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PEDRO DE ALCÂNTARA NETO - TELEFONIA – NOÇÕES FUNDAMENTAIS DE ACUSTICA

CAPÍTULO PRIMEIRO

NOÇÕES FUNDAMENTAIS DE ACÚSTICA

Introdução

Em uma comunicação telefônica é necessário o conhecimento do som, da Voz e da audição. O emissortelefônico converte as ondas sonoras da voz em impulsos elétricos que são transmitidos através das linhasde fios até o receptor do telefone distante. Por outro lado o receptor deve converter estes impulsos elétricosem ondas sonoras capazes de serem reconhecidas pelo ouvinte. Além disso, devem ser considerados osruídos 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 energiaelétrica e, após a sua devida amplificação é conduzida por meio de linhas físicas ou por meio de enlaces, aoponto de destino, onde é novamente transformada em energia sonora.

Natureza do Som

Objetivamente o som é um movimento físico ondular produzido por vibrações mecânicas, propagando-se por meio de ondas de pressão, transferindo uma certa energia de um ponto a outro e que se atenua aolongo 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 oucomplexo. Os sons simples são aqueles correspondentes a uma vibração harmônica, enquanto os sonscomplexos 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 nopercurso entre a boca e o ouvido e da sensibilidade auditiva. Quando os sons são da mesma freqüência, aintensidade sonora é proporcional somente à potência acústica. Quando as freqüências são diferentes, aintensidade sonora varia também com a freqüência pois a sensibilidade do ouvido humano varia com amesma.

Considerando a faixa de voz média e a pressão acústica média igual a 1 Pascal (94 dB SPL) ou ainda 1N/m2, 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 1:10:100faz com que a sensação auditiva varia na razão de 1:2:3. No presente exemplo a relação de potênciascorresponde a uma variação de 10 dB, o que significa que o ouvido reconhece mesmas razões de potênciacomo aumentos iguais de nível ou volume sonoro, o que indica um comportamento logarítmico.

A Al tura do Som é a qualidade pela qual se distingue um som mais grave de um som mais agudoquando comparados. É numericamente igual ao número de vibrações por unidade de tempo (freqüência). Afreqüência é medida em vibrações por segundo usando-se o Hertz (1 Hz = 1 vibração por segundo). A faixade freqüência audível é de aproximadamente 20 Hz a 20.000 Hz. As freqüências abaixo de 20 Hz sãodenominadas infra-sons e acima de 20.000 Hz de ultra-sons.

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A freqüência que chega ao ouvido não é influenciada pelo meio, excetuando-se o caso em que a partesonora se desloca com velocidade e a freqüência depende do número de vibrações por segundo quealcançam o ouvido (efeito Doppler). Com relação à altura do som o ouvido também apresenta umcomportamento logarítmico e as diferenças de freqüências são apreciadas segundo uma progressão

geométrica. Assim, três notas de freqüências de 500 Hz, 1.000 Hz e 2.000 Hz, emitidas sucessivamente,são sentidas pelo ouvido humano na razão de 1:2:4, isto é, apesar das diferenças entre elas seremcrescentes, o ouvido humano sente 1.000 Hz como freqüência dupla de 500 Hz e 2.000 Hz como freqüênciadupla de 1.000 Hz. Tal relação de freqüências denomina-se de oitava. Em telefonometria utiliza-se a escalade oitavas, terços de oitaves e suas respectivas freqüências centrais para a determinação de respostas de




freqüência, distorção harmônica ou índices de sonoridade de emissão, recepção e efeito local de aparelhostelefônicos. Para a determinação do Índice de Sonoridade são em geral utilizados 14 ou 20 terços de oitavadentro da faixa de voz analisada.

O Timbre Sonoro é a característica que permite distinguir sons de mesma altura e de mesmaintensidade, produzidos por diferentes fontes sonoras. O timbre é uma função das freqüências harmônicasque compõem um determinado som, sendo uma qualidade inerente dos sons complexos. Pelo timbreconsegue-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, nãosomente 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 transmissãotelefônica.

