PEDRO DE ALCÂNTARA NETO - TELEFONIA NOÇÕES FUNDAMENTAIS DE ACUSTICA

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1 CAPÍTULO PRIMEIRO NOÇÕES FUNDAMENTAIS DE ACÚSTICA Introdução Em uma comunicação telefônica é necessário o conhecimento do som, da Voz e da audição. O emissor telefônico converte as ondas sonoras da voz em impulsos elétricos que são transmitidos através das linhas de fios até o receptor do telefone distante. Por outro lado o receptor deve converter estes impulsos elétricos em ondas sonoras capazes de serem reconhecidas pelo ouvinte. Além disso, devem ser considerados os ruídos ambientais que podem penetrar no emissor ou interferir na audição do ouvinte. Portanto a telefonia tem por finalidade a transmissão da voz humana, que é transformada em energia elétrica e, após a sua devida amplificação é conduzida por meio de linhas físicas ou por meio de enlaces, ao ponto de destino, onde é novamente transformada em energia sonora. Natureza do Som Objetivamente o som é um movimento físico ondular produzido por vibrações mecânicas, propagandose por meio de ondas de pressão, transferindo uma certa energia de um ponto a outro e que se atenua ao longo do percurso devido às perdas por efeito Joule nos sucessivos choques intermoleculares. Subjetivarnente o som é a sensação produzida nos órgãos de audição. O som é um movimento ondular produzido por meio de vibrações periódicas. Ele pode ser simples ou complexo. Os sons simples são aqueles correspondentes a uma vibração harmônica, enquanto os sons complexos são constituídos por um tom fundamental acompanhado de um ou mais harmônicos. Por ruído, entende-se todo o som produzido por meio de vibrações não periódicas. Intensidade, Altura e Timbre Sonoro A voz é caracterizada por três parâmetros básicos: 1. Volume ou intensidade sonora, 2. Altura do som, 3. Timbre sonoro. O Volume ou Intensidade Sonora é a qualidade pela qual um som é julgado mais forte ou mais fraco. O volume sonoro que chega ao ouvido é função do nível emitido pelo locutor, pela atenuação sofrida no percurso entre a boca e o ouvido e da sensibilidade auditiva. Quando os sons são da mesma freqüência, a intensidade sonora é proporcional somente à potência acústica. Quando as freqüências são diferentes, a intensidade sonora varia também com a freqüência pois a sensibilidade do ouvido humano varia com a mesma. Considerando a faixa de voz média e a pressão acústica média igual a 1 Pascal (94 db SPL) ou ainda 1 N/m 2, a perda no primeiro metro de ar é cerca de 30 db, aumentando 6 db cada vez que a distância dobra. Já para o ouvido humano uma seqüência de sons com potências acústicas variando na razão de 1:10:100 faz com que a sensação auditiva varia na razão de 1:2:3. No presente exemplo a relação de potências corresponde a uma variação de 10 db, o que significa que o ouvido reconhece mesmas razões de potência como aumentos iguais de nível ou volume sonoro, o que indica um comportamento logarítmico. A Altura do Som é a qualidade pela qual se distingue um som mais grave de um som mais agudo quando comparados. É numericamente igual ao número de vibrações por unidade de tempo (freqüência). A freqüência é medida em vibrações por segundo usando-se o Hertz (1 Hz = 1 vibração por segundo). A faixa de freqüência audível é de aproximadamente 20 Hz a Hz. As freqüências abaixo de 20 Hz são denominadas infra-sons e acima de Hz de ultra-sons. A freqüência que chega ao ouvido não é influenciada pelo meio, excetuando-se o caso em que a parte sonora se desloca com velocidade e a freqüência depende do número de vibrações por segundo que alcançam o ouvido (efeito Doppler). Com relação à altura do som o ouvido também apresenta um comportamento logarítmico e as diferenças de freqüências são apreciadas segundo uma progressão geométrica. Assim, três notas de freqüências de 500 Hz, Hz e Hz, emitidas sucessivamente, são sentidas pelo ouvido humano na razão de 1:2:4, isto é, apesar das diferenças entre elas serem crescentes, o ouvido humano sente Hz como freqüência dupla de 500 Hz e Hz como freqüência dupla de Hz. Tal relação de freqüências denomina-se de oitava. Em telefonometria utiliza-se a escala de oitavas, terços de oitaves e suas respectivas freqüências centrais para a determinação de respostas de 1

