![]() |
Como
Funciona
|
Como Funciona
NAVEGAÇÃO DE ARQUIVO
ANÁLISE
MANIPULAÇÃO DE DADOS
GRÁFICOS
TOOLS
NAVEGAÇÃO DE ARQUIVO
ANÁLISE - ARQUIVO - SEÇÃO - CANTO - PULSO
O
Sound Ruler lida com cinco níveis hierárquicos de tempo: análise,
arquivo, seção, canto e pulso. Eles estão refletidos na
forma com a qual o programa lida com o som, armazena e exibe os resultados e
salva os dados.
Análise:
Cada vez que o Sound Ruler é aberto, é iniciada uma nova Análise.
Todos os resultados de uma Análise são mantido
na memória e podem ser navegados, mesmo após vários arquivos
serem medidos. Uma Análise termina quando o Sound Ruler é fechado
ou quando a função "File-Clear Data" é acionada.
Ao selecionar "Clear Data", uma nova Análise
é iniciada.
Arquivo:
Este é o arquivo de som .wav. Não é necessário editar
as gravações para isolar os cantos ou produzir pequenos arquivos.
O corte original de campo pode ser utilizado.
Seção:
Se o arquivo for longo, ele será quebrado em 'seções' de
curta duração, para permitir uma melhor visualização
e um processamento mais rápido. Uma seção é um segmento
de som que o Sound Ruler lê do disco e mantém na memória
RAM para filtrar, medir e fazer gráficos.
Canto:
A presença de 'cantos' é analisada em cada seção.
Pulso: Cada canto contém um ou
mais pulsos que são as unidades básicas do sinal medidas. 'Pulsos'
são caracterizados por uma certa quantidade de modulação
de amplitude no canto. Quando os dados são salvos em formato planilha,
cada linha de dados representa um pulso.
IMPORTANTE: Tenha em mente que 'Canto' e 'Pulso'
são nomes sugestivos, mas para o Sound Ruler, eles são apenas
dois nívels de medição e que não têm que corresponder
às entidades acústicas produzidas pelos animais. Esses dois níveis
podem ser utilizados para analisar cantos e pulsos, ou por exemplo grupos de
cantos e cantos.
Volta ao topo | Página Inicial
Sem limite de tamanho de arquivo
Editar
e filtrar cantos requer tempo, espaço no disco rígido e organização,
e cria oportunidades para erros humanos.
Com o Sound Ruler, é possível digitalizar
os cantos com, por exemplo, um corte por arquivo, e realizar todas as análises
a partir daí. É possível analisar e re-analisar os arquivos
originais usando diferentes resoluções, configurações
de filtros FFT e parâmetros de medição. Os filtros são
aplicados dinamicamente, à medida que os dados são lidos do disco,
dispensando salvar as versões filtradas.
Ao
escolher um arquivo para ser aberto, o Sound Ruler pergunta quanto se deseja
vizualizar de uma vez. O programa então lê mais informações
na medida do necessário para exibir e analisar as partes desejadas do
arquivo.
OBSERVAÇÃO: Embora não haja
limite do tamanho do comprimento de arquivo, a quantidade de memória
RAM limitará o comprimento do som exibido na tela de cada vez. Se for
necessário inspecionar minutos de som em um gráfico, baixe um
programa de edição de som da internet.
OBSERVAÇÃO:
O sistema não foi testado com arquivos realmente longos, com horas de
som. Contacte o autor se houver tal necessidade. Não deve haver problema,
no entanto ajustes serão necessários para fazer com que seja prático
navegar entre centenas de seções por arquivo.
