ES2291870T3 - Procedimiento y dispositivo para determinar la impedancia de transferencia acustica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de determinación de la impedancia de transferencia acústica Zt entre una primera posición y una posición de escucha de un ser humano que comprende las etapas siguientes: - generar una velocidad volumétrica acústica Q en la posición de escucha, - medir una cantidad de respuesta p en la primera posición resultante de la velocidad volumétrica Q, y - determinar la impedancia de transferencia acústica Zt como la cantidad de respuesta p dividida por la velocidad volumétrica acústica Q, Zt = p/Q, caracterizado porque la velocidad volumétrica acústica Q se genera utilizando un simulador (10) que simula propiedades acústicas de por lo menos la cabeza de un ser humano, comprendiendo el simulador un oído humano simulado (14, 15) con un orificio en la cabeza simulada y una fuente de sonido (30) en el simulador (10) para emitir la velocidad volumétrica acústica Q a través del orificio.
Description
Procedimiento y dispositivo para determinar la
impedancia de transferencia acústica.
La presente invención se refiere a la
investigación de la transmisión del sonido desde una fuente de
sonido, tal como por ejemplo una fuente de ruido, a una posición de
escucha de un ser humano.
La protección del medio ambiente y de los seres
humanos ha adquirido una importancia creciente. Edificios,
automóviles, autobuses, aviones, aparatos domésticos y maquinaria
industrial presentan componentes que generan ruido como artefactos,
motores, engranajes, transmisiones, etc. Para proteger a los
individuos de estos ruidos, se han investigado los componentes que
generan ruido y la trayectoria de transmisión del ruido a un ser
humano con el fin de reducir el ruido generado en la fuente y de
reducir el ruido transmitido desde la fuente a los seres
humanos.
El análisis de las propiedades acústicas del
ruido generado y los medios de transmisión del ruido, como por
ejemplo estructuras mecánicas y aire u otros fluidos es una parte
importante del proceso de reducción del ruido. En estructuras
complejas con alguna fuente de ruidos, como las mencionadas
anteriormente, puede resultar complicado identificar las fuentes de
ruido y las trayectorias de transmisión, así como las respectivas
contribuciones al ruido percibido.
Existen procedimientos informáticos para
analizar las estructuras físicas, y pueden realizarse modelos
matemáticos de las estructuras analizadas. Existen herramientas
acústicas para simular propiedades acústicas de partes de un ser
humano, tales como el tipo simulador de boca 4227, los tipo
simuladores de oídos 4185 y 4195, tipos simuladores de cabeza y
torso 4100 y 4128, todos ellos de Bruel & Kjær Sound and
Vibration Measurement A/S. Todas ellas están pensadas para ser
utilizadas en el análisis del sonido en los diferentes estadios de
su transmisión directa desde la fuente al ser humano.
La función de transferencia del sonido desde una
fuente de sonido a un punto de medición con frecuencia se expresa
como la función de la transferencia acústica o impedancia de
transferencia Z_{t} definida como Z_{t} = p/Q, siendo Q la
velocidad volumétrica desde la fuente de sonido y p es la presión
acústica en el punto de medición resultante de la velocidad
volumétrica generada por la fuente de sonido. En la mayoría de los
casos, los medios de transmisión acústica y mecánica analizados son
recíprocos, los cual significa que la función de transferencia
acústica en la misma tanto para la transmisión directa como para la
transmisión inversa. En otras palabras, si se intercambia la fuente
de sonido y el micrófono de medición, invirtiendo la transmisión
del sonido a través de la estructura, y las condiciones límite no se
modifican, la impedancia de la transferencia acústica no resulta
afectada, es decir, la impedancia de transferencia acústica
"directa" y la impedancia de transferencia acústica
"inversa" son idénticas.
Para efectuar mediciones de la impedancia de
transferencia acústica es necesario conocer la velocidad volumétrica
de la señal acústica de salida. Esto se aplica tanto para las
mediciones en dirección directa como en dirección inversa. Se
conoce la utilización de este hecho al analizar la transmisión del
sonido colocando una fuente de sonido en una posición que
normalmente ocupa un ser humano, es decir, en una posición de
"escucha", y un micrófono en la posición normal de la fuente
de sonido. Esto presenta distintas ventajas al identificar fuentes
de sonido y efectuar el seguimiento del ruido a través de su
trayectoria desde la fuente a la posición de escucha.
