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Acústica de salas

A acústica de salas é a área da acústica que se destina ao estudo da modelagem da propagação sonora em ambientes e do condicionamento acústico de recintos como salas de concerto, salas de aula, teatros, igrejas, salas de conferência, escritórios, cinemas etc. O estudo de acústica de salas compreende tanto a caracterização acústica de ambientes já existentes por meio de técnicas experimentais e numéricas, quanto o projeto, adequação e simulação acústica de novos recintos.

Em um recinto, é possível dizer que cada par fonte / receptor pode ter suas características acústicas descritas por sua "resposta ao impulso". A resposta ao impulso do sistema sala-fonte-receptor é composta pelo som direto (caminho direto entre fonte sonora e receptor) e pelas reflexões que a onda sonora sofre (no palco, paredes laterais, teto, piso, etc). A Figura 1a mostra a geometria 3D de um modelo computacional de uma auditório. As reflexões são distribuídas ao longo do tempo e sua densidade tende a aumentar à medida que o tempo passa (Figura 1b). A amplitude de cada reflexão é controlada pela distância percorrida pelo raio sonoro e pelas características de absorção das superfícies do ambiente que este encontra. Dessa forma, na distribuição temporal da densidade de energia sonora, pode-se distinguir três regiões: som direto (composto pelo raio sonoro que percorre o caminho direto entre fonte e receptor), primeiras reflexões (compostas pelas reflexões que chegam ao receptor em até 50-80 [ms]) e a cauda reverberante (composta pelas reflexões finais).


Figura 1 - (a) - Modelo computacional de um auditório mostrando; (b) - Reflectograma típico de uma sala mostrando as três regiões descritas.

Por meio do cálculo de um modelo computacional ou de um experimento é possível obter a resposta impulsiva entre fonte e receptor (Figura 2). A análise da resposta impulsiva permite a extração de diversos parâmetros acústicos da sala como: Tempos de reverberação (T20, T30, T60); Early Decay Time (EDT); Claridade (C80); Índice de transmissão da fala (STI); Fração de Energia Lateral (LEF); entre outros.



Figura 2 - Resposta ao impulso de um sistema sala-fonte-receptor. 

As pesquisas em modelos computacionais para o cálculo de respostas ao impulso realistas têm sido amplamente desenvolvidas nos últimos anos.

Modelos que se baseiam na solução da equação da onda, tais como: métodos analíticos, elementos finitos (FEM), elementos de contorno (BEM) e de diferenças finitas (FDTD) são usados para a solução do problema de baixas frequências. O custo computacional torna-se elevado para análises de altas frequências.

Modelos que se baseiam na propagação geométrica da energia sonora, tais como: método do traçado de raios, fontes virtuais, radiosidade e métodos híbridos são usados para a solução do problema de médias e altas frequências. Neste caso, a formulação dos métodos, em geral, não incorpora fenômenos de interferência e alguma informação é perdida, mas o custo computacional tende a ser bem menos elevado.

Em qualquer dos casos de modelagem o código computacional usa como dados de entrada como: 

  • a geometria da sala, elementos aplicados às paredes, teto, piso, etc;
  • os coeficientes de absorção e espalhamento acústicos das diversas superfícies que compõe o ambiente (paredes, colunas, mobília, absorvedores e difusores);
  • as posições, direcionalidades, orientação e potência das fontes sonoras e; 
  • as posições e orientação dos receptores

As respostas ao impulso relativas à cabeça (HRIR – Head Related Impulse Responses) são usadas para fins de auralização. Este processo consiste em gerar sinais que podem ser reproduzidos a um ouvinte, de forma que ele tenha a sensação de estar presente no ambiente (mesmo que este ainda seja apenas um ambiente virtual). As aplicações de auralização vão desde a apresentação de um projeto acústico de uma sala de concertos, a aplicações de realidade virtual como áudio imersivo em jogos de computador.

Alguns dos temas mais estudados no atual estado da arte são:

  • O aumento da eficiência computacional dos modelos baseados na equação da onda;
  • O desenvolvimento dos algoritmos e métodos de cálculo baseados em acústica geométrica. Estes no que diz respeito tanto ao aumento da exatidão dos modelos, quanto ao aumento da eficiência computacional para aplicações de processamento em tempo real;
  • Análises de incerteza dos métodos geométricos e dos métodos baseados na equação da onda;
  • Análises e criação de algoritmos de de-reverberação – usados para retirar a reverberação de um dado sinal;
  • O projeto de espaços desafiadores como salas de concerto, museus, estúdios etc;
  • Testes e criação de técnicas experimentais eficientes como a utilização de arrays de microfones para a determinação da direção de chegada das ondas sonoras, medições menos sensíveis a baixa relação sinal-ruído e distorções.