2 freqüência, distorção harmônica ou índices de sonoridade de emissão, recepção e efeito local de aparelhos telefônicos. Para a determinação do Índice de Sonoridade são em geral utilizados 14 ou 20 terços de oitava dentro da faixa de voz analisada. O Timbre Sonoro é a característica que permite distinguir sons de mesma altura e de mesma intensidade, produzidos por diferentes fontes sonoras. O timbre é uma função das freqüências harmônicas que compõem um determinado som, sendo uma qualidade inerente dos sons complexos. Pelo timbre consegue-se identificar os instrumentos musicais quando neles é tocada a mesma nota musical assim como se consegue identificar a voz do locutor telefônico distante que está falando. Na transmissão telefônica é fundamental a preservação da fidelidade original da voz e do som, não somente mantendo as freqüências e as amplitudes, já presentes no som, com os seus valores originais, mas também evitando a introdução de sinais de ruído espúrios e permanentes no canal de transmissão telefônica. Os harmônicos são múltiplos inteiros da freqüência fundamental. As amplitudes relativas e as relações de fases destes componentes diferem entre si. Quando uma freqüência não for harmônico exato da freqüência fundamental e for aplicada indiscriminadamente à faixa de voz, denomina-se de ruído. Em telefonia o timbre permite identificar a voz da pessoa que fala. Para esta característica são responsáveis basicamente as baixas freqüências, que também são as principais responsáveis pelo nível sonoro. A fim de melhorar a identificação da voz do locutor, também denominada naturalidade, está sendo proposto ao ITU-T reduzir o limite inferior da faixa de voz para 200 Hz. Na transmissão telefônica os maiores ofensores da qualidade da voz transmitida são os atuais emissores de carvão dos aparelhos telefônicos e as características das linhas de assinante, que introduzem a distorção harmônica e a distorção de atenuação. Outros fatores de degradação são os ruídos de linha e o ruído ambiental, a diafonia, o efeito local, as interferências eletromagnética e capacitiva e as perdas de nível, para citar as principais. Pressão e Nível Acústicos A intensidade sonora depende da pressão acústica e da impedância acústica do meio. É dada pela expressão: I = P 2 / Z onde: I = Intensidade sonora, P = valor eficaz da pressão sonora, Z = impedância acústica, Z = dv onde: d = densidade do meio, v = velocidade de propagação de onda. A expressão da intensidade sonora tem analogia com a expressão da potência elétrica onde: P = V 2 /R. Ao ar livre a pressão atmosférica, a 20ºC, é de aproximadamente 41,5 g/cm 2 e portanto I = 2, p 2 (sistema CGS). O ouvido humano é insensível abaixo de um certo nível de potência sonora e, em virtude das transmissões telefônicas apresentarem perdas, é necessário conhecer o nível mínimo de potência sonora audível para fins de projeto. Na freqüência de Hz a mínima intensidade, audível é de aproximadamente W/cm 2, mas para fins de normalização é adotado o nível de W/cm 2. Então, partindo da relação I = 2, p 2, a pressão mínima será: p = dina/cm 2 = bar = microbar, valor este tomado como pressão de referência. Atualmente é adotado o Pascal como unidade de pressão acústica, definido por: 1N 10 dinas Pa = = 10µ bar = = 94dB( SPL) 2 m cm 1 2 Logo, o som mais fraco escutado por um ouvido humano é 20 milionésimos de 1 Pascal (ou 20 micropa), que corresponde a 5x10-9 da pressão atmosférica normal. Uma variação de 20 micropa é tão pequena que deflete a membrana do tímpano menos do que o diâmetro de um átomo. Por outro lado o ouvido humano pode tolerar pressões mais de um milhão de vezes mais fortes. Este comportamento do ouvido humano originou o emprego de uma escala logarítmica expressa em db acústicos, originalmente denominados db (SPL) (SPL significa "Sound Pressure Level"), a fim de não confundir com o db elétrico. A escala em decibel utiliza o limiar de audibilidade de 20 micropa como ponto de partida ou pressão de referência, definido como 0 db. Toda vez que a pressão acústica em Pa for multiplicada por 10, adiciona-se 20 db ao nível em db e portanto 20 micropa correspondente a 20 db acústicos, 200 micropa corresponde a 2