Volta ao topo | Página Inicial
ANÁLISE
Ao
ativar a função "Mouse Log" e clicar com o botão
direito em qualquer arquivo, o Sound Ruler obtém as coordenadas da seta
do mouse, determina os dados correspondentes ao ponto no gráfico e cola
esse dados no TextPad. A resolução das medições
será limitada por três fatores:
1
- A resolução com a qual os gráficos foram gerados, que
por sua vez é determinada pela suas configurações;
2 - A resolução
das coordenadas do mouse na tela. Ela é fixada em um pixel, mas ao mudar
o tamanho da janena principal do Sound Ruler, o número de pixels ocupados
por cada gráfico será alterado;
3
- A resolução do mouse. É necessária uma quantidade
mínima de movimento para que o mouse seja capaz de perceber e informar
o computador. Isso depende da construção do mouse e de quão
limpo ele está.
Volta ao topo | Página Inicial
O
Sound Ruler detecta sinais baseado em amplitude. Ao invés de amostras
individuals, ele baseia-se na soma dos quadrados (para evitar cancelar positivos
com negativos) das amplitudes de um grupo de amostras (definido pelo parâmetro
"Smooth"). Ele então avança um certo número de
amostras (definido pela "Resolution") para obter a próxima
soma.
"Calls" são detectados
dentro de uma seção em uma passagem, da esquerda para a direita.
"Pulses"
são detectados dentro de um canto em uma passagem dividida: do pico para
o início e do pico para o fim.
Finalmente, cada pulso é delineado em uma passagem dividida, do pico para os extremos.
Volta ao topo | Página Inicial
O
Sound Ruler reconhece e mede estruturas acústicas repetidas, com um nível
de sub-componentes. As estruturas repetidas são chamadas "calls"
e os sub-componentes são chamados "pulses". O usuário
deve decidir como encaixar esses dois níveis aos sons a serem analisados.
Por exemplo: uma seqüencia de sons simples, tonais, repetitivos pode ser
analizada como uma sequência de "calls" com um "pulse"
cada, ou como um "call" contendo vários "pulses".
O processo de reconhecimento para cada nível
será descrito nos próximos dois itens.
Volta ao topo | Página Inicial
"Calls"
são reconhecidos dentro de uma seção com base na sua amplitude
ou também na duração e/ou intervalo.
As configurações especificam os
valores esperados e o intervalo aceitável em volta dos valores
esperados.
Os
limites dos cantos não precisam ser reconhecidos com precisão
em cada seção pois cada canto é re-analisado em maior detalhe
no próximo passo. Pode-se utilizar qualquer um dos métodos disponíveis
para o reconhecimento dos cantos dentro de uma seção (mesmo manual)
sem influenciar os resultados.
Volta ao topo | Página Inicial
"Pulses" são reconhecidos dentro de um canto com base em sua amplitude ou também duração, intervalo e/ou frequência dominante. As configurações especificam os valores esperados e o intervalo aceitável ao redor dos mesmos. O ajuste inteligente dos valores esperados pode ser especificado para levar em conta a mudança gradual no envelope do canto. Existem cinco opções de ajuste inteligente, em ordem progressiva de complexidade:
Volta ao topo | Página Inicial
Após a sua detecção, o pulso é delineado. A partir do pico, a amplitude é medida em ambas as direções e a posição é obtida a 90%, 50% e 10%. O algorítimo continua até encontrar uma amplitude de 1% do pico ou um aumento em amplitude, o que ocorrer primeiro. No total, nove pontos são medidos, como ilustrado acima pelos pontos vermelhos no gráfico da esquerda.
Volta ao topo | Página Inicial
Medição das características espectrais
As
medidas de frequência são obtidas a partir dos dados do espectrograma
correspondente. Tenha em mente que a resolução da frequência
das medidas é determinada pelas configurações usadas para
calcular o espectrograma e a taxa de amostragem do som. A frequência com
maior energia é determinada para cada um dos nove pontos de amplitude
medidos no canto. Além disso, a amplitude no momento de pico é
medida em cada harmônico especificado pelo usuário. Essas medidas
estão ilustradas acima pelos pontos azuis no gráfico central.
As medidas de "tuning"
são obtidas a partir do espectrograma, mas são ilustradas no Espectro
de Potência, para facilitar a visualização. A largura do
pico é medido na metade e em um décimo de amplitude (linhas verdes)
e divididos pela frequência.
