Influência dos parâmetros acústicos in situ na avaliação da inteligibilidade da fala em salas de aula via redes neurais artificiais

Abstract

Resumo: O excesso de ruído em salas de aula configura-se como umas das principais causas de problemas vocais em professores. Além disso, a presença do ruído interfere negativamente sobre a relação ensino-aprendizagem, provocando a perda de informação transmitida do professor aos alunos. Com isto, condições acústicas adequadas fazem-se pertinentes nas salas de aula. Portanto, este trabalho teve como objetivo avaliar a qualidade acústica em 5 salas de aula da Universidade Federal do Paraná (UFPR) no campus Centro Politécnico, aplicando as normas ISO 9921, ISO 3382, NBR 12179, NBR 10152 e IEC 602068-16. Com isto, determinaram-se as possíveis correlações e redundâncias entre os descritores: Tempo de Reverberação - T30, Tempo Central - Ts, Tempo de Decaimento Inicial - EDT, Definição - D50, Claridade - C50, Razão de Som Útil-a-Prejudicial - U50 e Índice de Transmissão da Fala - STI, e as significâncias dos seguintes fatores sobre aqueles: ruído de fundo - (A), coeficiente de absorção sonora - (B), confinamento - (C) e ocupação - (D). Para tanto, a metodologia consistiu em aplicar o Planejamento Fatorial de Experimentos do tipo 24 não replicado, realizado com base nas simulações validadas no software ODEON versão 11, para criar as matrizes de respostas, totalizando 80 salas virtuais e 53 respostas. De posse das matrizes de repostas, criou-se uma matriz de correlação entre os descritores e, posteriormente, aplicou-se a Análise de Componentes Principais e gerou-se a redução dimensional dos dados, nos quais se aplicou a Regressão Linear Múltipla para determinar parcimoniosamente os efeitos de significância sob o viés linear. Numa heurística não linear, a significância foi determinada pelas Redes Neurais Artificiais (RNAs), por meio de 6 topologias da arquitetura Perceptron Multicamadas, treinadas 50 vezes de forma independente, nas quais implementou-se o Método Profile Modificado. Os resultados evidenciaram que somente uma sala de aula da UFPR cumpria os requisitos mínimos de qualidade acústica. As análises de correlação agruparam os descritores em 3 grupos: 1º grupo: (EDT, T30 e Ts), 2º grupo (C50 e D50) e 3º grupo (U50 e STI). Demonstrou-se que, quanto maior o TR, menor o STI. Altas correlações entre o U50 e STI foram verificadas, resultados estes concordantes com a literatura. A análise de significância mostrou que a absorção, fator (B), interfere mais nos descritores de reverberação (1º e 2º grupos) e o ruído de fundo, fator (A), interfere fortemente sobre o STI e U50. O fator C pouco interfere nos descritores acústicos. Os efeitos de interação de 3ª e 4ª ordens não possuem significância relevante sobre as salas estudadas. Conclui-se que os resultados obtidos estão de acordo a com a literatura corrente e que com a metodologia desenvolvida neste trabalho pode ser aplicada em outras salas, objetivando realizar análises dos descritores acústicos. Palavras-chave: Índice de Transmissão da Fala. Redes Neurais Artificiais. Acústica de Salas. Planejamento Fatorial de Experimentos. Tempo de Reverberação.

Abstract: Excessive noise in classrooms is one of the main causes of vocal problems in teachers. In addition, the presence of noise interferes negatively on the teachinglearning relationship, causing the loss of information transmitted from the teacher to the students. With this, adequate acoustic conditions become relevant in classrooms. The aim of this study was to evaluate acoustic quality in 5 classrooms of the Federal University of Paraná (UFPR) at the Polytechnic Campus, applying the standards ISO 9921, ISO 3382, NBR 12179, NBR 10152, and IEC 602068-16. Thus, it was determined the possible correlations and redundancies between the following descriptors: Reverberation Time - T30, Central Time - Ts, Early Time Decay - EDT, Definition - D50, Clarity - C50, Useful-to-detrimental sound ratio - U50 and Speech Transmission Index - STI, and the significance of the following factors on those: background noise - (A), sound absorption coefficient - (B), confinement - (C) and occupation - (D). The methodology consisted of applying the Design of Experiments of type 24 not replicated, based on the validated simulations in the ODEON version 11 software, to create the response matrices, totaling 80 virtual rooms and 53 responses. A matrix of correlation between the descriptors was created and then the Principal Components Analysis was applied. A dimensional reduction of the data was generated in which the Multiple Linear Regression was applied to parsimoniously determine the effects of significance in a linear manner. In a non-linear heuristic, the significance was determined using Artificial Neural Networks (ANNs), through 6 topologies of a Multilayer Perceptron architecture, trained 50 times independently, in which the Modified Profile Method was implemented. The results showed that only one classroom met the minimum acoustic quality requirements. The correlation analyzes grouped the descriptors into 3 groups: 1st group: (EDT, T30, and Ts), 2nd group (C50 and D50) and 3rd group (U50 and STI). It was shown that the higher the RT the lower the STI. High correlations between U50 and STI were verified, and these results agreed with the literature. The analysis of significance showed that absorption, factor (B), interferes more on reverberation descriptors (1st and 2nd groups), while background noise, factor (A), strongly interferes with STI and U50. The factor C is inexpressive in the acoustic descriptors. The interaction effects of 3rd and 4th orders did not have any significant significance on the studied rooms. It is concluded that the results obtained agree with the current literature and that the methodology developed in this work can be applied in other rooms aiming to analyze acoustic descriptors. Keywords: Speech Transmission Index. Artificial Neural Networks. Design of Experiments. Room Acoustics. Reverberation Time.