecuencias de tercios de octava)
third_octave_calibration_dB (vector de calibración en frecuencia por tercios)
Filter_coef (coeficientes de los filtros diseñados)
-
77

StopSC
Objetivo principal:
Inicializa el display donde se muestran los resultados del análisis de la señal en
tiempo y frecuencia en Real Time Mode.
Crea una figura donde muestra los resultados del análisis de la señal. En la parte superior muestra
la FFT de la señal. En la parte inferior derecha muestra la forma de onda . Y en la parte inferior
izquierda muestra el valor de SPL y de Leq. Además de mostrar los resultados , la función crea el
botón de Stop/Restart del display para detener o reanudar la adquisición de la señal . A este botón
se le asigna la función de tipo CallBack StopSC. En Real Time Mode la actualización de la
adquisición y del display se realizan a través de funciones CallBack. En initDP también se
almacenan todas las variables que recibe como variables de entrada en el campo figData, campo
personalizable por el programador para pasar variables entre funciones de tipo CallBack .
15. upD
Resumen :
Llamada desde:
realtimeSPL
-
-
estL
FRcal
upPlotD
78

Objetivo principal:
Actualiza la adquisición de audio y los valores de SPL, Leq y FFT de la señal en
Real Time Mode.
Está función es de tipo CallBack . No tiene variables de entrada porque se pasan a través del
campo figData. Se actualiza la adquisición de audio a través del comando peekdata. La llamada a
estL devuelve los valores de SPL, Leq y FFT de la señal. Los valores de SPL y Leq se convierten
a string y se actualizan.
16. FRcal
Resumen :
Llamada desde:
estL
filter_bank
fft_signal (FFT de la señal)
third_octave (vector de tercios de octava)
third_octave_calibration_dB (vector de calibración de tercios de octava en dB)
fft_signal_cal
-
Objetivo principal:
Realiza la calibración por tercios de octava de la FFT de la señal adquirida.
79

La calibración de la FFT de la señal se lleva a cabo a través de un vector de calibración de tercios
de octava en dB. La FFT de la señal se convierte a dB . Después se recorre en tramos de tercios
de octava y en cada tramo se le aplica la corrección correspondiente a esa banda de frecuencia a
través del vector de calibración de tercios de octava. Finalmente se convierte la FFT de la señal
de decibelios a unidades naturales para mantener las mismas unidades en la FFT de la señal
calibrada. Este función se aplica tanto en Real Time Mode como en Record Mode.
17. upPlotD
Resumen :
Llamada desde:
upD
FFT)
-
-
Objetivo principal:
Actualiza los valores de FFT y forma de onda de la señal en Real Time Mode.
Muestra los valores actualizados de la gráfica de FFT de la señal y de la gráfica de la forma de
onda de la señal en el display.
80

18. stopSC
Resumen :
Llamada desde:
initDP
-
-
realtimeSPL
Objetivo principal:
Comprueba si se ha pulsado el botón Stop/Restart en Real Time Mode.
Esta función permite al usuario detener la adquisición de audio o reanudarla si estaba detenida. El
control de la función se realiza a través de la pulsación de un botón en el display en Real Time
Mode. La llamada a esta función se realiza a través de un Callback que se ejecuta si el botón ha
sido pulsado.
81

APÉNDICE B: MANUAL DE USUARIO
1. Software y Hardware empleado (PC)
Software: Matlab r2010a, Data Acquisition Toolbox, Signal Processing Toolbox (32 bits)
Sistema Operativo: Windows 7 Professional Service Pack 1 (32 bits)
Procesador: Intel Core 2 Duo CPU P8400 @ 2.26 GHz
Memoria RAM: 3 GB
Nota: La adquisición de audio en Matlab requiere el uso del interfaz Legacy y la versión de 32 bits
de Data Acquisition Toolbox y de Matlab. Tanto la versión de 32 bits de Data Acquisition Toolbox
como la de Matlab se pueden instalar sobre Windows de 64 bits
2. Configuración del sistema de medidas
Dispositivos :
- Sistema de medidas acústicas básicas de bajo coste:
Preamplificador y conversor A/D Micrófono de medición de condensador
CEntrance MicPort Pro NTi Audio M4260
Figura B.1 Figura B.2
83

- Sistema de medidas acústicas básicas de muy bajo coste:
Preamplificador Micrófono de medición de condensador
ART USB Dual Pre Behringer ECM8000
84

