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Acústica de Stonehenge

Posted by luxcuritiba em dezembro 9, 2019

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Dr. Bruno Fazenda, 2012

Centro de Pesquisa em Acústica, Universidade de Salford

Já imaginou como era em Stonehenge, há 3000 anos?

Estudos arqueológicos de locais pré-históricos, como Stonehenge, geralmente ignoram o sentido auditivo. Na sua forma original, Stonehenge tinha formas concêntricas de anéis de pedra que teriam cercado um indivíduo visual e auditivamente. É um espaço ao ar livre e a maioria das evidências arqueológicas sugere que ele não tinha um teto. No entanto, sua grande estrutura semi-fechada, com muitas superfícies reflexivas, teria criado um ambiente sonoro incomum para o homem neolítico.

A preservação e recriação da acústica de lugares antigos é vital. Nos últimos tempos, esse ramo da ciência acústica foi nomeado arqueoacústica . É importante na reconstrução de teatros antigos e ajuda na interpretação arqueológica de edifícios e patrimônios importantes, alguns dos quais podem não existir em sua forma original. Com a medida correta e os dados modelados, os campos sonoros originais podem ser recriados para permitir que pesquisadores e o público em geral experimentem os sons em aplicativos interativos.

Desde a sua desintegração em ruínas, ninguém sabia dizer o que parecia estar dentro de Stonehenge. Então, em 14 de abril de 2011, as pessoas que participavam da série Meet the Scientist no Museu de Ciência e Indústria de Manchester poderiam, pela primeira vez, entrar em uma representação totalmente envolvente dos sons de pássaros cantando, crianças rindo e uma banda tocando, dentro de Stonehenge. Essa demonstração pública foi o resultado de um projeto de pesquisa que, nos últimos 3 anos, estudava a acústica de Stonehenge e recriava seu ambiente auditivo como uma extensão dos estudos arqueológicos multimodais e ecologicamente válidos.

O trabalho nesse projeto levou a equipe de pesquisa, que envolve acadêmicos das Universidades de Salford, Huddersfield e Bristol, até o local de Stonehenge, no Reino Unido, e a uma reconstrução de concreto no Estado de Washington, EUA, construída em 1929 como um memorial aos soldados da Primeira Guerra Mundial.

A resposta acústica do local abandonado de Stonehenge foi analisada, mas como muitas pedras estão faltando ou foram movidas, os resultados não são representativos do edifício original. Atualmente, Stonehenge exibe alguns ecos fracos e nenhuma reverberação perceptível, o que é bastante típico de um espaço ao ar livre. Por outro lado, o local da réplica em Maryhill é uma representação visual e auditiva muito mais fiel do monumento original, como se acredita ter existido por volta de 1.500 aC. Em Maryhill, uma breve reverberação, típica de um pequeno auditório ou de uma sala de aula, pode ser ouvida!

Medições acústicas

Medições acústicas e modelagem acústica de última geração foram usadas para investigar a existência de efeitos sonoros em Stonehenge, como ecos, ressonâncias e efeitos de galeria sussurrantes. A descoberta de tais efeitos poderia contribuir de alguma maneira para apoiar reivindicações de intencionalidade acústica no design do espaço.

A medição da resposta acústica no atual Stonehenge mostrou um tempo de reverberação muito curto (0,48 segundos), o que é esperado devido ao número reduzido de pedras estacionárias. As medições de Maryhill, no entanto, revelam um tempo de reverberação de cerca de 0,8 segundos. Esse tipo de reverberação é típico, por exemplo, em uma sala de aula em que é necessária uma boa inteligibilidade da fala.

Figura 3 – Curvas de tempo de energia para Stonehenge e Maryhill. Essas curvas mostram o comportamento da energia sonora, que decai com o tempo após um impulso inicial de excitação. É claro que Maryhill sustenta a energia refletida por mais tempo, dando a impressão de um ambiente mais reverberante.