Al medir la trayectoria de transmisión directa
puede colocarse en la posición de escucha un simulador de cabeza y
torso tipo 4100 de Bruel & Kjær Sound and Vibration Measurement
A/S, con lo cual pueden obtenerse mediciones muy realistas de la
trayectoria de transmisión directa. No obstante, cuando se mide la
trayectoria de transmisión inversa con la tecnología actual, sigue
utilizándose una fuente de sonido tradicional en la posición de
escucha, y los altavoces tradicionales presentan el inconveniente de
que no simulan ninguna de las propiedades acústicas de un ser
humano. El tipo de simulador de boca 4227 y el tipo de simulador de
torso 4128, ambos de Bruel & Kjær Sound and Vibration
Measurement A/S simulan muy bien respectivamente las propiedades
acústicas de la boca de un ser humano, pero esta propiedad de los
simuladores comercialmente disponibles es irrelevante para las
mediciones que utilizan la trayectoria de transmisión inversa. Por
lo tanto, existe una necesidad de una fuente de sonido para
utilización en tales
mediciones.
mediciones.
El documento DE 2 716 345 da a conocer una
cabeza artificial con dos altavoces incorporados para emitir sonido
estereofónico a través de las dos orejas de la cabeza artificial; en
particular, grabaciones de sonidos estereofónico efectuadas con una
cabeza artificial con micrófonos en los oídos.
La patente US nº 4.631.962 da a conocer un
sistema de medición de cabeza artificial compuesto de cuerpos
geométricos que simulan las propiedades acústicas de una cabeza
humana. En los canales auditorios de la cabeza artificial se
encuentran dispuestos micrófonos. En relación con la presente
invención, el sistema de medición de la cabeza artificial de la
patente US nº 4.631.962 corresponde al anteriormente mencionado tipo
de simulador de cabeza y torsos 4100 de Bruel & Kjær Sound and
Vibration Measurement A/S.
\newpage
El documento JP 07 264632 da a conocer una
cabeza artificial con un par de micrófonos para efectuar grabaciones
de sonido estereofónico y un par de cámaras para efectuar
grabaciones de vídeo estereofónico simultáneamente con las
grabaciones de sonido.
El documento JP 60 254997 da a conocer un
sistema que comprende un maniquí artificial con micrófonos en los
oídos para medir las características de la transferencia acústica,
por ejemplo en un automóvil, utilizando la trayectoria de
transmisión directa.
La invención resuelve este problema utilizando
un simulador que imita las propiedades acústicas de un ser humano,
presentando el simulador según la invención un orificio en la cabeza
simulada que simula un oído del ser humano simulado, y una fuente
de sonido para emitir señales acústicas a través del orificio para
crear un campo acústico alrededor del simulador que simula un campo
acústico alrededor del ser humano.
Este simulador completa la cadena de medición
inversa y puede colocarse en una posición normalmente ocupada por
un ser humano, es decir una posición de "escucha". Las
condiciones límite de la trayectoria de medición "inversa"
siguen siendo idénticas a las de la trayectoria de medición
"directa", quedando garantizada la identidad entre las
mediciones "directa" e "inversa". Se mide la velocidad
volumétrica de la salida del sonido a través del oído u oídos
simulados y uno o más micrófonos de medición miden la presión
acústica resultante en una o más posiciones. A continuación se
calcula la función de la transferencia acústica según la fórmula
indicada anteriormente.
Además, también pueden utilizarse transductores
de vibración tales como acelerómetros en lugar de micrófonos de
medición o en combinación con los mismos. La utilización de
transductores de vibración en una medición de la trayectoria
directa o inversa hace posible medir la función de transferencia
entre la excitación mecánica de una estructura en un punto
específico y el nivel acústico del sonido radiado en una posición de
"escucha" causado por la excitación mecánica.
El simulador de la invención puede presentar uno
o dos orificios que simulan un oído izquierdo y un oído derecho
respectivamente del ser humano simulado y pueden preverse medios
para emitir selectivamente señales acústicas a través de los dos
oídos simulados.
