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4ª Reunião do projecto Ciência Viva P-IV-1994

“Acções Integradas sobre o Sentido da Audição”

Local: Gabinete I325 da FEUP

Data: 12 de Outubro de 2001

Participantes:

Aníbal Ferreira (coordenador, INESC Porto / FEUP)

António M. L. Silva Pereira (E.S. Fontes Pereira de Melo)

Rogério Barros Baldaia (E.S. Fontes Pereira de Melo)

Angelo da Costa Cabral (Colégio Internato Carvalhos)

Guilherme E. O. Resende Silva (Colégio Internato Carvalhos)

João Carlos Pinto Martins(Colégio Internato Carvalhos)

Introdução

A reunião foi convocada pelo coordenador com o objectivo de discutir os seguintes tópicos:

· informação sobre visita efectuada ao “Visionarium”,

· relato das últimas experiências relativas ao projecto do demonstrador físico da hidromecânica da cóclea,

· ponto da situação relativamente ao projecto das duas versões do sonómetro,

· informação sobre aplicação em PC ilustrando, de forma interactiva, a análise espectral de sinais de voz e sua caracterização nomeadamente em termos de tonalidade e formantes,

Discussão

O coordenador relatou aos parceiros a visita que realizou ao “Imaginarium”, na Vila da Feira e ilustrou através de fotografias, o tratamento que é dado nesse espaço de experimentação didáctico-científica, ao sentido da audição e à natureza do som. Em particular, as fotografias fornecem sugestões interessantes quanto ao projecto de pósteres explicativos cujo planeamento no âmbito do nosso projecto será abordado na próxima reunião.

Na sequência deste relatório, faz-se referência aos restantes aspectos abordados na reunião pelos parceiros e relativos especificamente a cada uma das actividades previstas no projecto.

Actividade A

(projecto e construção do demonstrador ilustrativo dos princípios de funcionamento da região periférica do sistema auditivo humano, INESC Porto, ESFPM)

Foram mostrados os dispositivos construídos para simularem o gradiente de rigidez da membrana basilar no interior da cóclea (proporcionando diferentes características ressonantes ao longo do seu comprimento), como se descreve pormenorizadamente no último relatório de reunião distribuído aos parceiros. Os parceiros concluíram que o insucesso dos últimos ensaios deveram-se por um lado às dificuldades de construção dos dispositivos, e por outro lado, provavelmente também devido à limitação básica de todo o demonstrador em não retratar convenientemente a combinação do aumento da espessura com a diminuição da rigidez ao longo do comprimento da membrana basilar. Foi também apontada a possibilidade de retratar convenientemente a redução da secção das rampas vestibular e timpânica ao longo da membrana basilar. Os parceiros da ESFPM afirmaram que iriam usar um sistema hidráulico existente nas suas instalações para concluir sobre a importância deste último aspecto no controlo da pressão no demonstrador. O coordenador afirmou que iria recolher a crítica de colegas do Departamento de Química da FEUP aos últimos resultados.

Actividade B

(projecto e implementação de um dispositivo compacto e apelativo para a monitorização de níveis e exposições sonoros, INESC Porto, CIC)

Os parceiros do CIC fizeram o ponto da situação relativamente a dois desenvolvimentos que demonstraram. Um deles ilustra uma configuração electrónica do mostrador LCD (a usar no sonómetro na versão em DSP) utilizado como contador. Concluiu-se sobre a sua simplicidade e foi indicada a possibilidade de usar uma outra alternativa para utilização no sonómetro baseado em DSP já que este pode fornecer directamente os sinais para os 7 segmentos de cada dígito, evitando portanto a conversão externa BCD-7segmentos. O outro desenvolvimento refere-se à versão analógica do sonómetro. Foi demonstrado o funcionamento deste sistema usando desta vez 6 ou 7 LEDs para indicar níveis sonoros. Concluiu-se que do ponto de vista de regularidade no incremento dos níveis sonoros, a utilização de seis LEDs era mais adequada. Ficou acordado que os próximos objectivos seriam a definição do esquema final do circuito e a identificação de uma caixa compacta adequada para encapsular ao sistema.

