Desarrollo de software para procesamiento de señales de ...tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/21925/1/Tesis_v2.6.pdf · sonómetro al reproducir el ruido y antiruido grabado

22 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

Desarrollo de software para procesamiento de

señales de audio y mejora multimedia

P R O Y E C T O T E R M I N A L

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A N

Andrade Chavez Eduardo

Azamar Cágal Francisco

Rodríguez Mayoral Mónica Alejandra

A S E S O R E S

ING. PATIÑO GALLEGOS CATALINA

ING. TRINIDAD ÁVILA LUCERO IVETTE

MÉXICO, D.F. DICIEMBRE 2015

Desarrollo de software para procesamiento de señales de audio y mejora multimedia.

2

Resumen

En el presente proyecto terminal se muestra el diseño y desarrollo de un software

para el procesamiento de señales de audio enfocando su uso a personas que

disfruten de sonido multimedia en la computadora rodeado de fuentes que generan

contaminación acústica.

El usuario de computadora al escuchar algún audio multimedia si no está expuesto

a contaminación acústica lo escucha a un volumen razonable, pero si éste se

encuentra en un lugar donde haya fuentes de ruido ambiental que disminuyan su

percepción del audio multimedia, tenderá a aumentar el nivel de dB en los

audífonos, el cual aunado al ruido que se filtra por los audífonos perjudica en gran

medida el sistema auditivo del usuario.

El proyecto desarrollado es el prototipo de un software programado en Visual Studio,

en la plataforma .NET, tomando como base el lenguaje C# y librerías especializadas

para el manejo de audio. El cual implementa utilidades para el manejo de señales

de audio mediante la implementación de un sonómetro, basado en el proceso de la

señal mediante diversas librerías, y un control de volumen independiente a la

computadora.

Las pruebas del software consistieron en: 1) medir el nivel de dB registrados en un

sonómetro al reproducir el ruido y antiruido grabado en diferentes condiciones y; 2)

medir el nivel de dB en un maniquí, simulando la respuesta del oído humano en

diferentes condiciones con el software en tiempo real.

Finalmente los resultados muestran que el software funciona mientras se

reproduzcan al mismo tiempo las señales, ya que al reproducirlo en “tiempo real” el

retardo que se crea al adquirir y enviar datos evita el correcto funcionamiento del

software.


3

Tabla de contenido

Resumen................................................................................................................................. 2

Tabla de contenido ................................................................................................................. 3

Índice de Tablas ..................................................................................................................... 7

Índice de Imágenes ................................................................................................................ 8

Índice de gráficas.................................................................................................................... 9

CAPÍTULO I Análisis, Evaluación y Diagnóstico ................................................................. 10

1.1 Problemática ............................................................................................................... 11

1.2 Propuesta general de solución ................................................................................... 11

1.2.1 Objetivo General .................................................................................................. 11

1.2.2 Objetivos Particulares .......................................................................................... 11

1.3 Justificación................................................................................................................. 12

1.4 Hipótesis de Solución ................................................................................................ 15

1.4.1 Hipótesis General ................................................................................................. 15

1.4.2 Hipótesis Nula ...................................................................................................... 15

1.4.3 Hipótesis Alternativa............................................................................................. 15

CAPÍTULO II Marco Conceptual y Contextual ..................................................................... 16

2.1 Sonido ......................................................................................................................... 17

2.2 El oído ......................................................................................................................... 19

2.2.1 Oído Externo ........................................................................................................ 20

2.2.2 Oído Medio ........................................................................................................... 21

2.2.3 Oído Interno.......................................................................................................... 21

2.3 Decibel [dB]................................................................................................................. 21

2.4 Enmascaramiento ....................................................................................................... 22

2.5 Altura y Frecuencia ..................................................................................................... 23

2.6 Ruido ........................................................................................................................... 23

2.7 Norma Oficial Mexicana NOM-081-ECOL-1994 ........................................................ 24

2.7.1 Objeto ................................................................................................................... 24

2.7.2 Campo de aplicación............................................................................................ 25

2.8 Tipos de Fuente de ruido............................................................................................ 25

2.8.1 Fuente Puntual ..................................................................................................... 25


4

2.8.2 Fuente Lineal........................................................................................................ 26

2.9 Ventanas Abiertas y Cerradas.................................................................................... 27

2.10 Contaminación acústica............................................................................................ 27

2.10.1 Efectos del ruido sobre la salud......................................................................... 28

2.10.2 Multimedia en computadora portátil (laptop) ..................................................... 28

2.11 Sonómetro................................................................................................................. 29

2.11.1 Sonómetro Integrador ........................................................................................ 30

2.12 Cancelación de ruido ................................................................................................ 31

2.13 Modulación PCM....................................................................................................... 31

2.14 Sistemas actuales en el mercado ............................................................................ 32

2.15 Composición del sistema de cancelación ................................................................ 33

2.16 Costos y limitaciones. ............................................................................................... 33

CAPÍTULO III Planeación, Análisis, Diseño, Programación y Construcción ...................... 34

3.1 Metodología CVDSIBC ............................................................................................... 35

3.2 Planeación y Análisis. ................................................................................................. 36

3.2.1 Análisis ................................................................................................................. 36

3.2.2 Planeación ............................................................................................................ 36

3.3 Diseño ......................................................................................................................... 38

3.4 Diseño preliminar o conceptual o lógico .................................................................... 38

3.4.1 Adquisición de datos ............................................................................................ 38

3.4.2 Manejo y modificación de los datos adquiridos ................................................... 38

3.5 Diseño detallado o particular o procedural del sistema ............................................. 38

3.5.1 Diagramas de flujo de datos ................................................................................ 39

3.5.2 Tabla sistémica .................................................................................................... 41

3.5.3 Diccionario de datos ............................................................................................. 41

3.5.4 Análisis Costo-Beneficio ...................................................................................... 42

Diseño preliminar........................................................................................................... 42

3.5.5 Software de grabación ......................................................................................... 42

3.5.6 Software en tiempo real ....................................................................................... 43

Diseño detallado (Grabación) ....................................................................................... 43

3.5.7 Salidas del sistema .............................................................................................. 43

Diseño detallado (Tiempo Real).................................................................................... 44

3.5.8 Entradas del sistema............................................................................................ 44

3.5.9 Salidas del sistema .............................................................................................. 45


5

3.6 Programación y construcción. .................................................................................... 47

Librerías ......................................................................................................................... 47

3.6.1 Microsoft.Xna.Framework .................................................................................... 47

3.6.2 Microsoft.Xna.Framework.Audio .......................................................................... 47

3.6.3 Funcionamiento de software con grabación ........................................................ 48

3.6.4 Funcionamiento de software en tiempo real........................................................ 49

CAPÍTULO IV Caso Práctico y Pruebas .............................................................................. 50

4.1 Pruebas Software de Grabación ................................................................................ 51

4.1.1 Mediciones del ruido en la cámara anecoica ...................................................... 51

4.1.2 Mediciones a 5 cm ............................................................................................... 55

4.1.3 Mediciones a 48.5 cm .......................................................................................... 56

4.1.4 Mediciones 119.7 cm ........................................................................................... 58

4.1.5 Mediciones a 5 cm a 1KHz .................................................................................. 60

4.1.6 Mediciones a 48.5 cm a 1 KHz ............................................................................ 61

4.1.7 Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz .......................................................................... 63

4.2 Pruebas de software en tiempo real........................................................................... 65

4.2.1 Maniquí sin auriculares. (Medir ruido ambiental) ................................................ 68

4.2.2 Maniquí con auriculares sin que el software funcione. ....................................... 71

4.2.3 Maniquí con auriculares con el software funcionando. ....................................... 73

Trabajos Futuros................................................................................................................... 76

Conclusiones ........................................................................................................................ 77

Bibliografía ............................................................................................................................ 79

Glosario................................................................................................................................. 80

Anexo .................................................................................................................................... 82

Construcción del software de grabación .......................................................................... 82

Adquisición y procesado de los datos mediante el uso de un buffer. .......................... 82

Algoritmo de cancelación de ruido ................................................................................ 83

Reproducción de Ruido ................................................................................................. 83

Reproducción del antiruido ........................................................................................... 83

Reproducción de ambas señales.................................................................................. 84

Construcción del software en tiempo real ........................................................................ 84


6

Adquisición y procesado de los datos mediante el uso de un buffer ........................... 84

Algoritmo de cancelación de ruido ................................................................................ 85

Reproducción de los datos almacenados en el buffer ................................................. 85


7

Índice de Tablas

Tabla 1. Comparativo de precios de auriculares de cancelación de ruido. ..........................13

Tabla 2. (Continuación) Comparativo de precios de auriculares de cancelación de ruido. .14

Tabla 3. Comparación entre auriculares y software de cancelación de ruido. ....................15

Tabla 4. Límites Máximos Permisibles..................................................................................25

Tabla 5. Tabla sistémica de la solución propuesta. ..............................................................41

Tabla 6. Diccionario de datos ................................................................................................41

Tabla 7. Análisis Costo - Beneficio........................................................................................42

Tabla 8. Mediciones dentro de la cámara anecoica. ............................................................51

Tabla 9 (Continuación). Mediciones dentro de la cámara anecoica. ...................................52

Tabla 10. Mediciones a 5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al

________mismo tiempo. .......................................................................................................55

Tabla 11. Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales

________al mismo tiempo. ...................................................................................................56

Tabla 12. (Continuación) Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y

________Ambas Señales al mismo tiempo..........................................................................57

Tabla 13. Mediciones a 119.7 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas

________Señales al mismo tiempo. .....................................................................................58

Tabla 14. Mediciones a 5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ .......................................60

Tabla 15. Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ ..................................61

Tabla 16 (Continuación). Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ .........62

Tabla 17. Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz ...........................................................................63

Tabla 18. NPS en cafetería 8 ................................................................................................68

Tabla 19. Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM.............................................69

Tabla 20 (Continuación). Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM ....................70

Tabla 21. Mediciones en los oídos del maniquí sin software ..............................................71

Tabla 22 (Continuación) Mediciones en los oídos del maniquí sin software .......................72

Tabla 23 . Mediciones en los oídos del maniquí con software .............................................73

Tabla 24 (Continuación). Mediciones en los oídos del maniquí con software .....................74


8

Índice de Imágenes

Imagen 1. Umbral de audición del ser humano ....................................................................17

Imagen 2. Niveles de Presión Sonora...................................................................................19

Imagen 3. Esquema del Sistema Auditivo. ...........................................................................20

Imagen 4. Enmascaramiento ................................................................................................23

Imagen 5. Fuente Puntual .....................................................................................................26

Imagen 6. Fuente Lineal ........................................................................................................27

Imagen 7. Diagrama a bloques de un Sonómetro ................................................................29

Imagen 8. Sonómetro Integrador ..........................................................................................30

Imagen 9. Proceso de modulación por codificación de pulsos ............................................32

Imagen 10. Ciclo de Vida para el Desarrollo de Sistemas ...................................................35

Imagen 11. Diagrama de Gantt .............................................................................................37

Imagen 12. Diagrama de Flujo de Datos (Nivel 0) ................................................................39

Imagen 13. Diagrama de Flujo de Datos (Nivel 1) ................................................................40

Imagen 14. Diseño preliminar (Grabación) ...........................................................................43

Imagen 15. Diseño preliminar ...............................................................................................43

Imagen 16. Formulario Grabación.........................................................................................44

Imagen 17. Formulario Volumen ...........................................................................................44

Imagen 18. Software Desactivado ........................................................................................45

Imagen 19. Software Activado ..............................................................................................45

Imagen 20. Formulario Sobre................................................................................................46

Imagen 21. Formulario Sonómetro........................................................................................46

Imagen 22. Descripción de botones (grabación) ..................................................................48

Imagen 23. Descripción de botones......................................................................................49