Pasos:
- Conectar los dispositivos entre sí y después con el pc mediante cable USB:
1. El micrófono se conecta al preamplificador directamente a través del enchufe de
audio de tipo XLR (también se pueden conectar mediante un cable macho - hembra
XLR) .
2. Conexión y alimentación:
- CEntrance MicPort Pro :
El preamplificador tiene un enchufe miniUSB en la parte trasera de este.
Cogemos el cable USB a miniUSB que viene con el preamplificador y lo
conectamos a un puerto USB del PC.
- ART USB Dual Pre :
El preamplificador tiene un enchufe USB tipo B en la parte trasera de este.
Cogemos el cable USB tipo A (clásico) a USB tipo B (cuadrado) que viene
con el preamplificador y lo conectamos a un puerto USB del PC.
Nota: Como el micrófono que usamos es de condensador necesitamos
alimentación phantom de 48 V para que funcione. El preamplificador CEntrance
MicPort Pro tiene un pequeño botón que pone 48 V donde se activa esta
alimentación (Fig. B.1). Cuando está funcionando la alimentación se enciende una
luz naranja al lado del botón. El preamplificador Art Usb Dual Pre tiene un botón
transparente en la parte trasera que pone PHANTOM (Fig. B.3). Además el
preamplificador Art tiene un potenciómetro (Monitor Mix) que permite mezclar la
señal de entrada (micrófono) con otras señales del PC. Para usarlo únicamente
como preamplificador hay que girarlo hacia Preamp (Fig. B.3).
Importante: El dispositivo Art es únicamente preamplificador mientras que el dispositivo
CEntrance es preamplificador y conversor A/D.
El dispositivo Art posee dos ganancias independientes, una es la propia del preamplificador
(potenciómetro) que regula la relación señal a ruido (SNR), la otra es la ganancia de Windows .
Esta ganancia es la del conversor A/D de la tarjeta de sonido del PC que gestiona Windows a
través del gestor de dispositivos de audio. Esta ganancia regula el rango dinámico del dispositivo y
es necesario ajustarla para aprovecharlo al máximo.
El dispositivo CEntrance además de preamplificador es conversor A/D. En este caso la ganancia
del rango dinámico queda ajustada si establecemos la ganancia máxima de Windows (100). De
esta forma sólo hay que ajustar la ganancia del preamplificador (potenciómetro).
Este proceso está descrito en el Apéndice C : Procedimiento de Calibración.
ADVERTENCIA: No manipular el potenciómetro de ganancia del preamplificador.
Cualquier modificación de la ganancia provocaría la descalibración del sistema.
85

- Acceder a la configuración de los dispositivos de sonido de Windows (Fig. B.5).
Figura B.5
86

- Asegurarse de que el único dispositivo de audio habilitado es CEntrance USB Audio (Fig.
B.6) para CEntrance y USB Audio CODEC para Art.
Figura B.6
87

- Comprobar la frecuencia de muestreo y la resolución de las muestras:
Han de ser como mínimo de 48 KHz y 16 bits respectivamente.
En el caso del preamplificador CEntrance es de 96 KHz y 24 bits (Fig. B.7) y en el caso del
preamplificador Art es de 48 KHz y 16 bits.
Figura B.7
88

- Configurar el nivel de ganancia de Windows :
Hacer click derecho sobre el dispositivo de audio y seleccionar Propiedades
(Fig B.8).
Seleccionar la pestaña de Niveles (Fig. B.9).
Según el dispositivo que hayamos conectado:
- CEntrance: 100
- Art: 9
89

3. Iniciación y configuración del programa
El programa está formado por una serie de funciones y dos ficheros wav de calibración
almacenados en la misma carpeta (uno por cada sistema de medidas). Es importante para el
correcto funcionamiento del programa que todos los archivos que forman el programa estén en la
misma carpeta.
El programa principal es sound_acquisition.m . Antes de ejecutarlo, hay que configurar los
parámetros de medida mediante el fichero Configuration_file.m (Fig. B.10).
Figura B.10
90

Para ello abrimos el fichero Configuration_file.m.
Este fichero tiene incluidos comentarios en el código a modo de aclaración sobre las opciones
disponibles de configuración de cada parámetro.
La mayoría de los parámetros son de tipo String.
Estos parámetros son los que aparecen de color violeta y se definen entre comillas simples.
Si escogemos el Real Time Mode los parámetros s.Signal.duration, s.Signal.octave_analysis y
s.Signal.Frequency_weighting.Octave no los va a tener en cuenta porque son parámetros
exclusivos del Record Mode y por lo tanto serán irrelevantes.
Calibración
El primer parámetro a configurar es la calibración con s.Calibration.calibrate. Por defecto su valor
es 0, calibración por defecto, esto quiere decir que se usa el archivo de calibración wav propio del
programa.
Cada sistema de medidas tiene su propio fichero de calibración y su vector de calibración en
frecuencia. Para cargarlos hay una variable llamada s.Signal.device que puede tener valor 0 o 1.
Si tiene el valor 0 carga el fichero y el vector de calibración del dispositivo Centrance, si tiene valor
1 carga el fichero y el vector de calibración del dispositivo Art.
Si el valor de s.Calibration.calibrate es 1, calibración de usuario, al ejecutar el programa principal
se le pide al usuario la duración en segundos del sonido que quiere grabar para usar de
calibración (Fig B.11).
Figura B.11
El usuario pulsa enter y comienza a grabar el sonido. Cuando termina de grabar muestra la forma
de onda de la señal adquirida como señal de calibración normalizada a 1 para saber si está dentro
del rango dinámico del sistema (Fig. B.12).
91