Foi também feito o ponto da situação relativamente ao desenvolvimento do sonómetro na sua versão em DSP. Foi demonstrada a funcionalidade da componente de software deste sistema, com base na plataforma de desenvolvimento para o processador a usar (TMS320C4502 da Texas Instruments). A componente em hardware encontra-se em fase adiantada de desenvolvimento e serão demonstrados na próxima reunião os avanços já alcançados. De facto, a realização parcial em hardware com todos os periféricos necessários (nomeadamente o conversor A/D, o mostrador LCD e o conjunto de LEDs) já foi testada, faltando agora o projecto do sistema compacto final incluindo, para além dos periféricos anteriores, o DSP e EPROM. Os componentes necessários à montagem de 15 sonómetros já foram encomendados. Estima-se que o custo final de cada sistema ronde os 125 Euros.

Actividade D

(projecto, construção e manutenção de uma página na “Internet” sobre o projecto, suas realizações tecnológicas inovadoras e acções integradas de formação, demonstração tecnológica e sensibilização, todos os parceiros)

Foi demonstrada uma versão preliminar da aplicação interactiva para PC, sobre a análise de sinais de voz. A aplicação faz uma representação dos sinais quer no domínio do tempo, quer no da frequência. Esta representação é acompanhada de funções auxiliares de análise que medem a tonalidade da voz, medem o seu timbre (pela identificação de formantes) e identificam a sua estrutura harmónica. O próximo passo é a criação de um modo funcional de reconhecimento das cinco vogais. Na próxima reunião de projecto será feita uma demonstração da aplicação e desta funcionalidade em particular. Dado que esta aplicação é bastante poderosa relativamente a demonstradores similares em exibição quer no Pavilhão do Conhecimento (Parque das Nações em Lisboa) quer no Visionarium (Vila da Feira), é nossa expectativa que a partir do 6º Fórum Ciência Viva, ele passe a ser incluído no conjunto de demonstradores do Pavilhão do Conhecimento.

Actividades E e F

(planeamento, preparação e condução das acções pedagógicas incluindo as componentes de demonstração/experimentação, apresentações/debate e testes audiométricos, todos os parceiros)

Não houve discussão sobre estas actividades.

Novos desenvolvimentos

Dado que a última reunião realizou-se há já 5 meses, verificaram-se alguns desenvolvimentos que importa relatar e importa também fazer um balanço das realizações decorrentes dos objectivos do nosso projecto e que deverão ser concluídas até à data do próximo Fórum Ciência Viva, que terá lugar de 10 a 11 de Maio de 2002, no Parque das Nações, em Lisboa.

Estas considerações serão tratadas a seguir com referência às diversas actividades do projecto e têm por objectivo enquadrar os tópicos em agenda para a próxima reunião.

Actividade A

(projecto e construção do demonstrador ilustrativo dos princípios de funcionamento da região periférica do sistema auditivo humano, INESC Porto, ESFPM)

Como decidido na última reunião, o coordenador solicitou a apreciação de dois Colegas, um do Depº de Química da FEUP e outro do Depº de Engenharia Mecânica da FEUP, em relação aos protótipos construídos e aos resultados obtidos. As críticas dirigiram-se ao facto de haver ar no interior do demonstrador o que, devido à sua compressibilidade, absorve as variações de pressão induzidas no demonstrador, impedindo o efeito funcional pretendido. Foi inclusivamente referido que o protótipo construído ilustra bem a técnica vulgarmente usada nas canalizações de modo a absorver impulsos de pressão que podem ter efeitos danosos nos sistemas de conduta. Foi concretamente sugerido por um Colega a substituição do actual demonstrador por um outro baseado nas diferentes propriedades ressonantes de placas de metal com diferentes geometrias (tal como num xilofone). Esta sugestão, por não ilustrar directamente o princípio de funcionamento do interior da cóclea, foi declinada pelo coordenador. Neste contexto, o coordenador propõe uma nova evolução do demonstrador anteriormente construído, como se descreve a seguir.