La figura 1 muestra una vista frontal de un
simulador según la invención,
la figura 2 muestra esquemáticamente el
principio de medición para medir el sonido emitido desde un oído
simulado del simulador de las figuras 1 y 3,
la figura 3 muestra esquemáticamente la
disposición del simulador de la figura 1 para proveer emisión de
sonido a través de uno cualquiera de los oídos simulados del
simulador de la figura 1,
la figura 4 muestra esquemáticamente la
disposición en otra forma de realización del simulador de la
invención, y
la figura 5 ilustra el procedimiento de medición
de la invención.
La invención se describe con referencia a las
figuras 1 a 3. En lo sucesivo, para simplificar, todas las
estructuras del simulador que simulan partes del cuerpo humano se
denominan igual que las estructuras anatómicas humanas
correspondientes que simulan. Así, la estructura del simulador que
simula un oído humano se denomina "oído" y no "oído
simulado".
La figura 1 muestra una vista frontal de un
simulador 10 con un torso 11 y un cuello 12 que soportan una cabeza
13. En la cabeza el simulador presenta un oído izquierdo 14 y un
oído derecho 15 cada uno de los cuales se muestra con un pabellón
auricular. Además, la cabeza presenta una nariz 16 y una boca
17.
La figura 3 muestra esquemáticamente el interior
del oído 13 del simulador 10. Dentro del simulador, preferiblemente
en el torso 11 o posiblemente en el cuello 12, se encuentra un
altavoz 30. El altavoz 30 está conectado mediante un conducto 18 a
ambos oídos 14 y 15. El conducto 18 presenta una parte vertical y se
bifurca en forma de "T" en dirección a los oídos. La
bifurcación también puede presentar la forma de "Y" u otra
forma de bifurcación adecuada. En el punto de bifurcación se ha
dispuesto una válvula 19 u otro mecanismo adecuado para dirigir el
sonido desde el altavoz 30 a cualquiera de los oídos izquierdo 14 o
derecho 15. La válvula 19 puede ser accionada manualmente por un
operador o ser controlada eléctricamente por el sistema comprendido
en el recuadro "generador y analizador de señales". Cada
extremo libre de las ramas finaliza con una abertura en el oído
respectivo. En cada una de las ramas se encuentran montados un par
de micrófonos M1, M2 y M3, M4 respectivamente. La cara frontal del
altavoz 30 está acoplada al conducto 18 mediante una cavidad
adaptadora 31 que adapta acústicamente el altavoz 30 al conducto
18. Al conectarlo a una fuente de señales adecuada, el altavoz 30
generará señales acústicas en el interior de la cavidad adaptadora
31, que se propagarán desde allí al interior del conducto 18, y
salen de las ramas del conducto a través de uno de los oídos.
La figura 2 muestra esquemáticamente un sistema
para generar una salida de sonido a través de uno de los oídos del
simulador 10, como muestra la figura 3, y para medir la velocidad
volumétrica de la salida de sonido. El sistema comprende el altavoz
30, la cavidad adaptadora 31, el conducto 18 y los dos micrófono M1
y M2. Normalmente, los micrófonos M1 y M2 se encuentran situados en
el conducto 18 a distancias de 2 cm y 4 cm respectivamente
del extremo exterior libre del conducto; estas distancias dependen
de la frecuencia superior de interés. Instrumentos que comprenden
en particular un generador y un analizador de señales, los cuales,
por razones de simplicidad, se muestran como un sólo bloque, generan
una señal eléctrica que se suministra al altavoz 30, el cual genera
una señal sonora correspondiente a la señal eléctrica procedente del
generador. La señal sonora así generada se propaga a través de la
cavidad adaptadora 31 por el conducto 18 y sale por el extremo
libre del conducto, es decir a través del oído izquierdo 14 del
simulador. Los dos micrófonos M1 y M2 están situados en el conducto
a distancias bien definidas entre ellos y del extremo exterior libre
del conducto 18. Los micrófonos M1 y M2 pueden colocarse en el
conducto o, como se indica en las figuras, en la pared del conducto
con su elemento sensible al sonido sustancialmente nivelado con la
pared del conducto. En el caso de micrófonos electrostáticos, su
diafragma es el elemento sensible al sonido. Cada uno de los
micrófonos emite una señal eléctrica como respuesta a la presión
acústica que actúa sobre su elemento sensible al sonido. En el caso
de micrófonos electrostáticos será necesario disponer de un
preamplificador o transformador de impedancia inmediatamente
después del elemento sensible al sonido. Las señales de salida de
los micrófonos, o de sus preamplificadores, se introducen en el
analizador, el cual analiza las señales recibidas de los micrófonos.
