Desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de funções de transferência entre microfone e fonte sonora
With advancements in signal processing technology and in the computational capabilities of equipment, new technologies can be implemented in the analysis of room acoustics. Using a robotic arm to position a microphone in the space, a virtual automated microphone array can be formed more flexibly tha...
| Autor principal: | Carvalho, Augusto Cesar Fantinelli de |
|---|---|
| Formato: | Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2022
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28012 |
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riut-1-280122022-04-14T06:07:53Z Desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de funções de transferência entre microfone e fonte sonora Design of an automated system for room transfer function measurement Carvalho, Augusto Cesar Fantinelli de Gomes, Márcio Henrique de Avelar Laus, Luis Paulo Gomes, Márcio Henrique de Avelar Laus, Luis Paulo Fonseca, William D'Andrea Rosa, Marcelo de Oliveira Engenharia acústica Microfone Sistemas lineares invariantes no tempo Ondas sonoras Acoustical engineering Microphone Linear time invariant systems Sound-waves CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS With advancements in signal processing technology and in the computational capabilities of equipment, new technologies can be implemented in the analysis of room acoustics. Using a robotic arm to position a microphone in the space, a virtual automated microphone array can be formed more flexibly than a rigid array. The application of this type of array to perform room impulse response measurements allows for the measurement and analysis of characteristics of the room, which in turn produce a better understanding of its behaviour and the factors that influence it. Given the linearity and time-invariance characteristics of acoustic systems and using already established tools and methods, the objective is to develop a system capable of reproducing an automated microphone array. The transducer’s positioning is done using a robotic arm and the room impulse response is measured using the deconvolution method. Initially, the main application of this system is to calculate and analyse the wavenumber spectrum of the room’s sound field. Due to the robot’s specifications, the system also could inform about positions that may not be achieved by the robot, by calculating and verifying its inverse kinematics. The proposed architecture is of a MATLAB controlled system that sends commands to the robot through serial communication and performed transfer function measurements through a sound interface. The measurements use an appropriate transducer that is held by the robot using a 3-D printed holder. A support library for the communication and inverse kinematics has been developed. The designed arrays were unidirectional and source-pointing spherical arrays and unidirectional random position arrays. Tests were conducted in a common room, in which the parts and integration were verified. Thus, the achieved system has been able to acquire data for reverberation time, Schroeder’s frequency and critical distance analysis, assuming a lightly damped environment. The analysis reveal coherence with statistic acoustics theory. The system was used to measure the room impulse responses for its normal (light) damping condition and with a 10,8 m2 glass wool absorbing sample. The wavenumber spectrum and the surface absorption for the damped environment were calculated. It can be verified between 500 Hz and 2 kHz that there are spurious reflections, possibly due to the irregular nature of the room’s surfaces. The absorption of the glass wool calculated using the wavenumber domain showed an erratic behaviour but tending towards the behaviour of a porous material absorber. The comparison between a reconstructed RTF for a certain microphone position and a measured RTF in the same position reveals that the plane wave decomposition was successful. Com os avanços na tecnologia de processamento de sinais e na capacidade computacional de equipamentos, pode-se implementar novas tecnologias na análise da acústica de recintos. Utilizando-se de um braço robótico para posicionar um microfone, pode-se formar um arranjo virtual de microfones automatizado de maneira mais flexível do que um arranjo fixo. A utilização desse arranjo para realizar medições da resposta ao impulso da sala possibilita a medição e análise de caraterísticas do recinto, que por sua vez fornecem um maior entendimento sobre seu comportamento e sobre os fatores que o influenciam. Dadas as características de linearidade e invariância no tempo de sistemas acústicos e lançando mão de métodos e ferramentas já conhecidos e estabelecidos, objetivou-se o desenvolvimento de um sistema capaz de reproduzir um arranjo automatizado de medição. O posicionamento do microfone é feito utilizando o braço robótico e a medição de resposta ao impulso se dá pelo método da deconvolução. Inicialmente, a principal aplicação do sistema seria no cálculo e análise do espectro do número de onda do campo acústico da sala. Devido às características construtivas do robô, o sistema também deve informar a possibilidade da reprodução completa do arranjo, por meio da verificação da cinemática inversa do