Imagen 24. Medición a 5 cm dentro de la cámara anecoica ................................................53

Imagen 25. Medición a 48.5 cm dentro de la cámara anecoica ...........................................54

Imagen 26. Medición a 119.7 cm dentro de la cámara anecoica .........................................54

Imagen 27. Maniquí de pruebas............................................................................................65

Imagen 28. Micrófono Electret ..............................................................................................66

Imagen 29. Características del micrófono Electret ...............................................................66

Imagen 30. Sonómetro EXTECH ..........................................................................................66

Imagen 31. Sonómetro Digital CEM......................................................................................67

Imagen 32. Medición de ruido ambiental con ambos sonómetros .......................................71

Imagen 33. Medición con maniquí sin software....................................................................73

Imagen 34. Maniquí con software funcionando ....................................................................75


9

Índice de gráficas

Gráfica 1. NPS dentro de la cámara anecoica......................................................................52

Gráfica 2. Mediciones a 5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al

________mismo tiempo. .......................................................................................................56

Gráfica 3. Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales

________al mismo tiempo. ...................................................................................................57

Gráfica 4. Mediciones a 119.7 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas

________Señales al mismo tiempo. .....................................................................................59

Gráfica 5. Mediciones a 5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ.......................................61

Gráfica 6. Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ .................................62

Gráfica 7. Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz...........................................................................64

Gráfica 8. Ruido Ambiental en la Cafetería 8 .......................................................................69

Gráfica 9. Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM ............................................70

Gráfica 10. Mediciones en los oídos del maniquí sin software ............................................72

Gráfica 11. Mediciones en los oídos del maniquí con software ...........................................74


10

CAPÍTULO I Análisis, Evaluación y Diagnóstico


11

1.1 Problemática

El ruido ambiental es parte fundamental de la contaminación acústica que

existe hoy en día que el propio hombre generó gracias al desarrollo de la

tecnología, provocándole hipoacusia mejor conocida como sordera.

Otros efectos o consecuencias que produce el ruido incluyen: conductas de

irritabilidad y agresividad, estrés; aumento de la frecuencia cardiaca, la

presión arterial y la frecuencia respiratoria; alteraciones del sueño y del

descanso.

El control o reducción del ruido ambiental ha sido un problema para el cual

se han desarrollado distintas soluciones, pero al no tener una solución

definitiva, se abre el campo a nuevas alternativas de solución.

El CrossTalk es un efecto acústico que deteriora la percepción de multimedia

estéreo disminuyendo la calidad del paneo en los altavoces.

El CrossTalk dificulta la correcta identificación de la posición de las diferentes

fuentes de sonido, ya que esto es aplicable en archivos de música,

videojuegos, películas, entre otros.

1.2 Propuesta general de solución

Este proyecto se enfocará en solucionar particularmente el problema de ruido

ambiental, proponiendo el desarrollo de un software para computadora que cumpla

con los siguientes objetivos.

1.2.1 Objetivo General

Desarrollar software para el procesamiento de señales de audio en equipo

de cómputo para dar solución a los problemas acústicos mencionados.

1.2.2 Objetivos Particulares

Adquirir la señal a través del micrófono de la computadora que mida el ruido

ambiental.

Diseñar y desarrollar un software que sea el que genere la señal de cancelación de ruido en base a la señal adquirida del ruido, sin la necesidad

de utilizar hardware externo.


12

Es importante mencionar que debido al tipo de reverberación que existe en las

computadoras al grabar y reproducir al mismo tiempo, es necesario el uso de los

auriculares.

1.3 Justificación

El ruido ambiental hoy en día es un problema muy serio que afecta a todos, en

especial a los que se encuentran en zonas donde el nivel de presión sonora (NPS)

es muy elevado, como consecuencia de toda la tecnología que el hombre ha creado,

para satisfacer sus necesidades; provocando con esto un daño irreversible en el

sistema auditivo de las personas que se encuentran ahí.

Actualmente la tecnología de cancelación activa de ruido implementada en

audífonos fabricados por diferentes empresas, combate este problema pero debido

a que es relativamente nueva, no hay muchas compañías que se dediquen a

desarrollarla; provocando que su costo sea elevado y por lo tanto inaccesible para

todas las personas.

Como se observa en la Tabla 1 y Tabla 2, centrándonos principalmente en los

precios que manejan este tipo de auriculares, es de donde surge la necesidad de

poder ofrecer a cualquier usuario con una computadora, la posibilidad de disfrutar

de su contenido multimedia sin preocuparse por el ruido ambiental, con la gran

ventaja de que cualquier auricular podrá convertirse en uno anti-ruido ambiental por

medio del software desarrollado.


13

Tabla 1. Comparativo de precios de auriculares de cancelación de ruido.

Marca Modelo Especificaciones Precio(USD)

ATH-ANC9 QuietPoint con

cancelación de ruido activa.

La tecnología de cancelación de ruido activa

QuietPoint reduce el ruido ambiental hasta

en un 95%.

De tres niveles de cancelación - 3 modos de

cancelación de ruido

personalizar el rendimiento

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usted y lo puede usar todo

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distancia.

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14

Tabla 2. (Continuación) Comparativo de precios de auriculares de cancelación de ruido.

Marca Modelo Especificaciones Precio(USD)

Sony MDR-1RNC

Su tecnología de reducción activa del ruido basada en un sistema de sensores dual promete eliminar hasta un 97,7% del ruido ambiental.

No es un dispositivo inalámbrico, sino que necesita de un cable (de 1,2 metros) para conectarse con nuestras fuentes musicales.

No incorporan control de volumen y la batería que hace funcionar al sistema de cancelación activa del ruido tiene una autonomía de unas 22 horas.

$432.36

Empleando esta premisa, se hace una comparación (Tabla 3) entre lo que son los

auriculares supresores de ruido contra el software que se ejecutará en la

computadora para hacer la cancelación activa de ruido, explicando por qué es mejor

el software al uso de auriculares.


15

Tabla 3. Comparación entre auriculares y software de cancelación de ruido.

CASOS VENTAJAS DESVENTAJAS

Auriculares con cancelación de

ruido

Portabilidad

Alto factor de cancelación. Disminuye la

necesidad de usar los auriculares a volúmenes

muy altos.

Costos altos.

Ruido de error.

Hardware extra.

Software para la cancelación de ruido

Costos accesibles.

Compatibilidad con cualquier tipo de auricular

Alto factor de cancelación

Disminuir la necesidad de

usar los auriculares a volúmenes altos.

Uso de una computadora

Ruido de error (en menor cantidad comparado con

los auriculares)

1.4 Hipótesis de Solución

1.4.1 Hipótesis General

Con la implementación del software de procesamiento de audio se espera

lograr una reducción en los niveles de dB percibidos por el usuario generados por el ruido ambiental

1.4.2 Hipótesis Nula

El uso del software de cancelación activa de ruido provocará distorsión en el sonido multimedia y nula cancelación de ruido.

1.4.3 Hipótesis Alternativa

El software adquiriendo datos del ruido ambiental podrá servir como monitor de ruido ambiental.


16

CAPÍTULO II Marco Conceptual y Contextual


17

2.1 Sonido

El fenómeno acústico más conocido es el que se relaciona con la sensación del

sonido. Para las personas jóvenes, una perturbación vibracional se interpreta como

un sonido si su frecuencia está en el intervalo de cerca de 20 a 20 000 Hz (1 Hz =

1 Hertz = 1 ciclo/segundo) representado gráficamente en la Imagen 1. Esto, en un

sentido más amplio, la acústica también incluye las frecuencias ultrasónicas

superiores a 20 000 Hz y las frecuencias infrasónicas inferiores a 20 Hz.1

Una fuente sonora genera vibraciones de pequeña amplitud en el aire que la rodea

y, debido a la compresibilidad y a la masa del aire, éstas se propagan y llegan al

oído del auditor.

El evento sonoro captado en un punto del espacio posee esencialmente dos

características: Volumen y Tono. El Volumen se relaciona con la magnitud física de

la Presión Sonora p, y el Tono con la frecuencia f.

Imagen 1. Umbral de audición del ser humano

1 “Fundamentos de Acústica”; Kinsler Ed. Limusa, 1995.


18

El sonido por debajo de este rango de frecuencias se denomina Infrasonido. Sobre

el límite superior de la audición humana se ubica el Ultrasonido, que tiene

aplicaciones tales como la técnica de modelos acústicos, técnicas de diagnóstico

en medicina y ensayos no destructivos de materiales.

Los límites del sonido audible no pueden definirse con mucha precisión. El límite

superior es diferente para cada individuo, dependiendo de factores como la edad,

la exposición prolongada a sonidos intensos, tales como el ruido en el trabajo o

música con elevado volumen, etc.

El límite superior de 16 kHz está referido a una persona sana con una edad cercana

a los 20 años y comienza a disminuir con la edad, más o menos a razón de 1 kHz

por cada diez años.

El límite inferior, que igualmente está establecido sólo de manera aproximada

determina el límite a partir del cual una secuencia discreta se empieza a percibir

como continua. A frecuencias muy bajas se puede distinguir claramente entre una

serie de eventos o sucesos.

En acústica el término frecuencia va unido al concepto de tono puro, entendido

como una variación temporal de forma sinusoidal. Tal comportamiento puramente

sinusoidal raramente se puede encontrar en los sonidos naturales.

La percepción del volumen del sonido sigue también la ley logarítmica de Weber-

Fechner. El oído debe cumplir la tarea de percibir sonidos muy tenues, como la

caída de una hoja en un ambiente silencioso, y también ruidos tan intensos como el

de una explosión. Los seres humanos pueden percibir sonidos con una presión de

2𝑥10−5 𝑁/𝑚2 hasta 200 𝑁/𝑚2, donde al valor superior representa el umbral del

dolor como se ilustra en la Imagen 2.

El rango audible cubre un intervalo relativo de presiones de aproximadamente siete

potencias de diez (107), siendo un intervalo extraordinariamente grande. Si se

traduce a distancias, para tener una idea más visual.

Correspondería por ejemplo a un intervalo desde 1 milímetro hasta 10 kilómetros.

El maravilloso aparato auditivo hace que un intervalo tan grande sea realmente

perceptible. Para valorar esta capacidad del oído, basta pensar en la imposibilidad

de tener un aparato óptico (por ejemplo una lupa) que pueda trabajar tanto en el

rango milimétrico como en el kilométrico.

Resulta razonable entonces, no usar la magnitud física presión sonora como medida

técnica, sino una magnitud logarítmica. Internacionalmente se define el Nivel de

Presión Sonora (L) como.

𝐿 = 20 log (𝑝

𝑝0) = 10 log (

𝑝

𝑝0)

2

(2.1)


19

Con 𝑝0 = 2 𝑥 10−5 𝑁/𝑚2 , esta presión corresponde aproximadamente al valor

mínimo de presión que debería tener un tono puro de 1000 Hz para que una persona

normal lo perciba. El factor 20 (o 10) en la ecuación 2.1 se ha elegido de manera tal

que 1 dB corresponde aproximadamente a la mínima diferencia del Nivel de Presión

Sonora necesaria para que el ser humano perciba dos sonidos con distinto volumen.

Imagen 2. Niveles de Presión Sonora

2.2 El oído

Es capaz de responder sobre un intervalo de aproximadamente 20 Hz a 20 kHz y a

1 kHz se pueden detectar sonidos que desplazan el tímpano solamente un décimo

del diámetro de la molécula de hidrógeno.

Es una de las estructuras mecánicas del cuerpo humano más intrincadas y

delicadas; consta de tres partes esenciales ilustradas en la Imagen 3.


20

Imagen 3. Esquema del Sistema Auditivo.

2.2.1 Oído Externo

La oreja sirve de cuerno que colecta el sonido hacia el canal auditivo.