3 40 db e assim por diante. Portanto a escala em db comprime 1 milhão para uma faixa de 120dB. A figura 1.1 mostra os níveis de pressão acústica em db (SPL) para vários sons familiares, expressos em db e em Pa. Convêm notar que 1 Pa 94 db (SPL), que o valor hoje adotado como nível médio de voz humana, medido a 25 mm do ponto virtual dos lábios. Este detalhe particular faz com que as especificações modernas de terminais telefônicos refiram os níveis de teste a esta referência, como p. ex db rel. 1 Pa ou 15 db rel. 1 Pa. Por outro lado o db proporciona uma aproximação bem melhor à percepção humana quanto ao nível relativo de sonoridade, considerando que 1 db é a menor variação sonora detectável pelo ouvido humano. Um aumento de 6 db dobra a pressão acústica apesar de que um aumento de 10 db faça com que a sensação sonora seja o dobro. Logo o nível sonoro é a amplitude de uma sensação sonora que depende da intensidade acústica, da freqüência e da sensibilidade auditiva do ouvinte para essa freqüência. A energia da onda sonora é medida geralmente em função da intensidade de voz do locutor a um metro da boca do mesmo. Esta condição de conversação entre 2 pessoas distantes 1 metro uma da outra, constitui a base dos sistemas telefonométricos subjetivos adotados nas medidas telefonométricas. Nestas medidas a avaliação de perdas e de ganhos de um sistema telefônico comercial comparado com o padrão é feita com base em decibéis acústicos relativos a 2 x 10-4 microbar ou relativos a 20 micropa. Nos sistemas telefonométricos objetivos utiliza-se conceitos FIGURA 1 1 semelhantes. Voz e Audição Na voz humana ocorrem freqüências entre 100 Hz e Hz. Cada tom de voz consiste de vários componentes simultâneos de freqüências. Os componentes de uma vogal representam harmônicos de certa freqüência fundamental, em torno de 125 Hz para o homem e de 250 Hz para a mulher. O posicionamento dos lábios e da língua provoca ressonâncias nas cavidades bucal e nasal que podem ressaltar certos harmônicos em certas regiões, enquanto são suprimidos em outras. As vogais são responsáveis pela maior parte da energia de voz. A potência média da voz pode variar bastante de pessoa para pessoa, mas é muito baixa; é em torno de 10 microwatt para uma voz normal. Em um grito ela pode atingir 1 a 2 miliwatt e num sopro pode cair para 0,001 rnicrowatt. Em uma conversação normal a pressão acústica média à 25 mm da boca é, a grosso modo, igual a 1 Pascal (10microbar) e a 1 metro de distância é aproximadamente igual a -30 db rel 1 Pa. Os sons consoantes são caracterizados pela presença de componentes de freqüências mais altas. Sob ponto de vista prático verificou-se que um sistema telefônico apresenta desempenho excelente quando a sua faixa passante abrange de 100 Hz a Hz. Por motivos econômicos, a faixa de freqüências na telefonia comercial situa-se entre 300 Hz e Hz. O mecanismo de audição humana constitui o juiz final dos resultados de um sistema de comunicação telefônica. A resposta de freqüência do ouvido, em uma pessoa jovem, varia de 20 Hz a Hz. Com a idade esta faixa diminui, podendo chegar a Hz aos 50 anos de idade. Para ser ouvido, o som deve ter um nível mínimo chamado limiar de audibilidade. Este limiar varia com a freqüência, sendo que a maior sensibilidade fica em torno de 3 khz. O volume, isto é, a intensidade da sensação auditiva interpretada subjetivamente, aumenta com a intensidade sonora. Para ser sentida em volume, a intensidade tem de variar cerca de 25% em potência, ou seja 1 d B. A menor variação de freqüência capaz de ser detectada por uma pessoa é de cerca de 0,1% a Hz, com um nível adequado. Em freqüências ou níveis menores, as variações terão de ser maiores para serem detectadas. Faixa de Freqüência Emitida e Recebida Para a transmissão natural da voz humana é necessária a faixa de 80 Hz a Hz. Essa faixa relativamente grande exige equipamentos dispendiosos. A telefonia como meio comercial procura uma solução mais econômica. O fator importante, considerado como critério básico é a inteligibilidade da fala e não a naturalidade. Verifica-se assim que, para se obter uma boa inteligibilidade, é suficiente uma faixa menor, podendo-se usar equipamentos mais econômicos. A figura 1.2 mostra o percentual de inteligibilidade de sílabas e de frases em função da largura da faixa de freqüências, estabelecida com auxílio de filtros passa-baixa e passa-alta. Observa-se que a inteligibilidade de frases completas é bem melhor do que de sílabas. Para a inteligibilidade silábica, a tabela 3