O espectro de potência é calculado
apenas para inspeção e suas configurações não
afetam as medições, exceto para a análise de cross-correlation
(ACC) de espectro de potência.
Volta ao topo | Página Inicial
MANIPULAÇÃO DE DADOS
Todas
as medições, configurações e resumos para cada pulso
medido são armazenados na memória RAM até que um evento
de auto-salvar ocorra (se o auto-salvar estiver acionado) or se o usuário
clicar no menu "File" - "Save Data".
As séries de listas
de opções próximas à lista de resultados,
permitem ao usuário navegar pelos resultados de pulsos anteriores, cantos,
seções ou arquivos dentro da mesma análise. Toda essa informação
é apagada quando o usuário seleciona o menu "File" -
"Clear Data".
O Sound Ruler utiliza uma estrutura hierárquica
para manter cada número na memória apenas uma vez, mas se mais
dados forem produzidos dentro da mesma Análise além do que a memória
pode manter, o computador se tornará lento. Se isto ocorrer, salve os
dados, vá ao menu "File" - "Clear Data" e inicie
uma nova análise.
Volta
ao topo | Página Inicial
Sound
Ruler lida com dados de uma forma similar a um editor de texto. A medida que
as análises são realizadas, pode-se navegar pelos resultados,
re-analisar cantos substituindo os resultados antigos pelos novos e salvá-los
num arquivo com a função "Save Data".
Como num editor de texto, evite trabalhar por
muito tempo sem salvar os resultados.
Quando os dados são salvos, o Sound Ruler
circulará pelos 5 nívels hierárquicos e os 3 tipos de dados
(brutos, resumos e configurações) para produzir toda a informação
redundante na(s) tabela(s) de resultados.
Os dados são salvos em um ou dois arquivos,
como configurado em "Options - Saving Data". Os resultados em dois
arquivos foram planejados para a incorporação num banco de dados
relacional, visando eficiência em análises extensivas. Os dados
são salvos como arquivos-texto delimitados por vírgula (.CSV),
por ser um padrão geral que pode ser lido pela maioria dos programas
de bancos de dados e planilhas.
Volta ao topo | Página Inicial
GRÁFICOS
O
Sound Ruler oferece várias opções de formatos de arquivos
para salvar e copiar figuras. Estes formam duas categorias: bitmaps e metafiles.
Cada uma dessas categorias tem suas vantagens e desvantagens e o usuário
deve estar atento a elas para obter os melhores resultados ao exportar figuras.
A diferença entre bitmaps e metafiles é
a forma na qual a informação visual é descrita. Em poucas
palavras, um bitmap é codificado como uma tablela, onde cada célula
representa um pixel e armazena a informação de cor e brilho deste
pixel. Quando um gráfico é salvo como bitmap, a informação
de cada pixel é salva sequencialmente. Metafiles, por outro lado, armazenam
a informação visual como um grupo de objetos gráficos,
descrevendo cada objeto através de coordenadas relativas de seus limites.
Um gráfico metafile é armazenado como um grupo de linhas, onde
cada linha é descrita por sua cor e coordenadas dos pontos de limite.
Teoricamente, metafiles deveriam ser melhores
para descrever gráficos, uma vez que são baseados em coordenadas
relativas e portanto podem ser re-dimensionados sem perda de fidelidade ao original.
Infelizmente, a maneira com a qual os metafiles são implementados nos
vários programas não é padronizada, causando freqüentemente
problemas de distorção no tamanho do texto das figuras a serem
transportadas entre aplicativos.
Uma recomendação simplista é
utilizar bitmaps quando se deseja que as figuras se pareçam exatamente
como no Sound Ruler e metafiles quando se pode antecipar a necessidade de re-dimensionamento
das mesmas.
Volta ao topo | Página Inicial
O
Sound Ruler é projetado para analisar e produzir gráficos de sons
em série.
