Toolbox educacional para simulação de fontes sonoras estáticas e em movimento

Educational toolbox for simulating static and moving sound sources

Gomes, L. M. Engenharia Acústica, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, lucas.gomes@eac.ufsm.br
Fonseca, W. D’A. Engenharia Acústica, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, will.fonseca@eac.ufsm.br
Mello, F. R. Engenharia Acústica, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, felipe.mello@eac.ufsm.br
Mareze, P. H. Engenharia Acústica, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, paulo.mareze@eac.ufsm.br

Resumo

No ensino e pesquisa em acústica, frequentemente, tem-se como objeto de estudo medições de fontes sonoras e processamento dos sinais dos áudios obtidos. Porém, em várias circunstâncias essas medições não são possíveis de serem realizadas, ocasionando assim a falta dos dados para o estudo, o que pode, eventualmente, resultar em um desinteresse do estudante com o tema. Desse modo, este trabalho apresenta um toolbox (conjunto de códigos e funções), desenvolvidos em Matlab (linguagem de programação interpretada), para geração de dados simulados similares às situações de medições de fontes sonoras, sejam elas estáticas ou em movimento. A ideia principal do trabalho é a de permitir a construção desses dados sintéticos com diversas alternativas, tais como, ruído de banda larga, ruído de banda estreita (filtrado), tonais ou ainda, a partir de uma faixa de áudio real e estática, colocá-la virtualmente em movimento. Logo, o Efeito Doppler será incluído, dependendo da velocidade entre fonte e receptor. Na utilização do toolbox para a geração de fontes sonoras em movimento, os dados criados podem ser usados, por exemplo, no estudo de técnicas de processamento para sinais transientes, como espectrograma, janelamento temporal, estimativa de frequência instantânea, técnicas de dedoplerização, análise com ondaletas, método de Welch, entre outros. O toolbox viabiliza a escolha de diferentes tipos de receptores, podendo se estabelecer manualmente posições e quantidade de relações fonte-receptor. Além disso, pode-se gerar também arranjos de receptores, com geometrias pré-estabelecidas (como espiral, circular, linear, entre outras), possibilitando assim, sua aplicação no estudo de técnicas de imageamento acústico, por exemplo. No artigo, encontra-se um pequeno tutorial passo a passo, ensinando como iniciar e desenvolver seus próprios sinais. Esta iniciativa nasceu na Engenharia Acústica (EAC) da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), sendo de livre uso para comunidade, discentes e docentes.

Palavras-chaves:  
simulação experimental
,
efeito doppler
,
arranjo de microfones
,
processamento digital de sinais.

Abstract

In acoustics teaching and research, the study object is frequently measurements of sound sources and the obtained audio signals processing. However, in several situations, such measurements cannot be held leading to a lack of data to study, which in turn can result in students becoming disinterested in the theme. Thus, this work presents a toolbox developed in Matlab for the generation of simulated data similar to sound source measurements, being the source static or in movement. The work's main idea is to allow for the construction of the synthetic data by considering various alternatives, such as broadband noise, narrowband noise, tones, or, from a static real audio signal, virtually putting it in motion. Therefore, the Doppler Effect is included according to the velocity between the source and receiver. When using the toolbox for generating moving sound sources, the created data can be used, for example, in studying processing techniques for transient signals, such as the spectrogram, time windowing, instantaneous frequency estimation, dedopplerization techniques, wavelet analysis, and Welch's method, and others. The toolbox allows for choosing different receiver types, being possible to define positions and the number of source-receiver relations. Furthermore, it is possible to create receiver arrays using pre-defined geometries (spiral, circular, linear, and others), thus allowing their application in the study of acoustic imaging techniques, for example. This article is a brief tutorial showing how to create and design your own signals. This initiative was born in the Acoustical Engineering Program (EAC) at the Federal University of Santa Maria, its use being free for the community, students, and professors.

Keywords:  
measurement simulation
,
doppler effect
,
microphone array
,
digital signal processing.

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Publicado em:
01/09/2022