Figura 4 – Tempos de reverberação para Stonehenge, Maryhill e uma auralização de síntese de campo de ondas.

Embora este estudo não tenha encontrado efeitos acústicos espetaculares, é claro que esse espaço reage a atividades acústicas, como fala e canto. Considerando que o Homem Neolítico só pode experimentar reverberação ou ecos em espaços relativamente raros, como cavernas ou características naturais (colinas e rochedos), essa é uma resposta acústica interessante e atípica, certamente perceptível pelas pessoas que usam o espaço. Um equivalente dos dias modernos pode ser a percepção que temos quando entramos em uma igreja ou catedral. Os efeitos encontrados não sugerem inequivocamente intencionalidade acústica no design, mas eles revelam o que nossos ancestrais poderiam ter sentido ao entrar em Stonehenge.

Diferenças em superfícies e materiais refletivos

Uma das primeiras perguntas que normalmente são feitas é ‘quanto a diferença de material entre pedras (em Stonehenge) e concreto (em Maryhill) tem na resposta acústica?’ Na minha opinião, não muito. Ambos os materiais são bastante massivos e altamente refletivos sobre a faixa de frequência de interesse. As pedras em Stonehenge são naturalmente menos regulares, o que causa alguma difusão de média a alta frequência. No entanto, as pedras de concreto em Maryhill também foram trabalhadas para ter superfícies não planas. As irregularidades são da ordem de 10 cm de profundidade, tanto nas pedras sarsen quanto nas de concreto. Por serem mais regulares, a difusão das ‘pedras’ de concreto só pode existir em frequências mais altas quando comparada com Stonehenge. Se for esse o caso, Maryhill seria um “pior cenário”, onde existem níveis mais concentrados e mais altos de energia refletida. Nas frequências mais baixas, ambas as estruturas são acusticamente semelhantes.

Porém, através de diferentes rotas particulares, ambas as superfícies causarão uma grande quantidade de difusão nas freqüências média e alta nas ondas sonoras que se chocam. O resultado líquido dentro do círculo provavelmente será o mesmo. Em suma, quaisquer padrões que provavelmente existissem no local original de Stonehenge serão revelados em Maryhill com medidas objetivas semelhantes, como tempos de reflexão, padrões de reverberação e interferência ou ressonâncias. Algumas investigações adicionais estão sendo realizadas atualmente para determinar o coeficiente de reflexão das pedras de Stonehenge.

Modelagem

Stonehenge era um edifício de forma circular. Nessas arquiteturas, seria de esperar fortes efeitos de foco, onde o som é refletido no centro do espaço pelas superfícies ao seu redor. Qualquer pessoa parada no centro do espaço e emitindo um som, digamos um tapa na mão, esperaria que um eco voltasse dos limites. No entanto, Stonehenge não é simplesmente uma arquitetura circular com um espaço livre entre o centro e a periferia. Existem muitas pedras, o anel de pedra azul e os Trilithons, que refletem e difratam as ondas sonoras à medida que se afastam do centro. Esses efeitos de reflexão e difração criam algo próximo ao que na acústica é conhecido como campo difuso, o que significa que as ondas sonoras em qualquer ponto do espaço provavelmente estão viajando em várias direções, e não em uma direção específica.

Isso, por sua vez, impede que qualquer onda sonora retorne ao ouvinte com um atraso de tempo único e definido e um nível forte, que soaria como um eco. Em vez disso, a percepção é a de um espaço reverberante, sem ecos definidos de direções específicas. Curiosamente, esse espaço tende a apoiar a atividade de fala, já que um falante pode ser ouvido razoavelmente bem de qualquer lugar do espaço, inclusive quando está atrás de uma das pedras (mas dentro do círculo externo). Esse efeito ficou bem claro quando visitamos o sítio Maryhill para o nosso estudo.