El canal auditivo es un tubo aproximadamente recto cerca de 0.7 cm de diámetro y

2.5 cm de largo, cerrado en su extremo interior por la membrana timpánica.

El tímpano forma un cono aplastado que yace oblicuamente a través del canal

auditivo con su vértice hacia adentro. Es bastante flexible en el centro y esta

acoplado por su borde al extremo del canal. Esta membrana es la entrada al oído

medio, una cavidad llena de aire aproximadamente 2 cm3 de volumen que contiene

tres osículos (huesos): martillo, yunque y estribo, junto con los músculos y

ligamentos que lo sostienen. Esta cavidad está conectada a la garganta a través de

la Trompa de Eustaquio (la cual normalmente está cerrada, pero se abre durante el

bostezo o la deglución para igualar la presión a cada lado del tímpano).


21

2.2.2 Oído Medio

Las vibraciones del tímpano se transmiten al martillo, a través del yunque, después

del estribo, que cubre la ventana oval.

Esta disposición de huesos, en combinación con una proporción de áreas de cerca

de 30 a 1 entre el tímpano y la ventana oval, confiere un acoplamiento de

impedancias aproximado entre el aire en el canal auditivo y el líquido del oído

interno.

Este acopamiento de impedancias varía con la intensidad del ruido recibido.

2.2.3 Oído Interno

Consta de 3 partes: el vestíbulo (cámara de entrada), los canales semicirculares

y la cóclea. El vestíbulo conecta con el oído medio a través de dos aberturas, la

ventana oval y la ventana circular.

Ambas ventanas están selladas para impedir que escape el líquido que llena el oído

interno; la primera por medio del estribo y su soporte y la última por una delgada

membrana. Con estas dos excepciones, todo el oído interno está rodeado de hueso.

(Los canales semicirculares no desempeñan ninguna función en el proceso de la

audición; dan el sentido al equilibrio).

2.3 Decibel [dB]

Existe una gama tan amplia de presiones e intensidades que se encuentran en

nuestro medio acústico, las intensidades audibles van desde aproximadamente

10−12 a 10 𝑊/𝑚2 . El uso de escalas logarítmicas comprime la gama de números

requeridos para describir este gran intervalo de intensidades.

Los humanos juzgan la sonoridad relativa de dos sonidos por la razón de sus

intensidades; un comportamiento logarítmico.

El nivel de intensidad de un sonido de intensidad está definido por.

𝑁𝐼 = 10 log(𝐼 𝐼𝑟𝑒𝑓⁄ ) (2.2)

Donde 𝐼𝑟𝑒𝑓 es una intensidad de referencia, está expresado en decibeles con

referencia a 𝐼𝑟𝑒𝑓 (𝑑𝐵 𝑟𝑒 𝐼𝑟𝑒𝑓), y “log” representa el logaritmo base 10.


22

La intensidad y la presión efectiva de las ondas planas y esféricas están

relacionadas por 𝐼 = 𝑃𝑒2/(𝜌0 𝑐). En consecuencia, las intensidades en la ecuación

2.2 pueden reemplazarse con expresiones para la presión, lo cual lleva al Nivel de

Presión Sonora.

𝑁𝑃𝑆 = 20 log(𝑃𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑓⁄ ) (2.3)

Donde NPS esta expresado en (𝑑𝐵 𝑟𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑓); 𝑃𝑒 es la Presión Efectiva medida de la

onda sonora y 𝑃𝑟𝑒𝑓 es la Presión Efectiva de Referencia. Si se escoge 𝐼𝑟𝑒𝑓 =

𝑃𝑟𝑒𝑓2 /(𝜌0𝑐), entonces 𝑁𝐼 𝑟𝑒 𝐼𝑟𝑒𝑓 = 𝑁𝑃𝑆 𝑟𝑒𝑃𝑟𝑒𝑓.

2.4 Enmascaramiento

Se produce por sonidos indeseados que inevitablemente interfieren con la señal del

habla. Los ruidos que enmascaran provienen de fuentes acústicas como

equipamiento de ventilación, tráfico, reverberación y ecos.

Cuando se escuchan un sonido suave y fuerte al mismo tiempo puede que no se

oiga el suave. El sonido suave queda enmascarado por el fuerte. El sonido fuerte

posee un efecto de enmascaramiento mayor si el suave permanece dentro del

mismo intervalo de frecuencia, pero el enmascaramiento se produce también

cuando el sonido suave esta fuera del intervalo de frecuencia del sonido fuerte. El

enmascaramiento depende del nivel de presión sonora de las señales

“enmascarante” y “enmascarada”, así como de la separación en frecuencia y en

tiempo entre las mismas (Imagen 4).

La relación señal del habla a ruido debe ser mayor de 0 dB; la potencia de la señal

del habla para que pueda ser comprendida depende, entre otros factores, del tipo y

del contenido espectral del ruido que la enmascara.

El ruido llamado “de banda ancha” es el que más uniformemente enmascara una

señal. A igualdad de frecuencia el ruido enmascara la señal; en cambio, resulta muy

difícil de enmascarar con otro de frecuencia diferente, alejada en el espectro.

El enmascaramiento podrá realizarse, pero a costa de elevar mucho más el nivel de

presión sonora necesario. Un sonido de determinada frecuencia tiene más poder

enmascarante sobre otro de frecuencia más aguda que sobre otro de frecuencia

más grave. Por lo tanto, si se está buscando un enmascaramiento, resultará más

fácil lograrlo con un sonido de frecuencia más grave que el enmascarado.


23

Imagen 4. Enmascaramiento

2.5 Altura y Frecuencia La altura, como la sonoridad, es una característica compleja y depende de varias

cantidades físicas. Aunque está determinada fundamentalmente por la frecuencia,

también influyen la intensidad y la forma de la onda. Si se suena un tono puro de

aproximadamente 100 Hz a un nivel de sonoridad moderado y después a un nivel

alto, el más sonoro tendrá una altura más baja. La disminución de la altura más

pronunciada ocurre para tonos de frecuencia debajo de aproximadamente 300 Hz.

Para frecuencias entre 500 y 3000 Hz, la altura es relativamente

independientemente de su sonoridad. Para tonos de frecuencia arriba de 4 kHz, la

altura aumenta con la sonoridad y el aumento es mayor para frecuencias más altas.

2.6 Ruido

En casa y en el trabajo a menudo se escuchan ruidos, procedentes de sistemas de ventilación o de calefacción, a los cuales difícilmente se presta atención ya que no

tienen características destacables. Esos ruidos nunca paran y no tienen tono, pero si de repente el ventilador se detuviera o empezara a zumbar, el cambio podría


24

llamar la atención o incluso molestar. El oído reconoce información en los sonidos

que se escucha.

La información no requerida pasa a ser ruido. Las características del ruido que hacen atender y prestar atención son tonos o cambios en el nivel sonoro. Cuanto más destacable sea el tono o más abrupto el cambio de nivel sonoro, más

perceptible es el ruido.

Los factores más importantes que afectan a la propagación del ruido son:

• Tipo de fuente (puntual o lineal) • Distancia desde la fuente • Absorción atmosférica

• Viento • Temperatura y gradiente de temperatura

• Obstáculos, tales como barreras y edificios • Absorción del terreno • Reflexiones

• Humedad • Precipitación

Estos factores deben tenerse muy en cuenta para obtener un resultado representativo tanto en la medida o en el cálculo. Las normas especificarán

condiciones para cada factor.

2.7 Norma Oficial Mexicana NOM-081-ECOL-1994

La Norma Oficial Mexicana NOM-081-ECOL-1994, establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición.

CONSIDERANDO Que la emisión de ruido proveniente de las fuentes fijas altera el bienestar del ser

humano y el daño que le produce, con motivo de la exposición, depende de la magnitud y del número, por unidad de tiempo, de los desplazamientos temporales

del umbral de audición. Por ello, resulta necesario establecer los límites máximos permisibles de emisión de este contaminante.

2.7.1 Objeto

Esta Norma Oficial Mexicana establece los límites máximos permisibles de emisión

de ruido que genera el funcionamiento de las fuentes fijas y el método de medición por el cual se determina su nivel emitido hacia el ambiente.


25

2.7.2 Campo de aplicación

Esta Norma Oficial Mexicana se aplica en la pequeña, mediana y gran industria,

comercios establecidos, servicios públicos o privados y actividades en la vía pública.

"ACUERDO POR EL QUE SE MODIFICA EL NUMERAL 5.4 DE LA NORMA OFICIAL

MEXICANA NOM-081-SEMARNAT-1994, QUE ESTABLECE LOS LÍMITES MÁXIMOS

PERMIS IBLES DE EMIS IÓN DERUIDO DE LAS FUENTES FIJAS Y SU MÉTODO DE

MEDICIÓN"

ARTICULO ÚNICO. Se modifica el numeral 5.4 de la Norma Oficial Mexicana NOM-081-SEMARNAT-1994, Que establece los límites máximos permisibles de emisión

de ruido de las fuentes fijas y su método de medición, para establecer lo siguiente.

"5.4 Los límites máximos permisibles del nivel sonoro en ponderación "A" emitidos por fuentes fijas, son los establecidos en la Tabla 4.

Tabla 4. Límites Máximos Permisibles

Zona Horario Límite Máximo Permisible dB (A)

Residencial2 (Exteriores) 6:00 a 22:00 22:00 a 6:00

55 50

Industriales y comerciales 6:00 a 22:00

22:00 a 6:00

68

65 Escuelas (áreas exteriores

de juego) Durante el juego 55

Ceremonias, festivales y eventos de

entretenimiento. 4 horas 100

2.8 Tipos de Fuente de ruido

2.8.1 Fuente Puntual

Si las dimensiones de una fuente de ruido son pequeñas comparadas con la distancia al oyente, entonces se llama fuente puntual, un ejemplo de esta son los

ventiladores y chimeneas.

La energía sonora se propaga de forma esférica (Imagen 5), por lo que el nivel de presión del sonido es el mismo en todos los puntos que se encuentran a la misma

2 Entendida por: vivienda habitacional unifamiliar y plurifamiliar; vivienda habitacional con comercio en planta baja; vivienda habitacional mixta; vivienda habitacional

con oficinas; centros de barrio y zonas de servicios educativo


26

distancia de la fuente y disminuye en 6 dB al doblar la distancia. Esto se mantiene

así hasta que el efecto del suelo y la atenuación del aire influyen de forma notoria en el nivel.

Para una fuente puntual con nivel de potencia sonora, 𝐿𝑊 localizada cerca del suelo,

el Nivel de Presión Sonora (Lp) a cualquier distancia (𝑟, en m.) desde la fuente puede

ser calculado a partir de la ecuación 2.4.

𝐿𝑝 = 𝐿𝑊 − 20 log10 𝑟 − 8 [𝑑𝐵] (2.4)

Imagen 5. Fuente Puntual

2.8.2 Fuente Lineal

Si una fuente de ruido es estrecha en una dirección y larga en la otra comparada

con la distancia al oyente, ésta es llamada fuente lineal. Puede ser una fuente

individual tal como una cañería llevando un fluido turbulento o puede estar

compuesta de muchas fuentes puntuales operando simultáneamente, tal como una

sucesión de vehículos en una carretera concurrida.

El nivel de sonido se propaga cilíndricamente, por lo que el nivel de presión sonora

es el mismo en todos los puntos a la misma distancia de la línea y disminuye en 3

dB al doblar la distancia (Imagen 6). Esto se mantiene así hasta que el efecto del

terreno y la atenuación del aire influyen de forma notoria al nivel.

Para una fuente lineal con nivel de potencia sonora por metro (LW/m) localizada

cerca del suelo, el Nivel de Presión Sonora (Lp) a cualquier distancia (r, en m.)

desde la fuente puede ser calculado a partir de la ecuación 2.5.