Os harmônicos são múltiplos inteiros da freqüência fundamental. As amplitudes relativas e as relaçõesde fases destes componentes diferem entre si. Quando uma freqüência não for harmônico exato dafreqüência 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 sãoresponsáveis basicamente as baixas freqüências, que também são as principais responsáveis pelo nívelsonoro. A fim de melhorar a identificação da voz do locutor, também denominada naturalidade, está sendoproposto 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 introduzema distorção harmônica e a distorção de atenuação. Outros fatores de degradação são os ruídos de linha e oruído ambiental, a diafonia, o efeito local, as interferências eletromagnética e capacitiva e as perdas denível, para citar as principais.

Pressão e Nível Acústicos

A intensidade sonora depende da pressão acústica e da impedância acústica do meio. É dada pelaexpressão:

I = P2 / 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 =V2/R.

Ao ar livre a pressão atmosférica, a 20ºC, é de aproximadamente 41,5 g/cm2 e portanto I = 2,4.10-2 p2 (sistema CGS).

O ouvido humano é insensível abaixo de um certo nível de potência sonora e, em virtude dastransmissões telefônicas apresentarem perdas, é necessário conhecer o nível mínimo de potência sonoraaudível para fins de projeto.

Na freqüência de 1.000 Hz a mínima intensidade, audível é de aproximadamente 2.10-16 W/cm2, maspara fins de normalização é adotado o nível de 10 -16 W/cm2. Então, partindo da relação I = 2,4. 10-2 . p2, a

pressão mínima será: p = 2.10-4

dina/cm2

= 2.10-20

bar = 2.10-4

microbar, valor este tomado como pressãode referência.Atualmente é adotado o Pascal como unidade de pressão acústica, definido por:

Logo, o som mais fraco escutado por um ouvido humano é 20 milionésimos de 1 Pascal (ou 20microPa), 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 odiâmetro de um átomo. Por outro lado o ouvido humano pode tolerar pressões mais de um milhão de vezesmais 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"), afim 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 dereferência, definido como 0 dB. Toda vez que a pressão acústica em Pa for multiplicada por 10, adiciona-se20 dB ao nível em dB e portanto 20 microPa correspondente a 20 dB acústicos, 200 microPa corresponde a

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)(9410

101

122

SPLdBcm

dinasbar

m

N Pa ==== µ




40 dB e assim por diante. Portanto a escala em dB comprime 1 milhão para uma faixa de 120dB. A figura1.1 mostra os níveis de pressão acústica em dB (SPL) para vários sons familiares, expressos em dB e emPa. 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 especificaçõesmodernas de terminais telefônicos refiram os níveis de teste a esta referência, como p. ex. + 10 dB rel. 1 Paou – 15 dB rel. 1 Pa. Por outro lado o dB proporciona uma aproximação bem melhor à percepção humanaquanto 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 façacom que a sensação sonora seja o dobro. Logo o nívelsonoro é a amplitude de uma sensação sonora quedepende da intensidade acústica, da freqüência e dasensibilidade auditiva do ouvinte para essa freqüência.

A energia da onda sonora é medida geralmente emfunção da intensidade de voz do locutor a um metro daboca do mesmo. Esta condição de conversação entre 2pessoas distantes 1 metro uma da outra, constitui abase dos sistemas telefonométricos subjetivos adotadosnas medidas telefonométricas. Nestas medidas aavaliação de perdas e de ganhos de um sistematelefônico 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 sistemastelefonométricos objetivos utiliza-se conceitossemelhantes.

Voz e Audição

Na voz humana ocorrem freqüências entre 100 Hz e 10.000 Hz. Cada tom de voz consiste devários componentes simultâneos de freqüências. Os componentes de uma vogal representamharmônicos de certa freqüência fundamental, em torno de 125 Hz para o homem e de 250 Hz para amulher. O posicionamento dos lábios e da língua provoca ressonâncias nas cavidades bucal e nasal quepodem ressaltar certos harmônicos em certas regiões, enquanto são suprimidos em outras. As vogaissão 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 emtorno de 10 microwatt para uma voz normal. Em um grito ela pode atingir 1 a 2 miliwatt e num sopropode cair para 0,001 rnicrowatt. Em uma conversação normal a pressão acústica média à 25 mm daboca é, a grosso modo, igual a 1 Pascal (10microbar) e a 1 metro de distância é aproximadamente iguala -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 excelentequando a sua faixa passante abrange de 100 Hz a 5.000 Hz. Por motivos econômicos, a faixa defreqüências na telefonia comercial situa-se entre 300 Hz e 3.400 Hz.