Ao utilizar o menu "Export Graphs" na
janela principal, uma nova figura é criada com os gráficos escolhidos
pelo usuário. Esta figura é altamente personalizável e
sua característica chave é a função "Refresh"
que permite a atualização dos dados nos eixos. Além disso,
esta figura pode ser salva em vários formatos, incluindo o .fig do Matlab.
Quando salva no formato .fig, a figura pode ser carregada posteriormente para
edições adicionais e para atualizar seus dados.
Uma pequena biblioteca de figuras-modelo pode
ser criada e recarregada para produzir figuras padronizadas em série
com rapidez.
Volta ao topo | Página Inicial
FERRAMENTAS
Simplismente
ir ao campo e apontar um medidor de nível de pressão
de som para um animal vocalizando normalmente não produzirá
medidas úteis para calibrar gravações. A razão é
que os sons de animais são comumente curtos e com amplitude variável.
Os medidores do nível de pressão de som
obtém as medidas através da integração do som recebido
durante uma janela de tempo que normalmente é de 0.5 ou 0.2 segundos.
É possível calibrar a amplitude
dos sons a serem analisados comparando-os com um sinal de amplitude conhecida.
O Sound Ruler pode medir um pedaço de um som de referência e calcular
um fator de calibração para as medidas dos seus sons.
Existem várias maneiras de se produzir
um som de referência e o mais apropriado depende de vários fatores
incluindo: o ambiente acústico aonde as gravações são
feitas, a precisão desejada, o equipamento disponível e o orçamento.
Alguns gravadores (alguns
Nagras de rolo) possuem medidores embutidos de amplitudes calibradas
.
Os fabricantes de medidores de nível
de pressão de som de precisão geralmente oferecem também
fontes de som constantes que produzem som com amplitudes altamente repetíveis.
Pode-se acoplar tal fonte de som ao microfone (e ao gravador) que será
usado no campo e gravar um sinal de amplitude conhecida. Observe que microfones
de um mesmo modelo, gravadores e fitas variam em sensibilidade e amplificação.
Desta forma, a mesma combinação de microfone, gravador e fita
que foi calibrada no laboratório deve ser usada no campo. Além
disso, todas as configurações de ganho
devem ser exatamente as mesmas utilizadas no laboratório. Para tornar
o sistema um pouco mais versátil no campo, pode-se calibrá-lo
com vários ajustes de ganho no laboratório, mas neste caso, valeria
a pena realizar alguns testes para descobrir quão bem o usuário
é capaz de repetir o ajuste de ganho ao
posicionar o botão. Outro problema deste método é que o
equipamento pode se tornar menos sensível à medida que as pilhas
se desgastam. Isto pode ser verificado através da repetição
do procedimento de calibração no laboratório ao retornar
do campo, para que cada fita possua o tom de calibração anterior
à saída para o campo, as gravações de campo e o
tom de calibração posterior à saída para o campo.
Se o equipamento funcionou como esperado, os tons pré e pós terão
a mesma amplitude.
Quando a aplicação não requerer
medidas de alta precisão, um sistema de calibração pode
ser montado com materiais de baixo custo. Lojas de produtos eletrônicos
em geral como a Radio Shack têm à venda medidores
de nível de pressão de som por cerca de US$ 50. É
possíivel encontrar também sirenes piezoelétricas
amplificadas (US$2) que necessitam apenas ser conectadas a uma pilha
e um interruptor para criar uma mini fonte de som. A idéia é ativar
a sirene, medir a amplitude com o medidor de pressão
de som, substituir o medidor pelo microfone
e gravar o tom calibrado. Idealmente, isso deveria ser feito dentro de uma câmara
anecóica para eliminar todos os sons exceto o que esta sendo irradiado
diretamente pela sirene. Resultados razoáveis
podem ser obtidos num ambiente externo silencioso, sem vento ou superfícies
duras próximas. Este procedimento apresenta muitas fontes de erro, incluindo:
a inconstância da sirene, a precisão
do medidor, outros sons e eco, e erros na distância
e alinhamento durante a substituição do medidor
pelo microfone. Deve-se repetir este procedimento várias vezes para se
obter medidas de erro nas medições da nível de pressão
de som e nas amplitudes dos tons gravados, que
juntos indicarão a precisão geral dos ajustes de calibração.