𝐿𝑝 = 𝐿𝑊 − 10 log10 𝑟 − 5 [𝑑𝐵] (2.5)


27

Imagen 6. Fuente Lineal

2.9 Ventanas Abiertas y Cerradas

Cuando están en casa, a muchas personas les gusta tener las ventanas cerrada

-por el clima o por tradición-. En esos casos, el ruido molesto en el ambiente queda

atenuado por el edificio, ofreciendo típicamente de 20 – 30 dB de protección

(aislamiento acústico de fachada). Las ventanas suelen ser puntos acústicamente

débiles, pero que pueden ser mejorados mediante un diseño apropiado.

En otros países y climas, las personas se acostumbran a tener las ventanas abiertas

y experimentan los plenos efectos del ruido ambiental. Las normas de ruido

ambiental, por lo tanto, se deben de tomar en cuenta.

2.10 Contaminación acústica

Hace referencia a la presencia de ruido cuando éste se considera como un

contaminante, es decir, un sonido molesto que puede ocasionar efectos fisiológicos

y psicológicos nocivos sobre las personas. Se considera ruido todo aquel sonido

(molesto e indeseable) que interfiere en la actividad habitual o el descanso.

Es un problema medioambiental importante cada vez más presente en la sociedad

moderna y que viene dado por el desarrollo de actividades industriales, el

transporte, la construcción y las actividades lúdicas o recreativas.


28

2.10.1 Efectos del ruido sobre la salud

El oído humano está constituido de tal manera que sólo puede soportar sin daño

una carga acústica que se encuentre dentro de unos parámetros muy determinados.

Uno de los problemas de la contaminación acústica que cuando detectamos los

primeros síntomas de daños, ya se han producido trastornos en nuestro organismo.

La sordera o hipoacusia aparece con niveles de 90 dB y superiores mantenidos.

Una razón por la cual la gente no nota el daño que el ruido produce es porque la

exposición excesiva al ruido causa pocos síntomas. La pérdida de la audición rara

vez es dolorosa.

Otros efectos o consecuencias que produce el ruido sobre la salud además de los

auditivos incluyen: trastornos psicológicos como conductas de irritabilidad y

agresividad, estrés; fisiológicos (aumento de la frecuencia cardiaca, la presión

arterial y la frecuencia respiratoria); alteraciones del sueño y del descanso lo que

conduce a la falta de atención y aprendizaje, somnolencia diurna, cansancio y bajo

rendimiento. La perturbación del sueño con sus consecuencias notables en la

actividad diaria es una de las principales consecuencias de este problema.3

2.10.2 Multimedia en computadora portátil (laptop)

Debido a su uso habitual existe preocupación sobre el efecto que puede tener ésta

sobre la audición. La principal preocupación está relacionada con el volumen y la

duración del sonido. Uno de los problemas es que, con la laptop, el volumen es a

menudo alto y se recibe directamente sobre el oído, al usar auriculares.

Además, debido también a su facilidad de uso, se puede escuchar música durante

un largo periodo de tiempo al día.

Las medidas para utilizarla correctamente y evitar efectos indeseables sobre la

audición incluyen fundamentalmente el ajuste adecuado del volumen en casa o en

lugar sin ruido; sino tendemos a ponerlo muy alto para bloquear el ruido exterior. El

volumen debe permitirnos escuchar los sonidos de fuera. También intentar limitar

su uso diario y no sobrepasar las 2-3 horas diarias.

3 Ver en http://www.mapfre.es/salud/es/cinformativo/ruido-salud.shtml

http://www.mapfre.es/salud/es/cinformativo/ruido-salud.shtml


29

2.11 Sonómetro

Es un instrumento que permite medir el nivel de presión acústica, expresado en dB.

Está diseñado para responder al sonido de la misma forma aproximadamente que

el oído humano y proporciona mediciones objetivas y reproducibles del nivel de

presión acústica. Consiste en un micrófono como transductor de entrada, una

sección de procesamiento de señal y una unidad de lectura (Imagen 7).

Imagen 7. Diagrama a bloques de un Sonómetro

El micrófono de medición convierte la señal acústica a una señal eléctrica

equivalente. Los dos amplificadores, precedidos por atenuadores ajustables por

pasos, adecuan la sensibilidad de la señal dentro del sistema de medición.

Se puede realizar diferentes tipos de procesamiento en la señal, esta puede pasar

a través de una red de ponderación en frecuencia, cuya característica de respuesta

a la frecuencia varía de manera similar a la del oído humano, simulando los

contornos de igual sonoridad. Esto ha resultado en tres diferentes características de

ponderación en frecuencia normalizadas internacionalmente, denominadas como

ponderación “A”, “B” y “C”. La red de ponderación “A” proporciona una respuesta

que se aproxima a la curva invertida de un contorno de igual sonoridad para niveles

de presión acústica bajos, la red de ponderación “B” corresponde a un contorno

invertido para niveles de presión acústica medios y la red “C” a un contorno invertido

para niveles de presión acústica altos, siendo la red de ponderación “A” la más

ampliamente usada.

La función del detector es obtener los valores representativos de la señal, tales

como el valor raíz cuadrático medio (r.c.m.) y el valor cresta o pico. El valor r.c.m.

es de particular importancia porque está directamente relacionado con la cantidad

de energía contenida en la señal.

El convertidor lineal-logarítmico permite la conversión de una escala lineal (presión

en Pa) a una escala logarítmica (nivel de presión acústica en dB), de modo que la

tensión eléctrica de salida de ésta etapa es proporcional al nivel total considerado.


30

Se han normalizado características de respuesta del detector de las cuales se

conocen como características de ponderación temporal y se obtiene mediante redes

eléctricas del mismo nombre. Las más comunes son la respuesta rápida (“fast”) y

respuesta lenta (“slow”). La respuesta rápida tiene una constante de tiempo de 125

ms, mientras que la respuesta lenta tiene una constante de tiempo de 1 s.

2.11.1 Sonómetro Integrador

Son aquellos sonómetros que incorporan los circuitos electrónicos necesarios para

llevar a cabo la medición del nivel de presión acústica continuo equivalente

ponderado A, pudiendo emplearse para la medición de este parámetro

independientemente de cual sea el tipo de ruido (Imagen 8).

Imagen 8. Sonómetro Integrador


31

2.12 Cancelación de ruido

Cuando se tiene como objetivo reducir los efectos del ruido ambiental sobre las

personas, deberán tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Fuentes de ruido

Vía de transmisión

Tipo de casas en las que viven las personas

La fuente más común de ruido ambiental es el tráfico rodado. Otras formas de ruido

procedente del transporte, tal como el ruido de aeronaves o del ferrocarril, causan

un problema más localizado aunque también causará molestia a un gran número de

personas.

La cancelación activa de ruido incluye un sistema electroacústico o electromecánico

que cancela la fuente primaria de ruido (no deseado), basado en el principio de

superposición; específicamente, se genera un ruido secundario de igual amplitud y

de fase contraria y se combina con el ruido primario, así el resultado es la

cancelación de ambos. El sistema de cancelación activa de ruido (ANC) es más

eficiente en baja frecuencia donde los métodos pasivos no lo son, o son muy

costosos o voluminosos.

2.13 Modulación PCM

La modulación por codificación de pulsos (PCM), Imagen 9, sin duda la más utilizada

de todas las modulaciones de pulsos es, básicamente, el método de conversión de

señales analógicas a digitales, PCM siempre conlleva modulación previa de

amplitud de pulsos (PAM-Pulse Amplitude Modulation).

En algunos lugares se usa el término: MIC = Modulación por impulsos codificados,

aunque es de uso común, el término es incorrecto, pulso e impulso son conceptos

diferentes, al igual que codificación de pulsos y pulsos codificados.

La señal muestreada (PAM) se aplica, a través de una cadena de divisores de

voltaje, a una serie de comparadores, cuyo número es igual al de niveles de

cuantificación.

http://www.ecured.cu/index.php?title=Niveles_de_cuantificaci%C3%B3n&action=edit&redlink=1

http://www.ecured.cu/index.php?title=Niveles_de_cuantificaci%C3%B3n&action=edit&redlink=1


32

Imagen 9. Proceso de modulación por codificación de pulsos

La otra entrada a los comparadores procede de un voltaje de referencia preciso,

aplicado a un divisor de voltaje similar al anterior, con tantas resistencias como

niveles de cuantificación haya. Así por ejemplo, para codificación a 8 Bits se

requieren 28 = 256 niveles de cuantificación y, por tanto 256 comparadores.

Debido a la acción de los divisores de voltaje, tanto para la señal como para el

voltaje de referencia, los voltajes serán coincidentes a la entrada de uno solo de los

comparadores de la cadena, el cual producirá una salida “1”, en tanto que todos los

restantes tendrán salida “0”. Es decir, en cada punto de muestreo, solamente uno

de los comparadores entregará una señal diferente a los demás, que corresponderá

al nivel de cuantificación de la señal de entrada.

2.14 Sistemas actuales en el mercado

Actualmente el ruido ambiental es un problema que esta fuera de control y

aumentando día con día debido al incremento de la tecnología, ya sea en forma de

maquinaria de trabajo, o como dispositivos más pequeños que producen grandes

cantidades de ruido, así como una gran cantidad en crecimiento de vehículos.

Para combatir este problema, empresas especializadas en sistemas de sonido, han

desarrollado audífonos con una tecnología que elimina el ruido ambiental.

Lo más sencillo pero menos efectivo es cubrir con material acústicamente aislante

para disminuir este ruido, por otra parte grandes empresas especializadas en

sistemas de audio como lo son Bose, Audio-Technica y Sony (entre otras)

http://www.ecured.cu/index.php/Bits


33

desarrollaron y comercializaron audífonos con un sistema de cancelación activa de

ruido como se puede ver en la Tabla 1.

2.15 Composición del sistema de cancelación

El sistema de los audífonos con cancelación de ruido consta en un módulo extra

colocado entre los audífonos y el conector de 3.5 mm el cual contiene los siguientes

elementos.

Un micrófono para captar el ruido ambiental.

Un circuito electrónico hecho a partir de un procesador de señales toma la

señal del ruido y genera una propia señal que lo cancela.

Una batería que alimenta al circuito.

2.16 Costos y limitaciones.

Actualmente en el mercado no hay mucha competencia para este tipo de tecnología

debido a que se necesita un mayor enfoque en este tema ya que las compañías que

tienen sus propios métodos de cancelación ofrecen algunas características extras,

limitando a otras compañías a entrar al mercado por los altos estándares impuestos

por las primeras.

Como consecuencia estas compañías establecen el precio a su conveniencia y

actualmente el precio es demasiado elevado primero por el costo mismo de la

tecnología y segundo por no tener competencia en el mercado, este precio oscila

entre los 300 y 400 dólares.


34

CAPÍTULO III Planeación, Análisis, Diseño,

Programación y Construcción


35

3.1 Metodología CVDSIBC

La metodología que se ocupará en este trabajo terminal lleva el nombre de: Ciclo

de Vida de Desarrollo de Sistemas de Información Basados en Computadoras

(CVDSIBC), describiendo en cada elemento con un porcentaje del tiempo que se

debe implementar a cada uno de estos.

Se puede considerar que, el Ciclo de Vida para el Desarrollo de Sistemas se realiza,

en general, siguiendo las siguientes etapas o actividades generales o fases.

1. Planeación y Análisis

2. Diseño

3. Construcción

4. Implementación o Implantación.

5. Operación y Mantenimiento.

Estas actividades tienen que seguir el orden específico y ser retroactivas ya que se

debe tener en cuenta el avance de la actividad anterior en la actividad actual y así

sucesivamente, como lo muestra la Imagen 10.