O mecanismo de audição humana constitui o juiz final dos resultados de um sistema decomunicação telefônica. A resposta de freqüência do ouvido, em uma pessoa jovem, varia de 20 Hz a20.000 Hz. Com a idade esta faixa diminui, podendo chegar a 9.000 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 aintensidade 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 1.000Hz, com um nível adequado. Em freqüências ou níveis menores, as variações terão de ser maiores paraserem detectadas.

Faixa de Freqüência Emitida e Recebida

Para a transmissão natural da voz humana é necessária a faixa de 80 Hz a 12.000 Hz. Essa faixarelativamente grande exige equipamentos dispendiosos. A telefonia como meio comercial procura umasolução 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 faixamenor, 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 faixade freqüências, estabelecida com auxílio de filtros passa-baixa e passa-alta. Observa-se que ainteligibilidade de frases completas é bem melhor do que de sílabas. Para a inteligibilidade silábica, a tabela

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1 a seguir, mostra o percentual de sílabas entendidas corretamente em função de freqüências de cortesuperiores e inferiores, indicando que a inteligibilidade aumente com a maior presença de altas freqüênciase que para um corte de freqüências abaixo de 500 Hz (faixa de 500 Hz a 3.500 Hz) a inteligibilidade silábicaatinge 95%. Por outro lado observa-se na figura 1.2 que para uma inteligibilidade silábica de 60%

corresponde umainteligibilidade de frases de95% de modo que valores

acima de 80% sãoconsiderados bons. A figura1.2, também mostra quefreqüências abaixo de 300 Hznão influem na inteligibilidade,ao passo que acima de 3.400Hz ela aumenta muito pouco.A inteligibilidade de frasescompletas atingepraticamente 100% já com3.400 Hz.

Com base nestes resultados o ITU-T fixou como norma internacional, a transmissão da faixa de 300 Hz a3.400 Hz para fins de telefonia, valores esses que garantem 87% de inteligibilidade de silabas epraticamente 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 ouvidohumano.

A sensibilidade do ouvido humano varia com a freqüência. Como já foi visto,existe um mínimo deintensidade sonora, abaixo da qual o som se torna inaudível. Como já foi visto anteriormente, o "limiar de

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Limite / freq. Hz 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500superior % 3 40 65 75 82 85 87inferior % 96 86 70 40 20 10 5

Tabela 1

FIGURA 1.2FIGURA 1.2

FIGURA 1.3

FIGURA 1.3




audibilidade" para uma freqüência de 1.000 Hz é de 10-16 W/cm2, que corresponde a uma pressão sonorade 2.10-4 microbar ou 20 microPa. Por convenção internacional este valor a 1.000 Hz foi fixado como nívelzero da escala de intensidade de som, denominada escala FON. O valor de zero FON corresponde aintensidade de um som de qualquer freqüência que, comparado com o som de 1.000 Hz e a pressãoacústica de 2x10-4 microbar, da subjetivamente a impressão de mesma intensidade. Então um valor de 10dB 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, queainda 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 efreqüência arbitrárias, porem conhecidas, comparando-o a seguir com um som de 1.000 Hz, cujaintensidade era ajustada até que o ouvinte considerasse ambas as fontes sonoras com igual sonoridade. Oresultado dessas experiências é mostrado no gráfico da figura 1.3.

Essas curvas são conhecidas como Curvas Isofônicas, ou seja, de igual sonoridade. Por exemplo, umsom de 40 Hz com nível sonoro de 60 dB tem a mesma sonoridade (10 FON) que um som de 5.000 Hz de10 dB.

Observando-se a figura 1.3, conclui-se que o ouvido humano apresenta sensibilidade máxima na faixade freqüências entre 1.000 Hz e 6.000 Hz. A medida em FON permite a comparação de sons de freqüênciasdiferentes e também permite determinar a intensidade sonora da mistura de várias freqüências, ruídos, etc.

(tabela 2).