A estrutura base do último demonstrador construído da hidromecânica da cóclea ilustra-se na figura seguinte. Os vários ensaios realizados mostraram que o ar existente no sistema, dada a sua compressibilidade, é perturbador do seu funcionamento, além de não ter qualquer fundamento ilustrativo pois não existe ar no interior da cóclea. Uma das conclusões a que se chegou foi portanto que todo o jogo de pressões que se desenvolve no interior da estrutura do demonstrador deve exercer-se, tal como no interior da cóclea, num único meio. Por outras palavras, o interior da estrutura do demonstrador só pode conter água.

Mesmo apesar deste erro básico de modelização, o demonstrador anterior permitiu obter uma evidência funcional que é consistente com o efeito final pretendido. Relembra-se aqui que o efeito final pretendido é que para frequências de excitação baixas, oscile predominantemente o nível de líquido no vaso mais afastado do ponto de excitação, e que para frequências mais altas, oscile predominantemente o nível de líquido no vaso mais próximo do ponto de excitação.

A evidência obtida consistiu no facto de se poder observar fisicamente que para frequências de excitação baixas todos os vasos oscilam, embora diferentemente, mas que à medida que a frequência de excitação aumenta, a oscilação nos vasos mais distantes do ponto de excitação é cada vez menor. Isto é, cada vaso revela uma selectividade típica de um filtro passa-baixo. Nesta perspectiva, quanto mais afastado do ponto de excitação se encontrar o vaso, menor será a sua frequência de corte. Esta conclusão é ilustrada no diagrama seguinte só para três vasos.

Porém e em coerência com a conclusão anterior, não foi observado o outro efeito pretendido de se evidenciar fisicamente que à medida que a frequência de excitação diminui, a oscilação nos vasos mais próximos do ponto de excitação é cada vez menor. Este efeito corresponde a impor para cada vaso uma frequência inferior de corte. Por outras palavras, pretende-se que cada vaso exiba um comportamento do tipo passa-banda, o que retrataria o princípio de selectividade em frequência da membrana basilar.

Com este objectivo, propõe-se uma modificação estrutural ao modelo anterior como se ilustra a seguir. Neste novo modelo não existe ar no interior do demonstrador e insere-se um elemento oscilante no interior de cada vaso composto por uma ampola rígida suspensa nas suas extremidades por duas molas fixadas no vaso.

O diferente enchimento de cada ampola com um material mais denso que a água –para além de sugerir visualmente a variação da espessura da membrana basilar- visa criar uma inércia diferenciada de vaso para vaso o que afecta a frequência superior de corte do elemento oscilante. A diferente rigidez de cada mola (que deverá ser ajustável manualmente em cada vaso rodando um parafuso de aperto que contudo garanta estanquicidade) visa criar uma característica de rigidez diferenciada de vaso para vaso, o que afecta a frequência inferior de corte do elemento oscilante.

Pretende-se pois que esta inovação conduza ao comportamento em frequência esperado do tipo passa-banda e ilustrado a seguir só para três vasos.

Deixa-se esta nova proposta à apreciação dos parceiros de modo a ser discutida na próxima reunião. Relembra-se por último que toda a estrutura de tubos (excepto o balão e o êmbolo accionador das vibrações) deverá ser completamente rígida para não afectar a distribuição das pressões no interior do sistema demonstrador.

NOTA 1: É óbvio que o procedimento correcto na perspectiva de engenharia, seria a simulação e validação prévia do sistema hidro-mecânico antes da construção do protótipo. Porém, esta abordagem requer conhecimentos e a utilização de ferramentas específicas que nenhum dos parceiros do projecto domina, nem se conseguiram associar ao projecto, apesar dos esforços desenvolvidos nesse sentido, através contactos com entidades exteriores ao projecto.

NOTA 2: Em associação com este demonstrador, há que que preparar alguma informação em póster, talvez enquadrada no póster informativo sobre o sentido da audição, e aludindo especificamente à forma como o aspecto da selectividade em frequência da membrana basilar (interior da cóclea) é retratado pelo demonstrador interactivo.