Imagen 10. Ciclo de Vida para el Desarrollo de Sistemas


36

Para el desarrollo del sistema de este proyecto se deben administrar los recursos

de tal manera que el desarrollo tenga el mayor peso (30%), seguido por el diseño

(26%), la planeación y el análisis (24%), dado que la implantación, la operación y

mantenimiento están diseñadas para reemplazar o implantar un sistema antiguo no

serán utilizados en este proyecto, en su lugar se realizaran pruebas de campo

(20%).

3.2 Planeación y Análisis.

El análisis se enfoca totalmente al intento de seccionar un posible problema

u oportunidad en las partes que lo conforman para analizarlo y comprenderlo, así

como de desarrollar soluciones de carácter general que fuesen aplicables en este

contexto o medio ambiente.

Dentro de esta fase se proponen algunos datos que pueden ser de utilidad para

encontrar el problema y/o solución como puede ser buscar el ambiente de la

empresa, visión, misión, políticas, planes, estrategias, objetivos, funciones y

actividades de la empresa, su estructura organizacional, identificar los procesos

actuales con respecto a la situación que se está identificando y analizando. Seguido

de esto se debe obtener básicamente, los elementos de un sistema. Se propone

reunir o integrar, juntar y analizar, los procesos o transformaciones, también se

propone, reunir y analizar las entradas y salidas correspondientes, y demás datos

en una Tabla Sistémica.

Buscar una solución basado en las siguientes preguntas ¿Qué se está haciendo?

¿Cómo se está haciendo? ¿Cuándo ocurre? ¿Dónde ocurre? ¿Por qué ocurre?

¿Quién lo hace? ¿Qué tan serio es el problema? ¿Cuál es la causa principal?

3.2.1 Análisis

El análisis de este proyecto se abordó ampliamente en los capítulos 1 y 2 de este

trabajo describiendo el marco conceptual y la problemática a abordar.

3.2.2 Planeación

Como planeación del proyecto se anexa el diagrama de Gantt del mismo (Imagen

11).


37

Imagen 11. Diagrama de Gantt


38

3.3 Diseño

El Diseño de los Sistemas de Información computacionales es: la colección de

actividades necesarias para conducir (ampliando y adaptando los postulados

de la propuesta del análisis) a la creación del sistema computacional.

3.4 Diseño preliminar o conceptual o lógico

La primera etapa, donde el objetivo es desarrollar un modelo conceptual mediante

“acercamientos” sucesivos, consiste básicamente en un diagrama que identifica: los

datos de entrada, describe vaga y brevemente los procesos internos y sus

relaciones entre sí y enumera las salidas. A partir de tan pequeño principio y por

desgloses cada vez más amplios, debe llegarse a un diagrama general llamado

Arquitectura del Sistema de Información.

3.4.1 Adquisición de datos

Es necesario tener el ruido que queremos eliminar en datos para poderlos manejar

adecuadamente por medio de un software, para ello es necesario hacer uso de un

micrófono.

3.4.2 Manejo y modificación de los datos adquiridos

Se utiliza la codificación PCM para convertir los datos analógicos del micrófono en

bits y poder así procesarlos en la computadora.

3.5 Diseño detallado o particular o procedural del sistema

La fase de diseño detallado del sistema correspondiente virtualmente a la

construcción de las especificaciones de cada programa computacional, lo que viene

a ser el puente entre la idea general o preliminar del diseñador y el equipo de

programadores o implementadores.


39

3.5.1 Diagramas de flujo de datos

Para tener una mejor y clara visión acerca del funcionamiento del software, se muestran a continuación los diagramas de flujo de datos nivel 0 (Imagen 12) y nivel

1 (Imagen 13).

Imagen 12. Diagrama de Flujo de Datos (Nivel 0)


40

Imagen 13. Diagrama de Flujo de Datos (Nivel 1)


41

3.5.2 Tabla sistémica

La Tabla 5 muestra los procesos, recursos, entradas y salidas del sistema.

Tabla 5. Tabla sistémica de la solución propuesta.

Subsistema Entradas Procesos Salidas Tiempo Volúmenes Datos Controles

Procesador de Audio Generador de

antiruido

Señal de Audio del

Micrófono

Desfase del

Sonido Anti-ruido <1s.

1600 datos por

segundo

Ruido

Ambiental N/A

Enmascarador entre Ruido y Multimedia

antiruido Sonido

Multimedia

Enmascarador de Multimedia y

antiruido

Sonido Multimedia

Enmascarado <15s.

9600 datos por segundo

N/A N/A

3.5.3 Diccionario de datos

La Tabla 6 muestra los datos del software.

Tabla 6. Diccionario de datos

Campo Descripción Tipo de

dato Longitud Dominio Rango

bool flag; Bandera

Tipo

Boolean lógico

8 N/A True o false

mic

Objeto para asignación

del

micrófono

Microphone N/A N/A True o false

byte[ ]

buffer

Variable

para guardar datos leídos

Byte 8 N/A 0 a 255


42

3.5.4 Análisis Costo-Beneficio

En la Tabla 7 se presenta el análisis de Costo – Beneficio del proyecto en donde se

aprecia que el costo real del software es más elevado de lo que sería conseguir

audífonos con la tecnología de cancelación de ruido por lo cual se propone vender

licencias para el uso del software y así poder cubrir los costos, enfocando su

mercado de venta hacia las personas que necesitan un aislamiento acústico, por

ejemplo editores de música, mezcladores, DJ’s, entre otros.

Tabla 7. Análisis Costo - Beneficio

Concepto Monto $ (MX)

Hrs. Hombre(600) 60,000.00

Sonómetro CEM 1,000.00

Papelería en general 600.00

Otros 1,500.00

Subtotal 63,100.00

IVA (16%) 10,096.00

Total 73,196.00

Dado que el precio de los audífonos de cancelación de ruido oscila entre $4900 y

$6600 un precio conveniente para generar la licencia del software sería de

aproximadamente de $1200 ya que con este precio al vender 61 licencias se cubre

totalmente el costo de desarrollo del proyecto.

Diseño preliminar

Se desarrollarán dos versiones del software en donde la primera versión grabará el

ruido, después procesará esos datos y los guardará en dos archivos diferentes, que

al reproducir podrán reproducirse por separados o juntos en altavoces; y la segunda

versión en donde no se guardan los datos en un archivo, si no se reproducirán y se

eliminarán, generando así una respuesta en “tiempo real”.

3.5.5 Software de grabación

El sistema preliminar cuenta con una sola salida (Imagen 14) la cual consta de un

formulario con 4 botones.


43

Imagen 14. Diseño preliminar (Grabación)

3.5.6 Software en tiempo real

El sistema preliminar solo cuenta con una salida (Imagen 15) la cual consta de un

formulario con un botón.

Imagen 15. Diseño preliminar

Diseño detallado (Grabación)

3.5.7 Salidas del sistema

El diseño detallado del software de grabación consta de un formulario (Imagen 16)

con 4 botones y 2 picturebox las cuales muestran la señal de ruido y antiruido al

momento de la grabación4.

4 La visualización de las señales fue desarrollado en base a un software libre del espectrograma del sonido. Disponible en: http://www.codeproject.com/Articles/22951/Sound-Activated-Recorder-with-Spectrogram-in-C

http://www.codeproject.com/Articles/22951/Sound-Activated-Recorder-with-Spectrogram-in-C



44

Imagen 16. Formulario Grabación

Diseño detallado (Tiempo Real)

3.5.8 Entradas del sistema

En el diseño final del software en tiempo real se incluye un formulario de entrada

(Imagen 17), el cual ajusta el volumen del software en funcionamiento, permitiendo

así mismo silenciarlo.

Imagen 17. Formulario Volumen


45

3.5.9 Salidas del sistema

La salida principal del software es un formulario que respetando el diseño preliminar

solo cuenta con un botón pero que agrega además una imagen para saber si está

o no en funcionamiento el software (Imagen 18 e Imagen 19).

Imagen 18. Software Desactivado

Imagen 19. Software Activado

Este formulario principal permite abrir 3 formularios diferentes.

Volumen (Explicado en las entradas del sistema)

Sobre

Sonómetro


46

‘Sobre’ en el menú Ayuda, el cual contiene una breve descripción de desarrollo del

software (Imagen 20).

Imagen 20. Formulario Sobre

Y ‘sonómetro5’, el cual abre un formulario que grafica la señal de audio captado y

que da un aproximado en decibeles del ruido adquirido por el micrófono (Imagen

21).

Imagen 21. Formulario Sonómetro

5 El sonómetro fue desarrollado en base a un software libre del espectrograma del sonido. Disponible en: http://www.codeproject.com/Articles/22951/Sound-Activated-Recorder-with-Spectrogram-in-C



47

3.6 Programación y construcción.

1. Identificación de los propósitos del programa.

2. Definición de la secuencia lógica.

3. Traducción del planteamiento lógico a códigos de programación “entendidos”

por el “compilador”.

4. Prueba del programa; suministrar al proceso computacional datos de entrada

“artificiales” para observar su ejecución.

5. Descripción de actividades a ser realizadas por el personal que administre o

maneje operativamente el programa computacional en su forma “ejecutable”

o de operación final.

Librerías

El Lenguaje a usar tiene muchas funciones así como librerías las cuales se explican

aquí abajo.

3.6.1 Microsoft.Xna.Framework

La biblioteca de clases XNA Framework es una biblioteca de clases,

interfaces y tipos de valor que se incluyen en XNA Game Studio. Esta

biblioteca ofrece clases comunes del juego como temporizadores y

bucles de juego además de reproducción de audio a través de la

herramienta Microsoft Cross-Platform Audio Creation Tool (XACT).

3.6.2 Microsoft.Xna.Framework.Audio

Contiene los métodos de la interfaz de programación de aplicaciones

de bajo nivel (API) de bajo nivel que pueden cargar y manipular los

archivos de proyecto y contenido creados mediante XACT con la

finalidad de reproducir audio.


48

Además se desarrollaron librerías de clases que se usan en el software las cuales

manejan las librerías de audio, librerías de diseño visual y de funciones

matemáticas.

Se desarrolló primero un software el cual almacena los datos adquiridos por el

micrófono en un buffer en la memoria dinámica y los escribe en un archivo temporal,

después los procesa y reproduce de diferentes formas, al término de las pruebas

con este software se desarrolló un segundo software que utilizaba el mismo

algoritmo pero este último lo aplicaba en tiempo real.

Con todo esto previamente explicado se procede a realizar los preliminares en

cuanto a funcionamiento de cada software.

3.6.3 Funcionamiento de software con grabación

El software (Imagen 22) consta con 4 botones los cuales tienen su funcionamiento

específico sustentado por las librerías de funciones de XNA Framework.

1. Grabar; debe ser el primero en ser oprimido, ya que adquiere los datos del

ruido, los procesa y genera el antiruido para almacenar ambos archivos en el

disco.

2. Reproducir; al tener ya guardados los archivos de ruido y antiruido lo que

hace este botón es reproducirlos al mismo tiempo pero el ruido solo en un

canal y el antiruido en el canal contrario.

3. Ruido; en base al archivo guardado reproduce en ambos canales solamente

el ruido.

4. Antiruido; en base al archivo guardado reproduce en ambos canales

solamente el antiruido.

Imagen 22. Descripción de botones (grabación)


49

3.6.4 Funcionamiento de software en tiempo real

La interfaz es amigable con el usuario ya que le permite con solo un clic iniciar y

poner a funcionar el software mientras el usuario sigue con sus actividades

normales en la computadora, todo esto con ayuda de XNA Framework.

La pantalla de visualización tiene unos comandos los cuales se describen a

continuación.

Los botones (Imagen 23) son esenciales para ayudar a trabajar al usuario.

