Síntesis:

Esta tesis está dedicada al estudio de las distintas herramientas que se disponen en el campo del Procesado Digital de Señales para analizar la percepción humana del sonido. Para ello, en la primera parte de la tesis se exponen los fundamentos fisiológicos de la percepción humana del sonido, así como los métodos y parámetros fundamentales que permiten evaluar la percepción subjetiva producida, lo que también se conoce como estudio psicoacústico de los sonidos. El análisis psicoacústico permite calcular el valor de una serie de parámetros del sonido para combinarlos de una forma adecuada con el fin de obtener una calificación de su calidad percibida (Sound Quality), lo más parecida posible a la que percibiría una persona. Según los parámetros psicoacústicos combinados, podremos obtener la calificación del grado de molestia, bienestar, stress, disonancia, etc. que produce el sonido en una persona.

Respecto a las herramientas disponibles en el campo del Procesado Digital de Señales que puedan ayudar a mejorar el análisis psicoacústico, en esta tesis se realiza un estudio exhaustivo de las posibilidades del procesado Tiempo-Frecuencia. Además de realizar este estudio, el trabajo de investigación se ha centrado en la aplicación del análisis psicoacústico para la calificación de la molestia que producen ciertos tipos de ruido como son los ruidos de motor, ya sea el ruido de combustión producido por el motor, ya sea el ruido de escape. Se sabe que la molestia producida por estos ruidos se puede modelar utilizando una combinación de valores de Loudness (Sonoridad), Sharpness (Agudeza o Tonalidad) y Roughness (Aspereza). El cálculo de los dos primeros parámetros está estandarizado, mientras que existen varias aproximaciones para el cálculo del Roughness, presentando todas ellas serias limitaciones al analizar sonidos de motor, puesto que fueron desarrolladas y probadas para aplicarlas a señales simples.

En esta tesis se ha desarrollado un modelo de síntesis de señales de ruido basado en técnicas Tiempo-Frecuencia cuyo objetivo es sintetizar señales de motor lo más realistas posibles, pero buscando un modelo suficientemente sencillo para que en él se puedan identificar parámetros que influyan directamente sobre el Roughness percibido. Para ello, ambos ruidos de combustión y de escape se han modelado básicamente como la convolución entre una señal patrón y un tren de deltas modulado. Gracias a este modelo parametrizado, se ha comprobado que el Roughness de las señales sintetizadas viene determinado por la amplitud y la frecuencia de modulación del tren de deltas, mientras que se mantiene independiente de la forma que tenga la señal patrón. Estos resultados permitirán diseñar sonidos que produzcan menos molestia incidiendo en las señales de excitación que los producen, más que en los patrones de repetición que presentan.


Objetivos:

El objetivo general de esta tesis es realizar un estudio de las herramientas Tiempo-Frecuencia del Procesado Digital de Señales que pueden ser utilizadas en el análisis psicoacústico de cualquier sonido. Como objetivo particular, el trabajo aquí presentado pretende aportar nuevos métodos para mejorar la estimación de la molestia percibida en los ruidos de combustión y escape de un automóvil. Para ello, la investigación se ha centrado en el análisis de uno de los parámetros psicoacústicos que más influyen en la percepción de la molestia, el Roughness. Dado que los métodos clásicos de cálculo del Roughness han tomado siempre como referencia señales sencillas, el objetivo de esta tesis ha sido encontrar una adecuada metodología para el cálculo del Roughness aplicado a señales más complejas como son las señales de ruido de motor.

Elementos de la metodología a destacar:

La metodología utilizada se ha basado en primer lugar en una exhaustiva recopilación bibliográfica (continuamente actualizada durante todo el desarrollo de la investigación) sobre las técnicas y metodologías propuestas para el análisis psicoacústico de señales complejas, como son las señales de motor. Cabe destacar en este punto la multidisciplinariedad del tema tratado, ya que este estudio ha abarcado: 1) Revisión de la fisiología del oído humano y su influencia en la percepción del sonido; 2) Revisión de todos los parámetros acústicos y psicoacústicos, y su metodología de cálculo, que pueden ser utilizados para describir la percepción subjetiva que produce un sonido; 3) Revisión de las características mecánicas y físicas de un motor de combustión que han permitido sentar las bases de un modelo realista para sintetizar señales de ruido de motores.
En segundo lugar, para el estudio del ruido de motor se disponía de una gran cantidad y variación de señales de motor grabadas en muy buenas condiciones acústicas (cámara anecoica), lo que ha permitido realizar un estudio sobre el modelo de generación de estas señales y obtener un modelo fiable basado en la convolución entre una señal patrón y un tren de deltas modulado.
Por último, se ha podido validar el modelo propuesto como un modelo adecuado para la obtención del Roughness percibido gracias a la realización de experimentos con jurado que han proporcionado valoraciones fiables de los parámetros psicoacústicos de las señales. Cabe destacar que el test de jurado es prácticamente la única metodología usada en la literatura que permite confirmar la validez de un modelo psicoacústico, y como tal se ha usado a lo largo del trabajo presentado en esta tesis.

Resultados logrados:

En el entorno de trabajo descrito, las aportaciones originales de esta tesis consisten en:

-Un exhaustivo estudio del estado del arte de las técnicas de Procesado Tiempo-Frecuencia con aplicación a la percepción subjetiva del sonido.
-El desarrollo de un modelo de síntesis de ruido de motor que permite relacionar los principales parámetros psicoacústicos que modelan la molestia (Loudness, Sharpness y Roughness) con parámetros sencillos usados en el modelo.
-Análisis de las prestaciones de los métodos clásicos de cálculo del Roughness y propuesta de un nuevo método adecuado a las señales de ruido de motor.
-Desarrollo de un nuevo tipo de señal con interés en psicoacústica, la chirp de barrido uniforme en la escala Bark, que permite investigar los efectos de correlación entre bandas críticas a la hora de calcular los principales parámetros psicoacústicos.