4 1 a seguir, mostra o percentual de sílabas entendidas corretamente em função de freqüências de corte superiores e inferiores, indicando que a inteligibilidade aumente com a maior presença de altas freqüências e que para um corte de freqüências abaixo de 500 Hz (faixa de 500 Hz a Hz) a inteligibilidade silábica atinge 95%. Por outro lado observa-se na figura 1.2 que para uma inteligibilidade silábica de 60% FIGURA 1.2 corresponde uma inteligibilidade de frases de 95% de modo que valores acima de 80% são considerados bons. A figura 1.2, também mostra que freqüências abaixo de 300 Hz não influem na inteligibilidade, ao passo que acima de Hz ela aumenta muito pouco. A inteligibilidade de frases completas atinge praticamente 100% já com Hz. Limite / freq. Hz superior % inferior % Tabela 1 Com base nestes resultados o ITU-T fixou como norma internacional, a transmissão da faixa de 300 Hz a Hz para fins de telefonia, valores esses que garantem 87% de inteligibilidade de silabas e praticamente 100% de inteligibilidade de frases completas. Intensidade da Voz Um outro fator importante que influencia muito a inteligibilidade da voz e o volume ou intensidade. Para isso são necessários alguns conhecimentos de acústica e da capacidade de audição do ouvido humano. FIGURA 1.3 FIGURA 1.3 A sensibilidade do ouvido humano varia com a freqüência. Como já foi visto,existe um mínimo de intensidade sonora, abaixo da qual o som se torna inaudível. Como já foi visto anteriormente, o "limiar de 4

5 audibilidade" para uma freqüência de Hz é de W/cm 2, que corresponde a uma pressão sonora de microbar ou 20 micropa. Por convenção internacional este valor a Hz foi fixado como nível zero da escala de intensidade de som, denominada escala FON. O valor de zero FON corresponde a intensidade de um som de qualquer freqüência que, comparado com o som de Hz e a pressão acústica de 2x10-4 microbar, da subjetivamente a impressão de mesma intensidade. Então um valor de 10 db acima de 0 FON será considerado 10 FON. Assim como existe o "limiar de audibilidade", existe o "limiar de dor", considerado igual a 120 FON, onde a pressão do ar causa dor no ouvido e não é mais percebida como som. A intensidade sonora subjetiva, audibilidade ou sonoridade varia com a freqüência de uma forma tal, que ainda não foi possível instituir uma lei capaz de exprimir a relação entre a audibilidade e a freqüência. Foram realizados testes com varias pessoas, submetidas alternadamente a um som de intensidade e freqüência arbitrárias, porem conhecidas, comparando-o a seguir com um som de Hz, cuja intensidade era ajustada até que o ouvinte considerasse ambas as fontes sonoras com igual sonoridade. O resultado dessas experiências é mostrado no gráfico da figura 1.3. Essas curvas são conhecidas como Curvas Isofônicas, ou seja, de igual sonoridade. Por exemplo, um som de 40 Hz com nível sonoro de 60 db tem a mesma sonoridade (10 FON) que um som de Hz de 10 db. Observando-se a figura 1.3, conclui-se que o ouvido humano apresenta sensibilidade máxima na faixa de freqüências entre Hz e Hz. A medida em FON permite a comparação de sons de freqüências diferentes e também permite determinar a intensidade sonora da mistura de várias freqüências, ruídos, etc. (tabela 2). TABELA 2 FON ORIGEM DO RUÍDO SENSAÇÃO AUDITIVA 10 Ruído de folhas com vento brando muito débil 40 Música suave de rádio Conversação em voz baixa débil 50 Máquina de escrever Conversação normal normal 60 Conversação em voz alta forte 80 Buzina de automóvel Música de rádio em alto volume muito forte 120 Avião a poucos metros, (3 m), de distância 130 Ruído ensurdecedor dolorosa Embora o nível sonoro de uma conversa normal seja de 50 FON, numa ligação telefônica boa, de curta distância, o nível de recepção é geralmente de 70 FON, pois normalmente fala-se mais alto ao telefone e a distância do microfone é bem menor do que um metro. Os testes de inteligibilidade, feitos nestas condições, demonstram que o nível de recepção pode ser diminuído de 30 db, sem alterar perceptivelmente a inteligibilidade. Uma redução maior do que 30 db faz com que as articulações da voz fiquem abaixo do limiar de audibilidade. Conclui-se então que o nível de transmissão da voz não é crítico, desde que seja mantido entre os valores de 40 db a 70 db. Observando-se a figura 1.3, pode-se mostrar um exemplo: se um som, constituído pelas freqüências de 100 Hz e Hz e audibilidade de 70 FON for atenuado de 40 db, a freqüência de Hz irá baixar para 30 FON, enquanto o tom de 100 Hz desaparecerá completamente. O controle de tonalidade em aparelhos de som tem por objetivo corrigir este efeito. Relação Sinal/Ruído FIGURA 1.4 Em telefonia não deve ser considerada somente a relação sinal/ruído dentro do próprio canal, 5