Barra de Herramientas

Botón de Iniciar/Parar

Imagen 23. Descripción de botones


50

CAPÍTULO IV Caso Práctico y Pruebas


51

Las pruebas del software se realizan en dos partes, una por cada software,

describiéndose aquí los resultados obtenidos.

4.1 Pruebas Software de Grabación

Para tener una mejor comprobación de que el software trabajara correctamente se

traslada el equipo a la cámara anecoica ubicada en el 3er piso del edificio Z2. Dentro

de esta cámara, se establecen 3 distancias entre el sonómetro y los altavoces: a)

Mínima (5 cm), b) Media (48.5 cm) y c) Máxima (119.7 cm) teniendo en cuenta que

también se hacen 3 medidas: d) Señal de Ruido, e) Señal de antiruido y f) Ambas

señales simultáneamente.

4.1.1 Mediciones del ruido en la cámara anecoica

Se mide el NPS dentro de la cámara antes de realizar las mediciones para ver que

tanto pudieran resultar afectadas con el ruido que se pudiera encontrar ahí,

mostrando las medidas en la Tabla 8 - Tabla 9 y Gráfica 1.

Tabla 8. Mediciones dentro de la cámara anecoica.

Medición NPS [dBA]

1 32

2 32.3

3 31.9

4 31.7

5 31.8

6 32.1

7 32.9

8 32.4

9 32.3

10 31.9

11 32.8

12 34.3

13 31.7

14 32.1

15 32.6

16 31.7

17 31.6


52

Tabla 9 (Continuación). Mediciones dentro de la cámara anecoica.

18 31.7

19 31.6

20 31.9

21 33.3

26 32.5

27 32.1

28 33.9

29 32.2

30 32.0

Gráfica 1. NPS dentro de la cámara anecoica

En la Gráfica 1 se observa que los niveles de NPS dentro de la cámara anecoica

son estables (manteniéndose mayormente entre los 32 y 33 dBA) lo que establece

un marco de referencia para las mediciones a realizar en los siguientes pasos.

Una vez que se mide el NPS dentro de la cámara, se realizan las primeras

mediciones, con sus respectivas gráficas, que consisten en medir el nivel de dBA al

reproducir las señales (Ruido y antiruido) por separado y después reproducirlas al

mismo tiempo, todo esto con un fragmento de canción que previamente se cargó al

software para crear la señal de Ruido de duración aproximadamente de 7 segundos,

este fragmento de canción es un tono complejo.

29

30

31

32

33

34

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

dB

A

No. de medición

NPS dentro de la cámara anecoica


53

Estas mediciones se realizan con el sonómetro EXTECH Modelo 407768

colocándolo en ponderación A y modo Slow, ubicando el sonómetro en las distintas

posiciones (en la orilla de la mesa) en medio de la cámara anecoica y a distintas

separaciones de los altavoces (5 cm, 48.5 cm y 119.7 cm) (Imagen 24 - Imagen 26).

Imagen 24. Medición a 5 cm dentro de la cámara anecoica


54

Imagen 25. Medición a 48.5 cm dentro de la cámara anecoica

Imagen 26. Medición a 119.7 cm dentro de la cámara anecoica


55

Dado que todas las mediciones son las mismas sólo se indica la distancia de

separación y se enlistaran los resultados (Tabla 10 - Tabla 13; Gráfica 2 – Gráfica

4).

4.1.2 Mediciones a 5 cm

Tabla 10. Mediciones a 5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al

mismo tiempo.

No. de Medición

Ruido [dBA]

Antiruido [dBA]

Señales Simultáneas

[dBA]

1 73.7 72.7 55.0

2 76.8 75.9 59.9

3 80.5 78.8 58.6

4 74.8 82.4 59.0

5 73.5 72.9 60.2

6 76.0 76.1 58.0

7 76.0 78.9 59.4

8 79.6 79.3 55.8

9 82.4 77.0 60.2

10 72.2 72.2 58.4

11 76.1 76.1 59.1

12 78.1 78.3 60.0

13 82.4 82.5 56.7

14 82.9 79.8 57.8

15 72.9 76.0 57.2

16 76.3 81.5 60.3

17 78.3 82.5 58.5

18 82.4 73.2 56.3

19 72.9 76.3 60.3

20 76.2 78.3 58.1

21 73.6 79.2 59.1

22 77.4 73.9 56.4

23 81.9 76.4 60.7

24 82.1 82.1 56.0

25 76.9 77.3 59.7

26 72.3 79.1 58.4

27 73.8 81.3 60.4

28 82.4 76.5 57.1

29 74.9 81.4 55.9

30 73.4 78.7 60.9


56

Gráfica 2. Mediciones a 5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al mismo tiempo.

4.1.3 Mediciones a 48.5 cm

Tabla 11. Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al mismo tiempo.

No. de Medición

Ruido [dBA]

antiruido [dBA]

Señales simultáneas

[dBA]

1 76.9 71.6 61.7

2 77.6 74.5 61.3

3 77.7 75.4 61.4

4 78.3 75.5 65.2

5 75.3 76.7 62.2

6 76.4 74.6 62.0

7 68.7 75.6 62.1

8 67.7 74.4 60.9

9 71.0 76.7 64.5

10 77.3 71.4 61.4

11 69.1 74.4 61.0

12 77.9 73.0 62.3

13 74.9 76.2 62.6

14 77.5 75.2 60.2

15 68.9 74.2 61.0

16 79.6 72.6 63.4

17 77.3 71.7 62.9

50

55

60

65

70

75

80

85

90

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Mediciones a 5 cm

Ruido

AntiRuido



57

Tabla 12. (Continuación) Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al mismo tiempo

18 75.1 73.4 64.3

19 79.1 74.3 61.4

20 75.3 75.3 61.2

21 77.1 71.6 62.3

22 74.3 72.9 61.4

23 69.3 75.1 60.8

24 76.8 73.0 61.9

25 79.1 75.3 62.7

26 73.5 74.9 60.7

27 67.8 75.1 61.3

28 70.5 76.3 60.9

29 78.3 74.6 64.7

30 76.8 73.2 62.3

Gráfica 3. Mediciones a 48.5 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales

al mismo tiempo.

55

60

65

70

75

80

85

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Mediciones a 48.5 cm

Ruido [dB]

AntiRuido [dB]

Señales simultaneas [dB]


58

4.1.4 Mediciones 119.7 cm

Tabla 13. Mediciones a 119.7 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas Señales al mismo tiempo.

No. de Medición

Ruido [dBA]

antiruido [dBA]


[dBA]

1 59.9 57.3 55.6

2 57.6 56.7 57.8

3 60.4 58.0 56.6

4 59.3 60.4 58.3

5 58.6 59.1 53.6

6 57.0 56.6 54.9

7 59.7 58.4 54.7

8 60.4 60.4 54.9

9 58.3 58.1 57.8

10 57.1 56.7 56.3

11 57.3 55.9 58.3

12 60.3 60.4 54.6

13 59.9 56.9 57.3

14 57.0 56.7 54.7

15 58.4 58.3 55.0

16 60.4 56.7 57.2

17 59.1 56.3 57.1

18 56.7 60.3 54.6

19 56.8 60.0 56.9

20 56.6 56.6 55.5

21 57.9 55.4 54.1

22 60.2 56.7 58.5

23 59.2 60.5 55.9

24 58.4 58.1 57.3

25 56.1 56.3 58.6

26 57.2 59.7 58.8

27 60.4 56.0 54.3

28 59.3 55.1 55.0

29 56.9 59.2 54.6

30 55.5 60.2 58.2


59

Gráfica 4. Mediciones a 119.7 cm de distancia; Señal de Ruido, antiruido y Ambas

Señales al mismo tiempo.

Las medidas de la Tabla 10, con una distancia de separación de 5 cm, tienen un

promedio en la señal de ruido de 78.5 dB y en las 2 señales al mismo tiempo de

58.7 dB, con una disminución promedio del ruido de 19.8 dB; en la Tabla 11 y Tabla

12, con una distancia de separación de 48.5 cm, el promedio de la señal de ruido

es de 76.1 dB, el promedio de ambas señales es de 62.3 dB, dando una disminución

promedio de 13.8 dB y en la Tabla 13 el promedio del ruido es de 58.6 dB, el

promedio de ambas señales es de 56.8 dB dando una disminución promedio de 1.8

dB.

Esto indica que el software trabaja correctamente, presentando en las tres

posiciones diferentes una disminución del ruido, como se aprecia en las gráficas;

esta reducción de ruido es influenciada a lo cercano de ambas fuentes de ruido.

Una vez realizadas estas pruebas con el tono complejo y obtenidos los resultados

se busca tener una mayor certeza en los resultados por lo que se hace la prueba de

nuevo pero utilizando un tono “puro” de 1 KHz; se usa 1 KHz ya que es la frecuencia

de referencia que se utiliza para la calibración de los micrófonos y el oído humano

es más sensible a frecuencias de 500 Hz a 6 kHz.

Igualmente al ser el mismo procedimiento en las mediciones se enuncian las

distancias donde las tablas y gráficas muestran los resultados obtenidos (Tabla 14

- Tabla 17, Gráfica 5 - Gráfica 7).

50

52

54

56

58

60

62

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Mediciones a 119 cm

Ruido

AntiRuido



60

4.1.5 Mediciones a 5 cm a 1KHz

Tabla 14. Mediciones a 5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ

No. de

Medición

Ruido

[dBA]

antiruido

[dBA]


[dBA]

1 63.1 60.3 48.9

2 63.4 63.5 49.0

3 63.2 63.8 48.9

4 63.0 63.7 48.7

5 63.5 63.6 48.2

6 63.4 62.1 47.8

7 63.2 63.8 48.1

8 63.3 63.5 48.7

9 62.9 63.6 48.5

10 63.8 63.3 47.8

11 63.7 63.3 48.7

12 61.3 61.6 48.1

13 63.3 64.8 47.8

14 63.5 63.8 48.8

15 63.0 61.5 45.7

16 63.6 62.6 47.2

17 63.3 62.7 49.2

18 61.4 61.8 49.1

19 63.3 62.5 48.9

20 63.1 63.5 48.5

21 63.9 63.3 48.1

22 62.6 61.2 48.5

23 63.2 62.8 47.9

24 63.6 64.2 48.0

25 62.0 64.3 48.2

26 62.9 61.4 47.8

27 61.2 61.9 45.9

28 62.3 62.3 48.9

29 63.7 63.2 48.2

30 61.4 61.6 48.6


61

Gráfica 5. Mediciones a 5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ

4.1.6 Mediciones a 48.5 cm a 1 KHz

Tabla 15. Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ

No. de Medición

Ruido [dBA]

antiruido [dBA]

Señales simultaneas

[dBA]

1 55.5 52.5 42.5

2 54.1 54.2 42.7

3 53.8 54.3 43.3

4 53.7 54.3 43.4

5 54.1 53.7 44.1

6 54.1 54.1 44.7

7 54.3 54.2 44.9

8 52.0 54.0 44.7

9 54.1 52.3 44.8

10 54.3 54.0 44.7

11 51.9 54.2 44.8

12 54.1 52.4 44.5

13 54.4 54.1 43.0

14 53.3 54.7 44.3

15 54.0 54.8 44.7

404244464850525456586062646668

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

[dB

A]

No. de medición

Medidas a 5 cm

Ruido

AntiRuido



62

Tabla 16 (Continuación). Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ

16 54.2 53.7 43.4

17 54.1 54.1 44.5

18 53.8 53.9 45.0

19 54.2 54.9 44.6

20 54.1 54.2 42.2

21 51.9 54.3 43.2

22 54.3 53.2 44.4

23 53.6 52.1 43.1

24 51.9 54.8 44.7

25 54.2 53.6 42.6

26 53.3 54.5 43.8

27 54.5 52.7 44.9

28 54.4 54.4 42.8

29 51.8 53.3 43.7

30 54.9 53.8 44.6

Gráfica 6. Mediciones a 48.5 cm de distancia con un tono de 1 KHZ

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

[dB

A]