TABELA 2FON ORIGEM DO RUÍDO SENSAÇÃO AUDITIVA

10 Ruído de folhas com vento brando muito débil

40 Música suave de rádioConversação em voz baixa débil

50 Máquina de escreverConversação normal normal

60 Conversação em voz alta forte80 Buzina de automóvel

Música de rádio em alto volume muito forte120 Avião a poucos metros, (3 m), de distância130 Ruído ensurdecedor dolorosa

Embora o nível sonoro de uma conversa normal seja de 50 FON, numa ligação telefônica boa, decurta distância, o nível de recepção é geralmente de 70 FON, pois normalmente fala-se mais alto aotelefone e a distância do microfone é bem menor do que um metro. Os testes de inteligibilidade, feitosnestas condições, demonstram que o nível de recepção pode ser diminuído de 30 dB, sem alterarperceptivelmente a inteligibilidade. Uma redução maior do que 30 dB faz com que as articulações da vozfiquem 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 pelasfreqüências de 100 Hze 1.000 Hz eaudibilidade de 70 FONfor atenuado de 40 dB,

a freqüência de 1.000Hz irá baixar para 30FON, enquanto o tomde 100 Hz

desaparecerácompletamente. Ocontrole de tonalidadeem aparelhos de somtem por objetivo corrigireste efeito.

Relação Sinal/Ruído

Em telefonianão deve serconsiderada somente arelação sinal/ruídodentro do próprio canal,

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FIGURA 1.4




mas também o nível de ruído do ambiente de recepção. Na figura 1.4 são mostradas várias curvas deinteligibilidade 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 altopossível para garantir a máxima inteligibilidade. Porém, se isso fosse feito, em alguns casos seriaultrapassado o limite de audibilidade superior. Por exemplo em um local cujo nível de ruído atinja 80 FON, olimite 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. Poresse motivo às administrações telefônicas não permitem, em geral, um nível médio superior aaproximadamente 500 mV nas linhas telefônicas, para evitar a diafonia perceptível. Com esta limitação aeficiência das cápsulas emissoras e a sensibilidade das cápsulas receptoras não podem ser aumentadailimitadamente.

Atualmente os esforços são dirigidos no sentido de equilibrar cada vez mais a freqüência, reduzindoa distorção.

Uma conseqüência da presença do ruído é o mascaramento, que é o efeito de sons que atuamsimultaneamente sobre o ouvido humano. O ruído tende a mascarar os sons da voz, sobretudo se o seunível tiver uma atenuacão, menor do que 10 dB com relação ao nível de voz, como ocorre freqüentementenos telefones públicos instalados em ambientes ruidosos. Neste caso, o locutor tende a aumentar o nível devoz, ou o circuito terá que ter uma amplificação adicional, o que, por sua vez, origina outros inconvenientestécnicos (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 originaro 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 3.400 Hz, dentro da qual a atenuação de freqüência não deve variar além

de certos limites pré-estabelecidos em relação è 1.000 Hz.A distorção de fase, originada por diferenças de velocidade de transmissão das freqüências em umdado meio, tem pouca influência sobre a inteligibilidade, devido ao mecanismo do nosso ouvido, que analisaas freqüências separadamente. O ITU-T fixou como tempos de retardo máximo os seguintes valores:

Tipo de conexão Tempo de Retardofreqüência < 1000 Hz > 1000 Hzcontinental 60 ms 30 msIntercontinental 30 ms 15 ms

A distorção não linear é originada pela presença de harmônicos que se estabelecem, através devárias causas, nos vários elementos que envolvem um enlace telefônico. Os harmônicos podem originar-senos transdutores eletroacústicos dos telefones em função das suas características elétricas,eletromagnéticas e eletrônicas, afetadas pelas amplitudes de sinais, pelo grau de intermodulação, pelapresença ou interferência de ruídos, entre outros. Dada a dificuldade de relacionar a distorção não linearcom a Inteligibilidade, o ITU-T recomenda limites com base em experiências subjetivas, capazes de nãoafetar a inteligibilidade.

A distorção não linear acentua-se em níveis acústicos elevados, quando se estabelecem noouvido,

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harmônicos e combinações de freqüências que não estavam presentes no som original. Estefenômeno ocorre devido a não linearidade do ouvido humano e explica o fato de que a sensação auditiva deum tom não se modifica apreciavelmente se a freqüência fundamental for removida, pois a freqüênciafundamental é restaurada no ouvido devido a sua não linearidade.

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