conhecimento sobre o comportamento acústico da amostra medida são úteis na decisão de qual seria o melhor resultado de medição.
5.3 Métodos alternativos
Até aqui todos os métodos de medição in situ apresentados se baseiam ou na separação temporal das pressões incidente e refletida através do uso de processamento de sinais e/ou de ruídos impulsivos como excitação, ou na recuperação da impedância de superfície através de um modelo matemático do campo acústico, o que é muito similar a um problema inverso. Nesta seção alguns métodos alternativos para medição in situ são apresentados. Tais métodos se baseiam em filosofias completa ou parcialmente diferentes dos métodos anteriormente apresentados.
Um array de microfones (Figura 36) foi utilizado por Ducourneau [128] na medição in situ do coeficiente de absorção de amostras de superfície plana. A diferença de tal técnica em relação às anteriores é que esta é baseada na combinação dos sinais dos microfones, de tal forma que, com uma única medição, é possível orientar o lóbulo principal do array ora para a fonte sonora, medindo-se então pi, ora para a amostra, medindo-se pr.
Janelas temporais também são utilizadas para eliminar as reflexões espúrias. Medições foram realizadas numa câmara semi-anecóica e em uma planta industrial, e as medições feitas com o array foram comparadas com a técnica de dois microfones de Allard e Sieben [103]. O centro dos dois microfones e do array ficava de 1− 1.5 m da superfície da amostra e a fonte sonora a cerca de 3 m da mesma. Um alto-falante foi usado como fonte sonora. Este não se encontrava em uma caixa acústica e por isso teve um comportamento similar a um dipolo. Os resultados obtidos são concordantes acima de 800 Hz, mas foram encontradas dificuldades nas medições de painéis pouco absorventes, e valores negativos no coeficiente de absorção em frequências mais baixas. Como os resultados ruins em baixas frequências são encontrados tanto em câmara semi-anecóica como nas medições feitas na planta industrial, este fato não é atribuído às reflexões espúrias, desde que o array não se encontre excessivamente próximo a superfícies reflexivas. Os resultados ruins podem ser atribuídos a uma baixa relação sinal-ruído (SNR6) em baixas frequências devido às características de radiação da fonte utilizada e à distância da mesma à amostra. Um problema deste método é a necessidade do uso de muitos microfones, o que leva a um custo elevado do array e a uma portabilidade limitada, o que pode ser importante na medição in situ. Relacionado a isto,
há o fato de que o tamanho do array faz com que seja necessário que este sempre esteja relativamente mais distante da superfície da amostra que na técnica de dois microfones por exemplo, o que piora a SNR e pode fazer a técnica mais sensível a reflexões espúrias.
Figura 36: Array de microfones usado no trabalho de Ducourneau [128] (foto usada com permissão do autor).
No trabalho apresentado em 2005, por Takahashi, Otsuru e Tomiku [129], o ruído ambiente foi usado como ruído de excitação. O que difere, neste caso, é que a grande maioria dos trabalhos apresentados anteriormente usam um ruído estacionário ou impulsivo como excitação. De acordo com os autores, a vantagem de se usar ruído ambiente é que nenhum modo particular do ambiente onde se mede é excitado. O método usa dois microfones (próximos à amostra) e considera o ruído ambiente como um campo difuso excitando a amostra. Embora o campo seja difuso, a medição é fundamentalmente diferente da medição do coeficiente de absorção em câmara reverberante, onde os microfones são espalhados no ambiente distantes da amostra e o tempo de reverberação com e sem a amostra na câmara é medido (Capítulo 4). Medições foram realizadas em uma sala de escritório, um corredor e uma cafeteria, sob variadas condições de ruído ambiente. Medições também foram realizadas com a técnica tradicional de dois microfones, variando-se o ângulo de incidência para posterior integração e obtenção de um coeficiente de absorção e impedância por incidência difusa. Os resultados são concordantes em todos os casos para frequências acima de 400 Hz. As vantagens deste método em relação ao método da câmara
5.3 Métodos alternativos 99
reverberante é que, neste caso, não são requeridas amostras tão grandes, além do método fornecer também a impedância de superfície como resultado.
Morgan e Watts [130] implementaram um sistema baseado na técnica de Garai [96] mas adaptada para medições com uma fonte móvel. A motivação é medir a absorção de amostras asfálticas em auto-estradas sem interromper o trânsito. O sistema com um alto-falante e um microfone foi devidamente acoplado a um veículo tomando-se cuidado para que as superfícies do veículo e sistema de acoplamento não induzam reflexões espúrias significativas no microfone. Medições sob velocidades de até 30 km/h foram realizadas com relativo sucesso em relação ao caso estático. As medições com veículo em movimento tendem a superestimar o coeficiente de absorção, e acima de 30 km/h a turbulência do ar no microfone deteriora sobremodo a medição.
Castagnéde et al. [131] usaram ultra-som (40 kHz) explorando os fenômenos não lineares que levam a modulações no ar para medir o coeficiente de absorção de 100-4000 Hz. O efeito não linear se deve ao alto nível de pressão do ultra-som no ar que leva a uma transferência de energia das bandas de ultra-som para as bandas de frequência audível. A principal vantagem, segundo os autores, é que a fonte sonora gera ondas planas com alta diretividade. A técnica apresentada é comparada com medições em tubo de impedância e um modelo físico do material poroso (o mesmo da Seção 2.5.2). Os resultados apresentam uma boa concordância para frequências entre 100-4000 Hz. De acordo com os autores, a principal desvantagem da técnica é a distância de modulação, cerca de 1 m, e a necessidade de transdutores de alta qualidade. A necessidade de alta qualidade dos transdutores é contraposta pela simplicidade do conjunto necessário para medição, composto de uma fonte sonora e um sensor somente. Outras aplicações como a procura de defeitos, inomogeneidades e pontos ruins de cola são colocadas como prováveis aplicações desta técnica.