No. de medición

Mediciones a 48.5 cm

Ruido

AntiRuido

Señales simultaneas


63

4.1.7 Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz

Tabla 17. Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz

No. de Medición

Ruido [dBA]

antiruido [dBA]

Señales

simultáneas [dBA]

1 41.5 43.0 36.0

2 42.7 43.3 36.5

3 45.2 43.3 36.8

4 44.8 43.0 36.7

5 42.8 40.0 36.9

6 42.5 42.1 37.4

7 42.8 43.2 37.9

8 42.7 43.0 37.2

9 41.9 41.3 36.2

10 42.9 43.2 36.6

11 42.8 41.3 36.5

12 45.4 42.4 36.3

13 42.6 43.1 36.7

14 42.0 43.1 36.0

15 43.7 41.3 36.4

16 42.7 43.7 36.4

17 42.8 42.8 33.9

18 42.7 43.3 35.6

19 42.9 43.1 36.9

20 42.6 44.4 36.3

21 42.0 43.3 36.0

22 43.3 42.2 36.9

23 44.4 44.3 35.2

24 41.5 43.7 37.1

25 42.2 44.2 36.5

26 45.7 43.5 37.4

27 42.6 42.3 36.3

28 42.8 42.4 36.4

29 43.3 43.6 35.7

30 42.0 41.9 35.9


64

Gráfica 7. Mediciones a 119.7 cm a 1 KHz

Las medidas de la Tabla 14, con una distancia de separación de 5 cm, con el tono

“puro” de 1 kHz presentan un promedio en la medición de la señal de ruido de 63.1

dB y un promedio de las 2 señales al mismo tiempo de 48.3 dB, teniendo una

disminución de 14.8 dB; en la Tabla 15 y Tabla 16, con una distancia de 48.5 cm

de separación, el promedio de la señal de ruido es de 53.9 dB, con un promedio de

ambas señales de 44 dB dando una disminución promedio de 9.9 dB y en la Tabla

17 se obtiene un promedio de ruido de 43.1 dB, y con ambas señales de 36.3 dB,

dando una disminución de 6.8 dB.

Esto indica que el software trabaja correctamente en las dos pruebas: una

generando un tono complejo (fragmento de canción) y la otra con un tono puro (tono

de 1 kHz), visualizando una disminución del ruido, como se aprecia al comparar las

gráficas.

Entre menor distancia haya entre el emisor (tono puro y complejo) y receptor

(maniquí de prueba) es más notorio la reducción de ruido de acuerdo a los

resultados obtenidos.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Medidas a 119.7 cm

Ruido [dB]

AntiRuido [dB]

Señales simultáneas [dB]


65

4.2 Pruebas de software en tiempo real

Para probar cómo trabaja el software, es necesario realizar pruebas para determinar

qué tanto disminuye el nivel de dB al entrar en funcionamiento el software.

A continuación se explica y detalla dicha etapa:

Las mediciones se realizaron en la cafetería 8 de 16:00 a 16:30 horas el día

11/Noviembre/2015.

Se utilizó un maniquí (Imagen 27), el cual simulaba ser un sujeto de prueba

colocándole auriculares para luego determinar la cantidad de dB que percibe en sus

“oídos”.

Imagen 27. Maniquí de pruebas

Lo que compone al maniquí son el par de micrófonos que perciben el sonido, un

circuito impreso con amplificadores.

El llamado micrófono de condensador Electret o, simplemente, Electret (Imagen 28),

es una variante del micrófono de condensador que utiliza un electrodo

(fluorocarbonato o policarbonato de flúor) lámina de plástico que al estar polarizado

no necesita alimentación.

En cuanto a su directividad, pueden ser omnidireccionales o direccionales (Imagen

29).


66

Imagen 28. Micrófono Electret

Imagen 29. Características del micrófono Electret

Además se utilizaron dos modelos de sonómetro.

1. Sonómetro EXTECH, Modelo 407768. (Imagen 30).

Imagen 30. Sonómetro EXTECH


67

2. Sonómetro Digital CEM, modelo DT-85A. (Imagen 31)

Imagen 31. Sonómetro Digital CEM

Ambos sonómetros se colocaron en ponderación “A” y en “Slow”6.

**NOTA: Los micrófonos simulando ser los oídos se conectaron a la entrada del

sonómetro digital; por lo que estas medidas fueron tomadas con el sonómetro Digital

CEM.**

Los 3 tipos de pruebas que se realizaron fueron.

1. Maniquí sin auriculares. (Medir ruido ambiental)

2. Maniquí con auriculares sin que el software funcione.

3. Maniquí con auriculares con el software funcionando.

6 La ponderación ‘A’ es la estándar de las frecuencias audibles diseñadas para reflejar la respuesta al ruido del oído humano, que no es muy sensible a frecuencias bajas y altas, pero sí lo es entre 500 Hz y 6 kHz.

El fi ltro de ponderación ‘A’ cubre el rango completo de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz, pero la forma se aproxima a la sensibilidad de frecuencia del oído humano. El modo Slow se refiere a que la respuesta lenta tiene una constante de tiempo de 1 s .


68

4.2.1 Maniquí sin auriculares. (Medir ruido ambiental)

Para la primera prueba los resultados se muestran en la Tabla 18.

Tabla 18. NPS en cafetería 8

No. De Medición [dBA] 1 60.0

2 73.5 3 70.0

4 71.3

5 78.2 6 69.5

7 69.0 8 68.8

9 67.7 10 70.5

11 71.6

12 70.1 13 65.3

14 68.1 15 69.4

16 63.5 17 65.3

18 64.4

19 56.0 20 59.8

21 64.2 22 59.8

23 66.4 24 67.2

25 70.1

26 65.5 27 63.9

28 67.9 29 62.8

30 65.4


69

Para que se puedan visualizar mejor estos datos se muestran en la Gráfica 8.

Gráfica 8. Ruido Ambiental en la Cafetería 8

Se tomaron las mismas mediciones que las con el sonómetro Extech pero ahora

usando el Sonómetro Digital CEM se muestran en la Tabla 19 - Tabla 20 y Gráfica

9.

Tabla 19. Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM

No. De Medición

[dBA]

1 73.4

2 71.2

3 70.4 4 72.3

5 71.2 6 72.9

7 71.3 8 71.6

9 70.7

10 72.2 11 71.8

12 72.6 13 71.6

14 69.9 15 70.9

16 71.5

17 72.8

50

55

60

65

70

75

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

dB

A

No. de medición

Ruido Ambiental Cafetería 8


70

Tabla 20 (Continuación). Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM

18 70.1

19 69.4

20 71.3 21 72.3

22 71.8

23 70.9 24 71.1

25 73.4 26 69.8

27 70.4 28 72.6

29 72.9

30 73.1

Gráfica 9. Ruido Ambiental en la cafetería 8 Sonómetro CEM

Se realizó la medición del ruido ambiental con ambos sonómetros para hacer una

comparación entre los sonómetros ya que el sonómetro CEM se conecta a los oídos

del maniquí y el EXTECH se usa para medir el ruido ambiental en el mismo

momento (Imagen 32).

67

68

69

70

71

72

73

74

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Mediciones con Sonómetro CEM


71

Imagen 32. Medición de ruido ambiental con ambos sonómetros

El promedio del ruido en la cafetería medido con el sonómetro EXTECH es de 69.2

dB y el medido por el sonómetro CEM es de 71.7 dB, indicando así que no hay

mucha diferencia en cuanto a lo que ambos sonómetros miden.

Estos valores se encuentran dentro del rango esperado ya que la hora en la que

fueron tomados comprendía un periodo de cambio de turno por lo que existía un

gran número de alumnado afuera en la cafetería.

4.2.2 Maniquí con auriculares sin que el software funcione.

La segunda medición se hizo colocando los auriculares en los “oídos” del maniquí

sin que el software estuviera funcionando aún (Imagen 33), en la Tabla 21 - Tabla

22 y Gráfica 10 se muestran los resultados.

Tabla 21. Mediciones en los oídos del maniquí sin software

No. De Medición

[dBA]

1 60.2

2 58.2

3 58.0 4 57.6

5 60.0 6 53.8

7 55.6 8 58.9


72

Tabla 22 (Continuación) Mediciones en los oídos del maniquí sin software

9 61.4

10 59.4

11 57.0 12 61.3

13 64.0

14 59.8 15 68.0

16 64.0 17 68.0

18 65.9 19 62.6

20 61.3

21 60.8 22 62.1

23 64.7 24 63.9

25 61.4 26 59.2

27 63.0

28 61.5 29 58.6

30 62.7

Gráfica 10. Mediciones en los oídos del maniquí sin software

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de medición

Medidas con auriculares en el maniquí s/software


73

Imagen 33. Medición con maniquí sin software

El promedio de estas mediciones es un valor de 62.3 dBA que representa la

aislación que brindan los audífonos, tomando el valor promedio de ruido ambiental en los oídos del maniquí (71.7 dBA), tenemos un valor promedio de disminución de

ruido de 9.4 dBA.

4.2.3 Maniquí con auriculares con el software funcionando.

La última medición fue con los auriculares en el maniquí y el software funcionando

(Imagen 34) obteniendo los resultados mostrados en la Tabla 23 - Tabla 24 y Gráfica

11.

Tabla 23 . Mediciones en los oídos del maniquí con software

No. De Medición [dBA] 1 72.6

2 71.1

3 72.4 4 76.4

5 76.9 6 78.7

7 71.1 8 69.0

9 68.8

10 71.2


74

Tabla 24(Continuación). Mediciones en los oídos del maniquí con software

11 69.7

12 79.6

13 78.9 14 79.6

15 76.5

16 77.5 17 76.6

18 71.9 19 78.1

20 71.3 21 71.0

22 77.6

23 72.6 24 74.9

25 76.3 26 77.1

27 79.3 28 78.5

29 77.2

30 74.4

Gráfica 11. Mediciones en los oídos del maniquí con software

60

65

70

75

80

85

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

[dB

A]

No. de Medición

Mediciones con software funcionando y auriculares


75

Imagen 34. Maniquí con software funcionando

El promedio de estas mediciones es un valor de 76.1 dBA que representa el ruido

que se genera dentro de los audífonos con el software funcionando, tomando el valor promedio de ruido ambiental en los oídos del maniquí (71.7 dBA), tenemos un

valor promedio de aumento de ruido de 4.4 dBA.

Existen varios factores que afectan a las medidas al ser tomadas, como la hora en

qué se realizaron, el nivel de ruido existente a esa hora, los auriculares, entre otros.

Se puede observar también que hay un decremento en cuanto al NPS que recibe el

maniquí pero es más notorio en las mediciones realizadas en la cámara anecoica.


76

Trabajos Futuros

En la planeación a futuro se encuentra un ajuste de la respuesta del software de

cancelación por la distancia existente entre el micrófono de la computadora y los

audífonos a manera de corrección en la señal de salida.

Otra vista del proyecto a futuro, es atacar el efecto denominado CrossTalk el cual

está presente en los altavoces cuando se reproduce multimedia en estéreo; donde

el proyecto se centrará en reproducir en cada altavoz el canal correspondiente a la

multimedia junto con la señal de cancelación para tratar de disminuirlo.


77

Conclusiones

Al término de las pruebas del programa en todas sus variantes se determinó que

ambas versiones del programa procesan la señal de audio proveniente del

micrófono de la computadora sin ningún problema.