Figura B.12
Posteriormente se le pide el nivel de presión sonora en dB al que corresponde ese sonido. Es
conveniente que la señal adquirida sea lo más constante posible ya que para la calibración se
cogerá el valor medio de la señal como referencia de presión sonora. Al pulsar enter después de
introducirlo se ejecuta el programa con los parámetros a calcular que hayamos seleccionado en
Configuration_file.m usando estos valores de referencia para la calibración (Fig. B.13).
Figura B.13
Este archivo de calibración se guarda como calibration_signal_user.wav .
Nota: Esta calibración de usuario sólo se guarda para la primera ejecución del programa en la que
se ha grabado la señal de calibración y no para las posteriores ejecuciones.
Si se desea mantener la señal de calibración grabada por el usuario para las posteriores
grabaciones hay que copiar el nombre del fichero wav que figura en la función mic_calibration.m
(calibration_signal_user.wav), pegarlo en la función wavread de sound_acquisition.m en el
apartado Default Calibration , indicar la presión correspondiente en pascales en
s.Calibration.p_pascal_ref y poner s.Calibration.calibrate = 0 en Configuration_file.m .
92

4. Modos de funcionamiento
Ya que por defecto el programa va a usar la calibración propia del sistema , para explicar el
funcionamiento del programa vamos a asumir la calibración propia del sistema.
Una vez terminado el proceso de configuración se ejecuta sound_acquisition.m . Para ello
seleccionamos la pestaña de la función y pulsamos el símbolo de play situado en la parte superior
(Fig. B.14).
Figura B.14
93

4.1 Record Mode
Si hemos escogido Record Mode el programa se mantendrá ocupado (Busy) mientras realiza la
adquisición de audio el tiempo que hemos seleccionado (Fig. B.15).
Al terminar la adquisición mostrará una ventana emergente con los resultados calculados que
hemos seleccionado (Fig. B.16).
Figura B.15
Figura B.16
94

Si maximizamos la ventana de resultados quedaría así:
Figura B.17
Para cerrar el programa solo hay que cerrar la ventana de resultados .
Importante: En Record Mode la adquisición de audio se guarda en un archivo .wav en la misma
carpeta donde se encuentra el programa con el nombre de Recording.wav . Es necesario
cambiarle el nombre a este archivo antes de hacer una nueva adquisición de audio ya que si no se
le cambia el nombre, en la siguiente grabación en Record Mode se sobreescribirá el archivo con la
nueva adquisición de audio.
95

4.2 Real Time Mode
Si en Configuration_file.m seleccionamos Real Time Mode cuando ejecutamos el programa
principal nos aparece una ventana emergente con los resultados de la adquisición en tiempo real.
En la esquina inferior izquierda hay un botón de Stop que permite detener la adquisición y
congelar los resultados (Fig. B.18) .
Figura B.18
96

Cuando se pulsa y se detiene la adquisición, se convierte en botón de Restart . Cuando se pulsa
el botón Restart se reanuda la adquisición (Fig. B.19).
Figura B.19
Para cerrar el programa se pulsa el botón Stop, que detiene la adquisición, y después se cierra la
ventana del display.
97

5. Medidas implementadas
– SPL
– Ponderación frecuencial:
– A
– C
– Z (Flat)
– Ponderación temporal:
– Fast
– Slow
– Ninguna
– Leq
– A
– Z (Flat)
– FFT
– A
– C
– Z (Flat)
– Resolución FFT ( 2048 / 4096 / 8192 )
– Análisis en frecuencia por bandas (Resultados por banda en Leq)
– Tipo de banda:
– Octava
– Tercio de octava
– Doceavo de octava
– Duración de la grabación (5 / 15 / 30 s)
– Forma de onda
– Enventanado
– Tamaño de ventana
– Record Mode: 3000 muestras
– Real Time Mode: 1000 muestras
– Solapamiento entre ventanas (0 % por defecto, sin solapamiento)
98

6. Especificaciones técnicas
6.1 Sistema de medidas acústicas básicas de bajo coste
– Rango Dinámico : 55,4 dB
– Nivel Mínimo : 44 dB
– Nivel Máximo : 99,4 dB
– Micrófono de medición de condensador: NTi Audio M4260
Figura B.20
– Preamplificador y conversor A/D: CEntrance MicPort Pro
Figura B.21
99