robô. A arquitetura proposta é a de um sistema controlado via MATLAB que comanda o robô por meio de comunicação serial e realiza as medições de funções de transferência por meio de uma interface de som. As medições utilizam um microfone apropriado para medição que é fixado ao robô por um suporte fabricado por impressão 3-D. Desenvolveu-se uma biblioteca de suporte a comunicação entre o MATLAB e o robô e verificação da possibilidade da formação de arranjos esféricos unidirecionais e direcionados a fonte, e arranjos aleatórios unidirecionais. Testes foram conduzidos em um recinto comum (um laboratório da UTFPR Câmpus Ecoville), nos quais se verificou o funcionamento das peças mecânicas e a integração entre computador e máquina. Dessa maneira, o sistema foi capaz de extrair dados para análise de tempo de reverberação, frequência de Schroeder e distância crítica do campo sonoro assumindo a sala como levemente amortecida. As análises revelaram concordância com a teoria de acústica estatística. O sistema foi utilizado para a coleta de respostas ao impulso da sala em seu estado normal de amortecimento e para a sala com uma amostra de 10,8 m2 de lã de vidro. O espectro do número de onda e a absorção da superfície do caso com amostra de lã de vidro foram calculados. Verifica-se entre 500 Hz e 2 kHz que existem reflexões de origens espúrias em decorrência da natureza irregular das superfícies da sala. A absorção da lã de vidro calculada pelo espectro do número de onda apresentou um comportamento errático mas, de modo geral, se comporta como um absorvedor de material poroso. A comparação entre uma função de transferência da sala reconstruída pelo arranjo em um ponto e a função de transferência diretamente medida nesse mesmo ponto revela que a decomposição em ondas planas foi bem sucedida. 2022-04-13T18:24:53Z 2022-04-13T18:24:53Z 2021-08-23 bachelorThesis CARVALHO, Augusto Cesar Fantinelli de. Desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de funções de transferência entre microfone e fonte sonora. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28012 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Engenharia Mecatrônica UTFPR |
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With advancements in signal processing technology and in the computational capabilities of equipment, new technologies can be implemented in the analysis of room acoustics. Using a robotic arm to position a microphone in the space, a virtual automated microphone array can be formed more flexibly than a rigid array. The application of this type of array to perform room impulse response measurements allows for the measurement and analysis of characteristics of the room, which in turn produce a better understanding of its behaviour and the factors that influence it. Given the linearity and time-invariance characteristics of acoustic systems and using already established tools and methods, the objective is to develop a system capable of reproducing an automated microphone array. The transducer’s positioning is done using a robotic arm and the room impulse response is measured using the deconvolution method. Initially, the main application of this system is to calculate and analyse the wavenumber spectrum of the room’s sound field. Due to the robot’s specifications, the system also could inform about positions that may not be achieved by the robot, by calculating and verifying its inverse kinematics. The proposed architecture is of a MATLAB controlled system that sends commands to the robot through serial communication and performed transfer function measurements through a sound interface. The measurements use an appropriate transducer that is held by the robot using a 3-D printed holder. A support library for the communication and inverse kinematics has been developed. The designed arrays were unidirectional and source-pointing spherical arrays and unidirectional random position arrays. Tests were conducted in a common room, in which the parts and integration were verified. Thus, the achieved system has been able to acquire data for reverberation time, Schroeder’s frequency and critical distance analysis, assuming a lightly damped environment. The analysis reveal coherence with statistic acoustics theory. The system was used to measure the room impulse responses for its normal (light) damping condition and with a 10,8 m2 glass wool absorbing sample. The wavenumber spectrum and the surface absorption for the damped environment were calculated. It can be verified between 500 Hz and 2 kHz that there are spurious reflections, possibly due to the irregular nature of the room’s surfaces. The absorption of the glass wool calculated using the wavenumber domain showed an erratic behaviour but tending towards the behaviour of a porous material absorber. The comparison between a reconstructed RTF for a certain microphone position and a measured RTF in the same position reveals that the plane wave decomposition was successful. |
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2022 |
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CARVALHO, Augusto Cesar Fantinelli de. Desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de funções de transferência entre microfone e fonte sonora. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
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