Debido al tiempo que lleva el proceso de captura y procesamiento de audio, el

software genera un retraso que impide a la señal antiruido generada ser reproducida

en tiempo real, aunado a la baja calidad del micrófono de la computadora, por lo

cual no es posible por este método la cancelación total del ruido acústico ambiental;

contrastando esto con el procesamiento de la señal de entrada que hace la primer

versión del programa con una señal de audio procedente de una grabación y que a

su vez, permite que podamos visualizar el Nivel de Presión Sonora [dBA] existente

en el momento, con la aplicación Sonómetro que se creó.

Con base en las gráficas obtenidas de las pruebas realizadas con ambos programas

se observa que en el software, que almacena los datos y reproduce al mismo tiempo

las señales de ruido y antiruido, existe una reducción en el nivel de presión sonora

(dBA) a 5 cm de 19.8 dBA, a 48.5 cm de 13.8 dBA y a 119 cm de 1.8 dBA

aproximadamente del ruido ambiental registrado por el sonómetro.

Al disminuir la distancia entre los altavoces la atenuación es mayor, sucediendo lo

contrario al aumentar la distancia, donde la atenuación es en menor cantidad.

En el software de procesamiento en tiempo real se aprecia que no existe

disminución en el NPS porque existe un tiempo de retraso entre ambas señales.

Para lograr la correcta cancelación de ruido por el software se necesitaría una

velocidad de procesamiento mayor, un micrófono de mayor calidad que en rango

dinámico pueda captar entre 15 dBA a 137 dBA (140 dBA como máximo), que a

pesar del nivel de ruido que exista no se pierda la información que se está

recibiendo, que su respuesta en frecuencias sea de 6-20KHz, que sea

omnidireccional; además de un menor tiempo de muestreo, así como tomar en

cuenta la distancia entre el micrófono y los auriculares.

La aplicación del sonómetro al ser probada en el software no causo fallas, siempre

y cuando sea utilizada mientras la cancelación este desactivada, ya que al tener

una frecuencia de muestreo con el micrófono distinta a la de la cancelación provoca

un mal funcionamiento de ambos programas, esta aplicación puede ser usada en

momentos donde no se tiene a la mano un sonómetro profesional con resultados

aceptables.


78

El control de volumen asegura una total independencia del volumen de la

computadora por lo tanto se puede reducir y en dado caso silenciar por completo el

programa, ésta característica es muy importante porque evita conflicto con otras

aplicaciones que se estén ejecutando al mismo tiempo.


79

Bibliografía

Libros

“Ingeniería Acústica, Teoría y Aplicaciones”; Möser Michael, Barros José Luis; 2da.

Edición; Ed. Springer

“Ergonomía y Psicosociología Aplicada; Manual para la formación del Especialista”.

Fecha de consulta: 07/07/2015

Llaneza Álvarez F. Javier, 8ª edición; Ed. Lex Nova. Págs. 109-110

“Gestión de la Higiene Industrial en la Empresa”

Pedro Mateo Floría, 7ª edición; Ed. Fundación ConfeMetal; Págs. 367-369; 373.

“Ruido Ambiental” Brüel & Kjӕr

“Seguridad Industrial y minera: Aspectos Estratégicos para el control pasivo de

ruido” Fragmento páginas 7-8.

Páginas de Internet

LEGUIA Joseph, Que es un marco metodológico [en línea], 2016 [fecha de consulta:

marzo 2016].

Disponible en:

<http://www.academia.edu/7235451/Que_es_un_marco_metodologico>

Microsoft.Xna.Framework.Audio Namespace [en línea], 2016 [fecha de consulta:

abril 2016].

Disponible en:

<https://msdn.microsoft.com/en-us/library/microsoft.xna.framework.audio.aspx>

System.Threading Namespace [en línea], 2016 [fecha de consulta: abril 2016].

Disponible en: <https://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.threading(v=vs.110).aspx>

Transductores [en línea], 2015 [fecha de consulta: marzo 2016] Disponible en: <http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTADORES.pdf>

Capítulo 1 [en línea], [fecha de consulta abril 2016] Disponible en: <http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/teyssier_r_la/capitulo1.pdf>

http://www.academia.edu/7235451/Que_es_un_marco_metodologico

https://msdn.microsoft.com/en-us/library/microsoft.xna.framework.audio.aspx

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http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTADORES.pdf

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTADORES.pdf

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/teyssier_r_la/capitulo1.pdf


80

Glosario

Aislante Acústico

Material que tiene la capacidad de bloquear o dificultar el paso del sonido. Hace que los sonidos no salgan de un ambiente y que los sonidos externos no ingresen a

dicho ambiente.

Boolean

Tipo de dato que dada una condición, regresa un valor verdadero o falso dependiendo si esta se cumple o no.

Contaminación Acústica

Exceso de sonido que altera las condiciones normales del ambiente en una

determinada zona.

CrossTalk

Inducción indeseada de señal de un canal en otro. Especificación técnica cuyo valor representa el aislamiento entre canales de un dispositivo multipista o estéreo. Es la

propiedad de interferencia entre un circuito y otro. Separación estéreo.

Diccionario de datos

Un diccionario de datos es una lista y descripción detallada de todos los elementos de almacenamiento de información, identificados en el conjunto de los diagramas

de flujo de datos que describen a un sistema.

Multimedia

Aparatos (computadoras) capaces de trabajar a la vez con varios medios para transmitir la información (sonidos, texto, animaciones, video, imágenes, música).

Nivel de Presión Sonora (NPS)

Es la relación entre la presión acústica de un sonido cualquiera y la presión acústica de referencia. Equivale a diez veces el logaritmo decimal del cociente de los cuadrados de una presión acústica cualquiera y la de referencia que es de 2O micro

Pascales (2O µPa).

Osículo

Hueso de pequeño tamaño como el martillo, yunque o el estribo (osículos del oído interno).

PCM (Modulación por impulsos codificados)

Procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits (señal digital).


81

Reverberación

Al producirse un sonido, una onda sonora con una trayectoria directa hacia el receptor es generada, las ondas restantes con reflejadas lo que provoca que

lleguen al oído del receptor con un tiempo de retraso.

Ruido Ambiental

Diferentes sonidos no deseados que se pueden encontrar a nuestro alrededor.

Ruido de error

Es una señal de error que se genera al aplicar la cancelación de ruido producida por la superposición de las ondas sonoras.

Sistema auditivo

Conjunto de órganos que hacen que existe el sentido del oído en un ser vivo.

Tabla sistémica

Explica las características de la función de cada subsistema detallando todas las variables que también entran a trabajar.

Tono puro

Aquel que tiene un solo una única frecuencia de emisión.

Tono complejo

Aquel que está formado por varios tonos puros o varias frecuencias.

Transductor

Elemento o dispositivo que tiene la misión de traducir o adaptar un tipo de energía en otro más adecuado para el sistema.


82

Anexo

Construcción del software de grabación

Adquisición y procesado de los datos mediante el uso de un buffer.

public void grabar() { bool isMicrophoneRecording = false, hasData; Microphone mic = Microphone.Default; if (mic != null) { byte[] buffer = new byte[8192]; if (!isMicrophoneRecording) { Microphone.Default.Start(); } isMicrophoneRecording = !isMicrophoneRecording; int timer = 1;

while (timer <= 50)//modificar para subir tiempo X 100ms*X=tiempo en segundos ej 100*100ms=10seg

{ Microphone.Default.GetData(buffer); FrameworkDispatcher.Update(); System.Threading.Thread.Sleep(80);//80 Reproducir(stream.ToArray()); timer++; } using (FileStream s = new

FileStream(System.IO.Directory.GetCurrentDirectory() + @"\Grabacion1", FileMode.Create))

{ for (int i = 0; i < buff2.Length; i++) { s.WriteByte(buff2[i]); } } using (FileStream t = new

FileStream(System.IO.Directory.GetCurrentDirectory() + @"\Grabacion2", FileMode.Create))

{ for (int i = 0; i < buff3.Length; i++) { t.WriteByte(buff3[i]); } } } if (isMicrophoneRecording) {


83

Microphone.Default.Stop(); hasData = true; } }

Algoritmo de cancelación de ruido

private byte[] Invertir(byte[] buffer) { int indice = 0,max=255; byte[] Temp = new byte[buffer.Length]; foreach (byte b in buffer) { int actual = (int)buffer[indice]; actual = max - actual; Temp[indice] = Byte.Parse(actual.ToString()); indice++; } return Temp; }

Reproducción de Ruido

private void button4_Click(object sender, EventArgs e) { System.IO.FileStream fileStream = new

System.IO.FileStream(System.IO.Directory.GetCurrentDirectory() + @"\Grabacion2", System.IO.FileMode.Open);

byte[] dataArray = new byte[fileStream.Length]; for (int i = 0; i < dataArray.Length; i++) { dataArray[i] = (byte)fileStream.ReadByte(); FrameworkDispatcher.Update(); } DynamicSoundEffectInstance Sonido = new

DynamicSoundEffectInstance(Microphone.Default.SampleRate, AudioChannels.Mono);

Sonido.SubmitBuffer(dataArray); Sonido.Play(); }

Reproducción del antiruido

private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { System.IO.FileStream fileStream = new


84

System.IO.FileStream(System.IO.Directory.GetCurrentDirectory()+ @"\Grabacion1", System.IO.FileMode.Open);

byte[] dataArray = new byte[fileStream.Length]; for (int i = 0; i < dataArray.Length; i++) { dataArray[i]=(byte)fileStream.ReadByte(); FrameworkDispatcher.Update(); } DynamicSoundEffectInstance Sonido = new

DynamicSoundEffectInstance(Microphone.Default.SampleRate, AudioChannels.Mono);

Sonido.SubmitBuffer(dataArray); Sonido.Play(); }

Reproducción de ambas señales.

private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { new Task(Reproducir2).Start(); //System.Threading.Thread.Sleep(100); new Task(Reproducir3).Start();

}

private void Reproducir2() { SoundEffect Sonido3 = new SoundEffect(buff2,Microphone.Default.SampleRate, AudioChannels.Mono); Sonido3.Play(1.0f,0.0f,1.0f); } private void Reproducir3() { SoundEffect Sonido4 = new

SoundEffect(buff3,Microphone.Default.SampleRate, AudioChannels.Mono); Sonido4.Play(1.0f, 0.0f, -1.0f); }

Construcción del software en tiempo real

Adquisición y procesado de los datos mediante el uso de un buffer

private void Grabar() { // Declara un arreglo del buffer para mantener los datos de audio basado

en la duracion de la grabacion buffer = new byte[mic.GetSampleSizeInBytes(TimeSpan.FromMilliseconds(10))];

mic.Stop(); mic.Start(); while (flag)//convertimos el ciclo en infinito {


85

volume = Properties.Settings.Default.volumen / 20.0f; mic.GetData(buffer);// Obtiene la grabacion del microfono y la

guarda en el buffer // Algoritmo de cancelacion de ruido buffer = Cancelacion(buffer); FrameworkDispatcher.Update(); Reproducir(buffer); System.Threading.Thread.Sleep(9);// Espera el tiempo que se

reproduce el buffer antes de continuar } mic.Stop(); }

Se puede apreciar que el volumen es cargado desde settings, ya que se toma del

formulario volumen.

Algoritmo de cancelación de ruido private byte[] Cancelacion(byte[] buffer) { byte a = 255; for (int i = 0; i < buffer.Length; i++) { buffer[i] = Convert.ToByte(a - buffer[i]); } return buffer; }

Reproducción de los datos almacenados en el buffer private void Reproducir(byte[] buffer) { SoundEffect Sonido = new SoundEffect(buffer,

Microphone.Default.SampleRate, AudioChannels.Mono); Sonido.Play(volume, 0.0f, 0.0f); }

La variable volume se carga en la función grabar, y es global por eso no es necesario

declararla o inicializarla en esta función.

Documents

Desarrollo de software para procesamiento de señales de ...tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/21925/1/Tesis_v2.6.pdf · sonómetro al reproducir el ruido y antiruido grabado