Basándose en las presiones acústicas medidas simultáneamente por
los dos micrófonos puede evaluarse la velocidad volumétrica en la
abertura del canal del oído a frecuencias en las cuales sólo se
propagan ondas planas en el canal del oído.
Puede colocarse un micrófono de medición Mm en
cualquier lugar y particularmente en posiciones en las cuales se
desee medir el sonido propagado desde el simulador. El micrófono de
medición Mm emite una señal eléctrica que representa la presión
acústica en su ubicación. La señal del micrófono de medición Mm es
analizada, por ejemplo como se muestra en la figura, en el bloque
que representa el generador y el analizador de señales. En lugar de
un micrófono de medición Mm pueden utilizarse varios micrófonos de
medición y/o transductores de vibraciones.
La figura 4 muestra una forma de realización más
sencilla de la invención en la cual el conducto 18 no se bifurca
hacia ambos oídos sino solamente al oído izquierdo 14. En este caso,
en lugar de dos micrófonos de medición se utiliza un solo micrófono
de medición M1. El micrófono de medición M1 único se coloca en el
extremo exterior del conducto 18 o cerca del mismo, donde se
acostumbra a medir la presión acústica. Se trata de un sistema más
sencillo, que no ofrece la posibilidad de medir directamente la
velocidad volumétrica del sonido de salida, pero si se suponen
condiciones de campo libre puede realizarse un cálculo
aproximado.
La figura 5 ilustra la utilización del simulador
en el procedimiento según la invención. El simulador 10, como se ha
descrito anteriormente, se coloca en la cabina de pasajeros 40 de un
automóvil, en el que el simulador puede situarse en el asiento del
conductor o en un asiento de pasajero. Puede utilizarse un sistema
similar para mediciones, por ejemplo, en un avión, donde el
simulador se coloca en un asiento de pasajero o en un asiento
destinado a un miembro de la tripulación. Los instrumentos
comprendidos en el bloque "generador y analizador de señales"
pueden colocarse en cualquier ubicación conveniente en el interior o
en el exterior del automóvil o el avión. Uno o más micrófonos de
medición Mm se colocan en posiciones dentro o fuera de la cabina 40
y se conectan al analizador. Las posiciones reales de los micrófonos
de medición Mm se seleccionan como posiciones que deben ser
examinadas respecto a su posible contribución al nivel de ruido en
la posición de escucha ocupada por el simulador. Un operador puede
mover los micrófonos de medición a lugares de interés o pueden
instalarse los micrófonos en posiciones predefinidas. Se suministran
las señales de excitación eléctrica al altavoz 30 en el simulador y
se emiten señales acústicas correspondientes a través de cualquiera
de los oídos 14, 15. Por medio del par de micrófonos M1 y M2 o M3 y
M4 se miden un par de presiones acústicas en cada canal auditivo.
En el analizador, el par medido de presiones acústicas se procesa y
se extrapola para obtener la velocidad volumétrica salida del oído
del simulador, es decir en el extremo exterior del canal auditivo.
El micrófono de medición, o cada uno de los micrófonos de medición
Mm emite una señal eléctrica que representa el nivel de presión
acústica p en su ubicación respectiva, y el analizador realiza el
cálculo de la Z_{t} = p/Q entre la posición de escucha, es decir,
el oído del simulador, y la posición de cada uno de los micrófonos
de medición Mm. El analizador es preferiblemente un analizador SSR
(respuesta en estado estacionario) o FFT digital que utiliza
algoritmos digitales.
Las señales de excitación eléctrica para el
altavoz 30 del simulador pueden ser cualquier señal adecuada que
incluya sinusoides puras, sinusoides en forma de diente de sierra,
sinusoides de frecuencia escalonada, o las señales de excitación
pueden ser señales aleatorias o seudoaleatorias, incluyendo señales
de banda ancha, señales de banda estrecha o señales de banda ancha
en forma de espectro. Pueden utilizarse tanto señales en estado
estacionario como transitorias.