6 mas também o nível de ruído do ambiente de recepção. Na figura 1.4 são mostradas várias curvas de inteligibilidade para vários níveis de ruído em relação ao nível de recepção. Pelas curvas deduz-se que é recomendável manter uma relação sinal-ruído superior a 40 db. Poder-se-ia então concluir que seria necessário manter nas comunicações telefônicas, o nível mais alto possível para garantir a máxima inteligibilidade. Porém, se isso fosse feito, em alguns casos seria ultrapassado o limite de audibilidade superior. Por exemplo em um local cujo nível de ruído atinja 80 FON, o limite seria atingido com uma relação sinal-ruído de 40dB. Outro fator que limita os níveis de emissão e de recepção é a diafonia nos cabos telefônicos. Por esse motivo às administrações telefônicas não permitem, em geral, um nível médio superior a aproximadamente 500 mv nas linhas telefônicas, para evitar a diafonia perceptível. Com esta limitação a eficiência das cápsulas emissoras e a sensibilidade das cápsulas receptoras não podem ser aumentada ilimitadamente. Atualmente os esforços são dirigidos no sentido de equilibrar cada vez mais a freqüência, reduzindo a distorção. Uma conseqüência da presença do ruído é o mascaramento, que é o efeito de sons que atuam simultaneamente sobre o ouvido humano. O ruído tende a mascarar os sons da voz, sobretudo se o seu nível tiver uma atenuacão, menor do que 10 db com relação ao nível de voz, como ocorre freqüentemente nos telefones públicos instalados em ambientes ruidosos. Neste caso, o locutor tende a aumentar o nível de voz, ou o circuito terá que ter uma amplificação adicional, o que, por sua vez, origina outros inconvenientes técnicos (efeito local), e econômicos, (amplificação). O ruído interferente pode ser ambiental e/ou induzido eletricamente na linha, sendo que o ITU-T já estabeleceu um relacionamento entre ambos capaz de originar o mesmo efeito subjetivo sobre o usuário do telefone (curvas teóricas de opinião). Distorção Entre o locutor e o ouvinte o sinal de voz está sujeito a várias distorções, nas quais se destacam: a) distorção linear ou de atenuação, b) distorção de fase, c) distorção não linear. A distorção linear resulta, de certo modo, da limitação da faixa de freqüências transmitidas. O ITU- T recomenda a faixa de 300 Hz a Hz, dentro da qual a atenuação de freqüência não deve variar além de certos limites pré-estabelecidos em relação è Hz. A distorção de fase, originada por diferenças de velocidade de transmissão das freqüências em um dado meio, tem pouca influência sobre a inteligibilidade, devido ao mecanismo do nosso ouvido, que analisa as freqüências separadamente. O ITU-T fixou como tempos de retardo máximo os seguintes valores: Tipo de conexão Tempo de Retardo freqüência < 1000 Hz > 1000 Hz continental 60 ms 30 ms Intercontinental 30 ms 15 ms A distorção não linear é originada pela presença de harmônicos que se estabelecem, através de várias causas, nos vários elementos que envolvem um enlace telefônico. Os harmônicos podem originar-se nos transdutores eletroacústicos dos telefones em função das suas características elétricas, eletromagnéticas e eletrônicas, afetadas pelas amplitudes de sinais, pelo grau de intermodulação, pela presença ou interferência de ruídos, entre outros. Dada a dificuldade de relacionar a distorção não linear com a Inteligibilidade, o ITU-T recomenda limites com base em experiências subjetivas, capazes de não afetar a inteligibilidade. A distorção não linear acentua-se em níveis acústicos elevados, quando se estabelecem no ouvido, harmônicos e combinações de freqüências que não estavam presentes no som original. Este fenômeno ocorre devido a não linearidade do ouvido humano e explica o fato de que a sensação auditiva de um tom não se modifica apreciavelmente se a freqüência fundamental for removida, pois a freqüência fundamental é restaurada no ouvido devido a sua não linearidade. 6