6.2 Sistema de medidas acústicas de muy bajo coste
– Rango Dinámico : 55,7 dB
– Nivel Mínimo : 43,9 dB
– Nivel Máximo : 99,6 dB
– Micrófono de medición de condensador: Behringer ECM8000
Figura B.22
100

– Preamplificador: Art USB Dual Pre
Figura B.23
101

6.3 Tablas comparativas de especificaciones técnicas
Micrófonos:
Behringer ECM8000 NTi Audio M4260
Type electret condenser, omni-
directional
Omnidirectional, pre
polarized condenser, free
field microphone
Sensitivity -60 dBV/Pa -31.7 dBV/Pa
Bandwidth 15 Hz - 20 kHz 5 Hz - 20 kHz
Price 55,00 € 500,00 €
Interfaces de Audio USB:
Art USB Dual Pre CEntrance MicPort Pro
Frequency Response 20 Hz – 20 kHz (+/- 1 dB) 20 Hz – 20 kHz (+/- 1.5 dB)
Signal to Noise Ratio 90 dB 103.5 dB
Sample Rate No A/D Converter 24 Bit , 44.1 / 48 / 96 kHz
Audio Input - Female XLR
- 1/4-inch TRS balanced or
unbalanced
Female XLR
Audio Output - 1/4-inch TRS balanced
- Stereo 1/8-inch TRS
headphone mini jack
Stereo 1/8-inch TRS
headphone mini jack
Input Impedance - 300k Ohms 1/4-inch input
- 4k Ohms XLR input
5k Ohms XLR input
Maximum Input Level +6 dBu Full Scale values:
-9.5 dBV (min. gain) to
-45.5 dBV (max. gain)
THD 0.01% @1kHz 0.01% @1kHz
Phantom Power Switchable 48 Volts DC Switchable 48 Volts DC
Price 85,00 € 135,00 €
102

APÉNDICE C: PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN
1. Introducción
El objetivo del proyecto es el diseño de un sistema de medidas acústicas de bajo coste.
La parte hardware está compuesta por un micrófono de medición (micrófono de condensador con
preamplificador acoplado) y un preamplificador USB (que actúa además como conversor A/D en el
preamplificador CEntrance). La parte software se desarrollará en MatLab .
Debido al funcionamiento de los preamplificadores USB el primer problema es definir el rango
dinámico del sistema a calibrar. Esto nos permitirá saber el rango de niveles de presión sonora
que podemos medir.
El segundo problema es la calibración del nivel de presión sonora del sistema, esto es, encontrar
un valor de referencia de presión sonora. Este punto de referencia lo utilizará el software de
Matlab para calcular las medidas posteriores por comparación.
El tercer problema es la calibración de la respuesta en frecuencia del sistema. Esta calibración es
necesaria para corregir las desviaciones en frecuencia que produce el sistema al realizar medidas.
Todo este proceso se realizará en la sala semianecoica .
La instrumentación que usaremos será:
– Sistema calibrado :
– Sonómetro NTI Audio XL2
– Sistema de reproducción :
– Generador de señales NTI Audio Minirator MR-PRO
– Altavoz Dynaudio Acoustics BM6A 2 Vias
– Preamplificador USB Centrance MicPort Pro
– Micrófono Behringer ECM8000
– Preamplificador USB ART USB Dual Pre
103

Esquema de micrófonos y altavoz :
Figura C.1 Planta Figura C.2 Perfil
2. Cálculo del rango dinámico
Para aprovechar al máximo el rango dinámico del preamplificador USB es necesario adaptarlo al
rango dinámico que va a tener el sistema a calibrar. Tenemos pues que definir un nivel máximo
para el sistema a calibrar. Este nivel determinará la relación entre el rango dinámico del
preamplificador y del sistema a calibrar. El nivel máximo se determinará a un valor que se
encuentre dentro del rango dinámico del preamplificador y del micrófono empleado. El nivel
mínimo estará determinado por el nivel de ruido del sistema a calibrar, principalmente ruido del
ventilador del PC.
Existen diferencias de comportamiento entre los dos dispositivos USB. El dispositivo Art es
únicamente preamplificador mientras que el dispositivo Centrance es preamplificador y conversor
A/D. El dispositivo Art posee dos ganancias independientes, una es la propia del preamplificador
(potenciómetro) que regula la relación señal a ruido (SNR), la otra es la ganancia de Windows .
Esta ganancia es la del conversor A/D de la tarjeta de sonido del PC que gestiona Windows a
través del gestor de dispositivos de audio (Inicio/Panel de Control/Sonido). Esta ganancia regula el
rango dinámico del dispositivo y es necesario ajustarla para aprovecharlo al máximo. El dispositivo
Centrance además de preamplificador es conversor A/D. En este caso la ganancia del rango
dinámico queda ajustada si establecemos la ganancia máxima de Windows (100). De esta forma
sólo hay que ajustar la ganancia del preamplificador (potenciómetro).
104

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