En lugar de uno más micrófonos de medición Mm
pueden utilizarse unos sensores de vibraciones tales como
acelerómetros para captar las vibraciones estructurales resultantes
del sonido generado por el simulador. En este caso la impedancia de
transferencia se encuentra normalmente entre la velocidad de
vibración estructural (unidad: ms^{-1}) y la velocidad
volumétrica acústica (unidad: m^{3}s^{-1}), y la unidad de
impedancia de transferencia será m^{-2}.
\newpage
En el analizador pueden utilizarse
procedimientos de reducción del ruido. Tales procedimiento
comprenden la utilización de filtros de frecuencias fija y de
pasabanda sintonizables, análisis de correlaciones, etc., todos los
cuales son conocidos en la técnica y no forman parte de la
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
[1] Leo L. Beranek: Acoustics,
McGraw-Hill Book Company, 1954, Library of
Congress Catalog Card Number 53-12426, ISBN
07-004835-5, páginas
8-15 y 40-46.
[2] Brüel & Kjær Technical
Review nº 3-1982, páginas 3-39.
[3] Brüel & Kjær Technical
Review nº 4-1982,páginas 3-32.
[4] Brüel & Kjær Technical
Review nº 4-1985, páginas 3-31.
Claims (11)
1. Procedimiento de determinación de la
impedancia de transferencia acústica Z_{t} entre una primera
posición y una posición de escucha de un ser humano que comprende
las etapas siguientes:
- -
- generar una velocidad volumétrica acústica Q en la posición de escucha,
- -
- medir una cantidad de respuesta p en la primera posición resultante de la velocidad volumétrica Q, y
- -
- determinar la impedancia de transferencia acústica Z_{t} como la cantidad de respuesta p dividida por la velocidad volumétrica acústica Q, Z_{t} = p/Q,
caracterizado porque la velocidad
volumétrica acústica Q se genera utilizando un simulador (10) que
simula propiedades acústicas de por lo menos la cabeza de un ser
humano, comprendiendo el simulador un oído humano simulado (14, 15)
con un orificio en la cabeza simulada y una fuente de sonido (30) en
el simulador (10) para emitir la velocidad volumétrica acústica Q a
través del orificio.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el simulador simula la cabeza (13) y el torso (11) de un ser
humano.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el simulador comprende una fuente de sonido (30) en el
interior del simulador y un par de micrófonos (M1, M2; M3, M4)
dispuestos para medir un par de presiones acústicas en un canal
(18) que conduce desde la fuente de sonido al orificio, y en el que
el procedimiento comprende asimismo la determinación de la
velocidad volumétrica Q basándose en el par de presiones
acústicas.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la cantidad de respuesta es presión acústica.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la cantidad de respuesta es velocidad de vibración o
aceleración de vibración.
6. Simulador (10) para su utilización con el
procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 y que
simula propiedades acústicas de por lo menos la cabeza de un ser
humano, comprendiendo el simulador un oído humano simulado (14, 15)
con un orificio en la cabeza simulada y una fuente de sonido (30) en
el simulador (10) para emitir la velocidad volumétrica acústica Q a
través del orificio.
7. Simulador (10) según la reivindicación 6, en
el que el simulador simula la cabeza (13) y el torso (11) de un ser
humano.
8. Simulador (10) según la reivindicación 6, en
el que el simulador comprende dos orificios que simulan un oído
izquierdo (14) y un oído derecho (15) respectivamente del ser humano
simulado.
9. Simulador según la reivindicación 8, en el
que se disponen unos medios (19) para emitir selectivamente señales
acústicas a través del oído izquierdo simulado (14) o a través del
oído derecho simulado (15).
10. Simulador según la reivindicación 6, en el
que el simulador comprende unos medios (M1, M2; M3, M4) para medir
el sonido emitido desde los oídos simulados (14, 15).
11. Simulador según la reivindicación 10, en el
que los medios para medir la salida de sonido de los oídos
simulados (14, 15) comprenden un par de micrófonos (M1, M2; M3, M4)
para medir la velocidad volumétrica del sonido de salida.
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