Volta ao topo | Página Inicial
Os
filtros "highpass, lowpass e bandpass"
especificados no menu "Set - General" ou clicando no gráfico
do Espectrograma são filtros digitais de Butterworth de resposta de impulso
infinito (IIR). Este tipo de filtro é caracterizado por ser
chato na faixa de frequencias a que é permissivo
e de maneira geral, monotônico, mas que não possui uma mudança
muito abrupta na frequência crítica. Deve-se, portanto, evitar
ajustar as frequências críticas próximas às frequências
de interesse na análise.
A magnitude da resposta do filtro nas frequências
de corte é sqrt (1/2) = 0.707. Pode-se ajustar a resposta da frequência
do filtro alterando a frequência crítica e a ordem
do filtro. Problemas numéricos podem surgir caso ordens
iguais ou superiores a 15 sejam especificadas.
Versões futuras do Sound Ruler deverão
incluir um gráfico de resposta da frequência do filtro para facilitar
o ajuste das frequências de corte e da ordem do filtro.
Volta ao topo | Página Inicial
Filtro de curva de sensibilidade
A
ferramenta de curva de sensibilitade utiliza uma equação modificada
de Yule-Walker para desenhar um filtro digital IIR recursivo utilisando um ajuste
de quadrado mínimo da resposta de frequência especificada pelo
usuário no arquivo de filtro.
Quando um filtro é criado, o Sound Ruler
produz um gráfico combinando a resposta da frequência especificada
no filtro com a resposta da frequência produzida pelo filtro. Este gráfico
pode ser usado como um guia para ajustar a ordem
do filtro e a resposta de frequência desejada, a fim de
obter a melhor configuração de filtro. Aumentar a ordem do filtro
pode produzir combinações melhores, mas problemas numéricos
podem surgir com filtros de ordem muito alta. Mudanças bruscas na resposta
de frequência podem produzir combinações ruins.
Volta ao topo | Página Inicial
A
análise de cross-correlation gera um índice de máxima sobreposição
entre cada gráfico especificado pelo usuário. Isto é feito
através do deslizamento do segundo gráfico sobre o primeiro e
gerando um índice de sobreposição a cada passo do deslizamento.
O resultado é o maior índice absoluto e o posicionamento relativo
no qual ele ocorreu.
Para os oscilogramas, os gráficos são
vetores de amplitude por tempo. Eles são deslizados ao longo do eixo
de tempo, a intervalos definidos no campo "Resolution" da ACC.
Os Espectros de Potência são vetores
de amplitude por frequência. Eles são deslizados ao longo dos eixos
de frequência a intervalos iguais à resolução de
frequência do gráfico. A unidade de FFT usada é independente
do comprimento do sinal e é igual a unidade de FFT especificada para
o gráfico de Espectro de Potência ("Menu - Options - Power
Spectrum"`). A FFT é centralizada no ponto de máxima amplitude
do sinal. Se o sinal for mais longo do que a FFT, ele será cortado; se
for mais curto, zeros serão adicionados no início ou no fim.
Os espectrogramas são matrizes de amplitude
por frequência por tempo. Os gráficos são deslizados ao
longo dos eixos de tempo a intervalos iguais aos ( FFT
size - FFT overlap ) especificados no Espectrograma. Em ACCs em 2D, os
gráficos também são deslizados ao longo dos eixos de frequência
a intervalos iguais a ( taxa de amostragem/ FFT size
) especificados para o Espectrograma. Cada sinal selecionado para a análise
recebe ( FFT size / 2 ) zeros no início
e ( FFT size / 2 ) zeros no fim, para permitir
que o início e o fim do sinal sejam centralizados nas FFTs. Pode-se especificar
um tempo de sinal extra para ser incluido com os cantos selecionados para a
ACC, para fazer com que as FFTs dos limites do som contenham ruídos de
fundo da gravação e não zeros.
