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 mono e biauriculares 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:

• a geometria da sala, elementos aplicados às paredes, teto, piso etc.;
• os coeficientes de absorção e espalhamento acústico das diversas superfícies que compõem 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 impulsivas relativas à cabeça (HRIR – Head-Related Impulse Responses) são usadas para fins de auralização (também chamado de aurilização). 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 estudados pelos grupos de pesquisa da EAC, 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, tanto no que diz respeito 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;
• Utilização de machine learning para modelar as HRIRs via redes neurais artificiais de modo a se obter as respostas impulsivas biauriculares de uma sala de modo computacionalmente muito mais eficaz;
• Utilização dos resultados dos últimos Round Robin (intercomparações internacionais de software de simulação de acústica de salas) para validar resultados de simulação;
• Estudo de métodos de otimização visando refinar os resultados de simulação em salas existentes, a partir dos parâmetros de entrada com maior grau de incerteza, a saber, os coeficientes de absorção e espalhamento dos materiais internos das salas.