Uma simulação acústica de Stonehenge no domínio do tempo de diferença finita foi produzida por Jonathan Sheaffer, um de nossos alunos de doutorado. Os efeitos da reflexão e difração à medida que as frentes de onda encontram as pedras podem ser vistos na animação a seguir. Depois de um tempo, fica claro que as frentes de onda, que começaram claramente definidas quando saem da posição de origem, se transformam em wavelets [pequenas  ondas] viajando em todas as direções, sugerindo um campo difuso.

Figura 5 – Simulação FDTD de uma fonte no centro de Stonehenge.

Um outro efeito acústico que pode ser esperado em edifícios circulares é o da galeria sussurrante. Este é um efeito encontrado anteriormente na Catedral de São Paulo, em Londres. O efeito sussurrante da galeria faz as ondas sonoras viajarem ao redor de uma parede interna curva até chegarem a outro local distante na parede. Os efeitos sussurrantes da galeria foram relatados como uma maneira útil de transmitir informações, na forma de sussurros, de um ponto próximo à parede para outro ponto tão distante que a propagação direta e reta não seria ouvida. Em alguns lugares, como a estação Grand Central, em NY, esse efeito é considerado usado para propostas de casamento!

Utilizamos o modelo FDTD para investigar por que Stonehenge, apesar de ter uma forma circular com um corredor periférico definido, não exibiu esse efeito. A resposta é mais uma vez devido à grande quantidade de difração que existe à medida que a onda sonora se propaga ao longo do arranjo pedra-espaço-pedra. Isso pode ser visto na simulação abaixo. As frentes de onda em propagação são progressivamente destruídas pela interação com as ondas refletidas e difratadas das pedras e as lacunas entre elas. Uma frente de onda claramente definida não é mais visível depois que a onda se propaga cerca de 1/8 da periferia do círculo.

Figure 6 – FDTD model demonstrating the acoustic phenomena preventing whispering gallery effects in Stonehenge.

Auralizações

A pesquisa aqui em Salford criou uma auralização 3D completa do espaço para permitir experimentar como Stonehenge teria soado.

As respostas do impulso acústico (a pegada acústica) foram capturadas no local usando uma técnica especial que requer um microfone capaz de medir pressão e velocidade das partículas em três eixos ortogonais, X, Y e Z. Isso fornece informações acústicas sobre o espaço, como o tempo e direção de chegada das reflexões. Técnicas semelhantes agora são comuns na produção de áudio na forma de reverbs de convolução.

Para renderizar o campo sonoro em um ambiente imersivo, usamos a tecnologia Wave Field Synthesis (WFS), desenvolvida pelos colegas da CSE, Dr. Ian Drumm e Rob Oldfield. O sistema desenvolvido utiliza um anel de 64 amplificadores e alto-falantes, cada um controlado individualmente através de um algoritmo de computador. Desenvolvemos um sistema de renderização híbrido baseado nos princípios WFS e Ambisonic. O método desenvolvido é inovador, mas baseado em um conceito simples:

As fontes sonoras “secas” são renderizadas como fontes focadas usando os princípios de síntese do campo de ondas. As fontes focalizadas no WFS contêm o comportamento correto das frentes de onda para fornecer ao ouvinte uma impressão precisa da localização da fonte no espaço. O sistema não depende da posição do ouvinte, o que significa que um ouvinte pode se movimentar livremente sem perder a direção correta da fonte de som. O sistema também permite o movimento em tempo real dessas fontes. Uma visualização da fonte focada pode ser vista aqui:

A ‘resposta acústica’ do espaço é obtida através da convolução dos sinais da fonte seca e das respostas de impulso 3D (IR) medidas no local. Esses IRs contêm informações direcionais para som e energia diretos, refletidos nas superfícies. Os IRs devem ser processados para remover as informações de ‘som direto’, uma vez que isso já existe no espaço de auralização na forma de fontes focalizadas.