O índice de correlação é
a soma dos produtos, para cada passo no deslizamento, dos valores dos dois sinais.
Se a opção "Normalize amplitude" estiver selecionada,
então o cálculo do índice é o mesmo, mas para cada
passo no deslizamento, o produto dos valores é dividido pela raiz quadrada
do produto das somas dos valores em cada sinal.
Volta ao topo | Página Inicial
Esta
é uma ferramenta didática e conceitual para auxiliar a visualização
de cenários acústicos. A abordagem numérica busca facilitar
a compreensão das relações quantitativas entre variáveis.
Não se deve esperar que os resultados obtidos concordem precisamente
com situações reais, uma vez que as relações entre
as variáveis são tratadas em sua forma mais simplista, assumindo
propagação em um campo livre, nível de pressão de
som = a intensidade do som, absorção de som pelo meio despresível,
etc.
O Sound Math está ainda em sua infância
e existem muitos planos de expansão, tais como auxílios visuais
para identificar variáveis relacionadas, demostração da
relação matemática e/ou gráficos de pares de variáveis,
novos cenários e aumento gradual de complexidade. No entanto, a opinião
dos usuários será muito importante na definição
do direcionamento com o qual o Sound Math deve crescer.
O cenário atual apresenta uma fonte sonora
em um campo silencioso livre ou hemisferico, produzindo
um tom sem modulação de frequência. O som se propaga através
de um meio estático homogêneo sem absorção e atinge
um receptorr estático que codifica o som como informação
digital.
Exercícios para estudantes podem incluir
não apenas questões no âmbito do cenário, mas extensões
a ele, como efeito Doppler, cálculos de pressão de som na superfície
da membrana timpânica, problemas com fontes múltiplas, "aliasing",
etc.
O nível de potência
na fonte é:
sourcePowerLevel
= 10 * log10 (sourcePower/ 0.000000000001)
Observação:
1 picowatt é a referência para o nível
de potência na fonte.
O som irradia da fonte numa superfície
em expansão que é :
surface = 4 * pi
* r ^ 2 num campo livre (uma ave em vôo)
surface = 2 * pi
* r ^ 2 num campo hemisférico (como num chão plano ou na superfície
da água).
A intensidade do som diminui com a distância
à medida de:
remoteIntensity
= sourcePower / surface
O nível de pressão remoto
é aproximadamente:
remotedBSPL ~= 10
* log10 ( remoteIntensity / 0.000000000001)
Observação:
1 picowatt é a referência para o nível de intensidade do
som.
O período da fonte de som é:
sourcePer = 1 / sourceFreq
E o número de ciclos de som produzido
é dado por:
sourceCycles
= sourceFreq * sourceDuration
O comprimento de onda do som no meio é
definido como:
mediumWavelength = mediumSoundSpeed / sourceFreq
O atraso com o qual o som é percebido
pelo receptor é:
remoteDelay = remoteDistance / mediumSoundSpeed
A pressão remota (em pascais) é:
remotePressurePa = 10 ^ ( remotedBSPL / 20 + log10 ( 0.00002 ) )
Observação: 0.00002 Pa é a referência para o nível
de pressão do som (SPL).
E em atmosferas, a pressão é:
remotePressureAtm = remotePressurePa / 101325
Quando o som é digitalizado, a frequência
de Nyquist é:
remoteNyquistFreq = remoteSRate / 2
A resolução de freqüência
é dada por:
remoteFreqResol = remoteSRate / remoteFFTsize
E a resolução de tempo é:
remoteTimeResol = 1 / ( remoteSRate / remoteFFTsize )
O número de valores possíveis
de amplitude com o qual o som é armazenado é:
remoteCategories = 2 ^ remoteBits
E se o sinal variar de -1 volt a +1 volt, a resolução
de amplitude é:
remoteAmplResol = 2 / remoteCategories
Volta ao topo | Página Inicial