Actividade B

(projecto e implementação de um dispositivo compacto e apelativo para a monitorização de níveis e exposições sonoros, INESC Porto, CIC)

Por oportunidade da visita realizada pelos Colegas do CIC durante o dia aberto da FEUP (6 de Março) apurou-se que o circuito final da versão analógica do sonómetro já foi definida, após alguns ajustes que tornaram o sistema funcionalmente mais apelativo. Dado que esta versão do sonómetro é fundamental para o sucesso das acções de campo previstas no projecto, importa definir na próxima reunião uma estratégia e calendário para produzir bastantes unidades deste sistema (entre 100 e 150). Concretamente, espera-se que os Colegas do CIC forneçam o esquema electrónico pormenorizado do sistema e ajudem a concluir sobre:

· possibilidade de todo o circuito poder ser alimentado com 3 Volt (i.e. duas pilhas AA),

· custo dos componentes necessários para cada unidade incluindo placa de circuito impresso e suporte para pilhas,

· via mais rápida de obter as placas de circuito impresso necessárias (podem ser desenhadas pelos serviços de CAD do INESC Porto),

· via mais rápida de adquirir todos os componentes necessários (pode ser feito pelo INESC Porto),

· via mais rápida de montar todos os componentes em todas as placas de circuito impresso (há condições para que isto seja feito no CIC, mesmo adquirindo algum equipamento de auxílio à montagem ? Neste caso, de que equipamento se trata e qual é o seu custo para instituições de ensino ?).

NOTA: Em associação com este demonstrador, deve-se preparar um póster sobre a natureza e características do som, e enquadrar a relevância do sonómetro neste tema.

Actividade D

A criação da página Web do projecto não foi ainda iniciada mas sê-lo-á nas próximas semanas. A aplicação para PC de sinais de voz irá ficar disponível nesta página após a sua apresentação no 6º Fórum Ciência Viva. Procurar-se-á articular a criação de material temático para esta página, particularmente relativamente ao tema do som e suas propriedades e ao tema do sistema auditivo humano, suas características, funcionamento e vulnerabilidades, com os dois pósteres a preparar sobre estes temas, de modo também a duplicar esforços.

Actividades E e F

(planeamento, preparação e condução das acções pedagógicas incluindo as componentes de demonstração/experimentação, apresentações/debate e testes audiométricos, todos os parceiros)

Dado o tempo necessário à construção dos demonstradores previstos no projecto, e dado que oficialmente o projecto se conclui em Junho de 2001, não há objectivamente tempo suficiente para planear e conduzir adequadamente as acções de campo previstas. Neste sentido, o coordenador irá solicitar ao Gabinete do Programa Ciência Viva uma extensão da duração do projecto, mantendo naturalmente o seu orçamento, até Novembro de 2002.

Entretanto, o coordenador irá consultar com o especialista de audiometria (parceiro do projecto) e também com uma médica de otorrinolaringologia do hospital de S. João (que gentilmente ofereceu o seu apoio no planeamento e condução dos testes audiométricos) de modo a antecipar os preparativos para aquelas acções, nomeadamente quanto a:

· viabilidade de realização dos testes audiométricos a estudantes na própria escola secundária com base num audiómetro de banda larga e portátil (cuja aquisição está prevista no projecto),

· número de testes audiométricos que é viável efectuar num único dia,

· custo dos serviços de audiometria na execução dos testes,

· concepção dos testes audiométricos e questionário relacionado, informação e pedido de consentimento aos encarregados de educação observando todos os critérios deontológicos aplicáveis,

· critérios de sigilo a observar na análise e publicação dos resultados dos testes audiométricos.

Relembra-se por último que os parceiros podem efectuar pequenas despesas (as “grandes” deverão ser feitas pelo próprio INESC Porto) havendo lugar a posterior reembolso. Deverão para este efeito solicitar factura da despesa, em nome do INESC Porto, e mencionando o seu nº de contribuinte: 504441361.

Aníbal João de Sousa Ferreira, 15 Março 2002