Anteproyecto

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El éxito en el diseño acústico de cualquier tipo de recinto radica en conseguir una excelente difusión del sonido. El sonido está formado por un rango de frecuencias, las cuales son influenciadas por fenómenos ondulatorios tales como reflexión, refracción, difracción, además de variables físicas externas como presión atmosférica, temperatura, materiales, geometría, refuerzo acústico, anulación acústica, atenuación, distorsión, entre otros [1].

Muchas veces, en recintos o lugares cerrados como los auditorios, donde generalmente se requiere un alto grado de concentración durante el proceso de comunicación, es posible advertir fenómenos que se generan a causa de una deficiente propagación del sonido y por ende, una mala percepción de la intensidad de sonido escuchada. El oído humano es un órgano muy sensible, que constantemente es atacado por ruidos, que son mezclas de sonidos discordes y simultáneos que pueden llegar a provocar daños significativos en la capacidad auditiva.

En condiciones de ruido se perciben niveles acústicos muy altos o bajos, ecos, reverberaciones, refuerzos o ausencia de sonido, que distraen y alteran de manera notable el potencial de comprensión de los mensajes trasmitidos [2]. En estos lugares es de vital importancia un acondicionamiento que permita una distribución adecuada del espectro del sonido con la que los órganos auditivos sean complacidos. Por lo tanto, se hace necesario el diseño de una aplicación que logre adaptarse de forma eficiente y transparente al medio, a pesar de la naturaleza cambiante de los factores anteriormente mencionados. Para este propósito, es preciso generar un espectro acústico que sea el adecuado para la percepción del oído humano, esto es, obtener una curva de respuesta en frecuencia lo más neutra posible.

Tradicionalmente, la adecuación del espectro acústico se ha logrado a través del empleo de filtros cuyos coeficientes son invariantes en el tiempo, sin embargo, debido a que las características de una fuente de ruido acústico y el ambiente no son constantes, la frecuencia, amplitud, fase y velocidad del ruido son no-estacionarias, es decir, varían en el tiempo. Por esta razón, un sistema de acondicionamiento acústico debe ser adaptativo para que pueda mejorar estas características cambiantes.

La base del funcionamiento de los filtros adaptativos es encontrar los coeficientes que permiten obtener el valor mínimo del error cuadrático medio de la señal de error, donde el error se define como la diferencia entre la señal deseada y la señal producida a la salida del filtro. En principio, el filtro puede ser un IIR o FIR , las ventajas de los filtros IIR respecto a los FIR es que pueden conseguir una misma respuesta empleando un número de coeficientes mucho menor, requiriendo un menor tiempo de cálculo. La desventaja, además de su inestabilidad, es la introducción de desfases en la señal. Los filtros FIR [3], por su parte, tienen la gran ventaja de que pueden diseñarse para ser de fase lineal, es decir, no introducen distorsión por fase en la señal. Además, son siempre estables. Este tipo de filtros se utiliza con más frecuencia en Filtraje adaptativo y particularmente, en aplicaciones de audio.

En primera instancia, la aplicación de los principios funcionales de los filtros adaptativos, permite abordar un campo de acción interesante para dar solución a problemas en entornos acústicos con ruido, a fin de mejorar la calidad de las comunicaciones directas y la conservación de órganos vitales del ser humano.

Sin embargo se reconoce la necesidad de una aplicación más amigable al usuario, con la cual se logre alterar el espectro de la señal recibida, modificando de manera sistemática y automática, los parámetros que sean necesarios como la amplitud, frecuencia y ancho de banda de los filtros, para lograr mejorar las condiciones de audio; estas condiciones están presentes en los ecualizadores paramétricos [4].

Se busca entonces, fundamentar y demostrar en simulación la eficacia de la conjunción de la técnica de filtros adaptativos con la de ecualizadores paramétricos en la producción de un sistema de mejoramiento de señal de voz.

La ecualización permite tomar la gama de frecuencias separadas en bandas de trabajo en las cuales se puedan modificar los diversos parámetros como su amplitud, frecuencia de trabajo y ancho de banda, características propias de los ecualizadores paramétricos. Al combinar la ecualización con las técnicas adaptativas, se espera que mejore de forma eficiente las características de la emisión del sonido, adecuándola sistemáticamente al espectro de la voz humana, a la vez que mitiga el ruido de fondo, o las condiciones acústicas adversas que pueden estar presentes en un auditorio.

La pregunta que se busca responder con este proyecto de investigación es: ¿Cómo diseñar un ecualizador paramétrico con filtros adaptativos para la corrección de problemas acústicos, que en simulación mejore las condiciones de sonido de un auditorio con una capacidad máxima de ochenta personas, trabajando en la banda de 300Hz a 3400Hz, correspondiente a la voz humana?

La respuesta a este interrogante implica profundizar tanto en el estudio de la propagación del sonido como en la teoría de filtros digitales, filtros adaptativos y ecualizadores en el dominio de la frecuencia, buscando desarrollar una aplicación sistematizada, que servirá de punto de partida para la investigación de los diversos entornos de análisis.

Son muchos los avances tecnológicos que se tienen a disposición para hacer frente a este reto, aunque con diferencias significativas ligadas al factor económico, donde naturalmente se encuentran mejores tecnologías a costos más elevados. Con el ánimo de encontrar equilibrio entre calidad y costos de aplicación, surge aquí la exigencia de un alto grado de creatividad, enfocado a satisfacer la necesidad planteada, con conocimiento de las limitaciones de la región y del medio.

2. ESTADO DEL ARTE

Son muchos los dispositivos que sobre acústica se han realizado y aplicado en diversos entornos, así como el desarrollo teórico que ha experimentado. El uso de programas de simulación como Matlab ha permitido desarrollar arquitecturas que para la ingeniería representan ahorro en costos de implementación de prototipos y el uso de FPGAs o DSPs permiten la implementación de algoritmos de procesamiento de audio y sonido, u otra aplicación que requiera de procesamiento en tiempo real, con el uso de las diferentes técnicas de procesamiento digital. De las muchas aplicaciones

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