Amédin et al. [132] propõem um método que combina um tubo de impedância e a medição in situ. O esquema de medição pode ser visto na Fig.37. A ideia dos autores é usar os dois microfones no tubo de impedância para estimar a pressão sonora e a velocidade de partícula na terminação do tubo, onde está a amostra. Então, a pressão sonora é medida acima da amostra e a partir da formulação teórica, do mesmo autor [133], de um pistão vibrando em uma amostra poro-elástica e radiando em campo livre, um método iterativo é usado para recuperar a impedância característica e o número de onda no interior da amostra. Medições e simulações apresentam boa concordância, exceto para amostras não homogêneas, o que é uma
limitação do método. Os autores apontam que o método consegue recuperar quatro parâmetros (partes real e imaginária da impedância característica e número de onda) com três medições e não quatro como no tubo de impedância tradicional. O método é não destrutivo e embora sua aplicação em ambientes como teatros, carros, etc, seja limitada pelas condições de montagem da amostra o método foi indicado como boa alternativa para medições de controle de qualidade na fabricação de amostras de materiais acústicos, onde o método pode ser usado na linha de produção para certificar e caracterizar amostras.
Figura 37: Esquema de medição usado por Amédin et al.[132].
5.4 Sumário
Este capítulo apresentou uma revisão dos principais métodos de medição in situ da impedância de superfície baseados no uso de microfones. Os métodos de medição apresentados foram divididos em três categorias: os métodos de separação temporal, os métodos de campo acústico e os métodos alternativos, que se baseiam em ideias totalmente, ou parcialmente, diferentes dos métodos de separação temporal e campo acústico.
Aparentemente, os métodos de separação parecem mais antigos que os de campo acústico, ou pelo menos mais intuitivos quando se deseja medir o coeficiente de reflexão. E já que Vpé a razão da pressão refletida
5.4 Sumário 101
coeficiente de reflexão diretamente. Duas estratégias são usadas na separação de pi e pr: o uso de ruídos impulsivos para excitar a amostra e o uso de
processamento de sinais para separar os sinais. Em alguma extensão o uso de ruídos impulsivos como excitação parece estar ligado a não popularização dos computadores da época, já que alguns trabalhos utilizam quase que completamente equipamentos analógicos ou computadores bastante arcaicos [91, 92, 94]. Um problema comum do uso de ruídos impulsivos é a menor repetitividade de tais sinais, o que prejudica a precisão das medições. Os métodos de separação temporal baseados em processamento de sinal parecem um pouco mais recentes e os trabalhos mais populares se baseiam na separação da resposta impulsiva da medição em pie pratravés do uso de
janelas temporais [96,98]. Nestes casos, ruídos estacionários são utilizados. O problema comum dos métodos de separação é que parecem não levar em conta o fato de que, para um campo acústico composto por ondas esféricas, o coeficiente de reflexão varia com a posição do sensor, o que pode levar a erros de medição.
Os métodos baseados numa formulação do campo acústico são, em geral, uma generalização dos métodos de tubo de impedância, e também possuem uma evolução histórica do menos ao mais complexo. Aparentemente, tais métodos começaram assumindo ondas planas [65, 102, 103], passaram por uma formulação baseada na Seção 3.5 [106, 108], e finalmente chegaram a métodos baseados em algoritmos iterativos [134, 119, 121, 124]. Os algoritmos iterativos são usados para resolver problemas inversos, baseados nas formulações teóricas do termo F (Seção3.4.5), e tentam levar em conta a variação do coeficiente de reflexão com a posição dos sensores. O janelamento temporal também é utilizado neste contexto, mas somente para eliminar reflexões espúrias e não para separar pi e pr. A Fig.38fornece uma linha do tempo qualitativa sobre a
evolução dos métodos de separação temporal e dos métodos baseados em campo acústico.
A maioria dos métodos de medição in situ baseados em algoritmos iterativos apresentada neste capítulo visa a medição de grandes superfícies como gramados próximos a rodovias e, por isso, os trabalhos não se preocupam com o tamanho da amostra medida. Além disso, k0|~r2| ≫ 1,
θ ≈ 90◦ e as amostras podem ser consideradas localmente reativas em
quase todos os casos. Nem sempre este será o caso nesta pesquisa. Os métodos PU e PP, apresentados no Capítulo 6, visam a medição com um sistema portátil para medição em salas, automóveis, etc, o que faz
Figura 38: Linha do tempo da evolução dos métodos de medição de impedância baseados em microfones.
Adicionalmente, usualmente incidência normal é utilizada. A medição de amostras menores, e possivelmente não localmente reativas, também é uma aplicação visada do sistema usado nesta pesquisa. O capítulo seguinte apresenta os métodos PU e PP. O foco aqui é o método PU, e o método PP será usado como comparação. O sensor PU, o método de medição e os algoritmos iterativos baseados na formulação do termo q (Seção3.4.1) serão apresentados.
6 MEDIÇÃO DE IMPEDÂNCIA ACÚSTICA IN SITU
Este capítulo descreve o sensor de medição da velocidade de partícula e a sonda PU, que integra tal sensor a um microfone. A história de sua invenção, seu princípio de transdução, suas características e técnica de calibração para a medição de impedância serão expostos. Adicionalmente, as técnicas de medição de impedância in situ baseadas na sonda PU e em dois microfones (PP) serão também descritas e comparadas aqui, bem como três algoritmos de dedução da impedância de superfície.