Um ouvinte dentro do sistema de renderização é, portanto, sujeito às pistas direcionais corretas geradas a partir das frentes de onda reconstruídas para as fontes focadas e às reflexões ambientais ecologicamente válidas do espaço. O sistema recria um ambiente perceptivamente preciso, onde todas as fontes sonoras escolhidas são colocadas no espaço e elas ‘respondem’ a elas, fornecendo as reflexões e reverberações corretas. O sistema efetivamente fornece a experiência auditiva de estar dentro do círculo.

Para as demonstrações disponíveis aqui, as auriculares foram processadas para reprodução binaural (reprodução por fones de ouvido). O princípio aplicado é semelhante ao explicado para o WFS. No entanto, é específico para a reprodução binaural:

1. As fontes de som são geradas a partir de gravações de som ‘secas’ e ‘posicionadas’ no campo de audição com o uso das correspondentes funções de transferência relacionada à cabeça (HRTF). Ou seja, para posicionar uma fonte 30 graus à direita na frente do ouvinte, o sinal da fonte é convolvido (uma operação matemática) com HRTFs medidas em 30 graus para as orelhas direita e esquerda de um simulador de cabeça e tronco.

2. O ambiente reverberante, retirado suas informações sonoras diretas, está contido nos IRs medidos do sítio. Para cada direção de 5 graus, a ponderação correta das respostas de impulso nas direções X e Y são convoluídas com os HRTFs correspondentes para ambas as orelhas e subsequentemente convoluídas com o sinal de origem.

A auralização contém as pistas corretas para o sinal da fonte seca e a energia refletida do espaço ao seu redor. As seguintes amostras de áudio devem ser ouvidas em fones de ouvido de boa qualidade para obter um resultado mais realista.

Amostras de áudio

Aqui estão algumas palmas ao ar livre sem superfícies por perto:

Este é o som das mesmas palmas, mas dentro do Stonehenge:

E este é um trecho extraído de uma gravação de uma banda chamada ‘The Imagined Village’ tocando uma música folclórica chamada ‘Cold Hailey Windy Night’:

Cobertura da mídia

Até agora, o projeto atraiu muita publicidade. Desde que as primeiras medidas foram tomadas em 2008, este trabalho foi apresentado em vários sites, incluindo o National Geographic, um documentário de TV para o History Channel e um artigo para New Scientist, escrito por nosso colega professor Trevor Cox. O trabalho também foi apresentado na primeira Conferência Acústica dos Teatros Antigos (Patras, Grécia, 2008) e publicado no Journal Acta Acustica United with Acustica. Mais recentemente, foi relatado em sites como a BBC, The Guardian e Scientific American, entre outros.

Também ocorreram várias palestras convidadas para apresentar esse trabalho a uma audiência pública. As apresentações de síntese de campo de ondas do som de Stonehenge foram apresentadas no Museu de Ciência e Indústria de Manchester e no evento inaugural da Parceria de Pesquisa de Áudio da BBC em Media City: Reino Unido. Uma versão permanente pode ser ouvida em nossos laboratórios de pesquisa acústica no edifício Newton.

Para completar, há vários outros estudos sobre som no Stonehenge ou a partir dele. Esses links estão aqui para direcionar o leitor interessado para outras obras que analisam sons no monumento antigo (em inglês):

. Blocos de pedra de Stonehenge tinham propriedades acústicas, mostra estudo (BBC News – Wiltshire)
. Stonehenge foi construído para o rock? (O guardião)
. O design de Stonehenge foi “inspirado por sons” (BBC News – Science and Environment)
. Avaliação da acústica de Stonehenge (Universidade de Bristol)

Por fim, se você gosta de Stonehenge e autostereogramas, aqui está um estereograma de Stonehenge para você ouvir enquanto ouve as amostras de áudio.

fonte: https://www.salford.ac.uk/research/sirc/research-groups/acoustics/architecture-and-building-acoustics/acoustics-of-stonehenge

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