Testes Comparativos

Este documento apresenta os resultados do primeiro teste comparativo entre o sonômetro Svantek 971A (Classe 1, IEC 61672-1) e o microfone MEMS interno de um smartphone Samsung Galaxy A55, utilizando o Calibrador Web (PWA) como software de captura.

O objetivo é quantificar a precisão do smartphone como instrumento de medição de ruído ambiental urbano e identificar as limitações do microfone interno, como etapa preparatória para testes com o microfone externo calibrado Dayton Audio iMM-6C (USB-C, omnidirecional).

O Svantek 971A (referência Classe 1) e o smartphone foram posicionados lado a lado, com os microfones a ~10 cm de distância, orientados na mesma direção. Ambos registraram LAeq a cada 1 segundo durante ~7 minutos em ambiente externo urbano.

Sincronização temporal

Os relógios não foram sincronizados previamente. O alinhamento foi feito por nearest-neighbor matching com tolerância de 0.6s, resultando em 359 pares válidos de 433 leituras do Svantek (83%).

Descritores estatísticos

Além do pareamento segundo-a-segundo, foram calculados descritores acústicos padronizados (ISO 1996-2):

• Leq — nível equivalente contínuo (média energética)
• L10 — nível excedido 10% do tempo (ruído de pico)
• L50 — mediana (nível excedido 50% do tempo)
• L90 — nível excedido 90% do tempo (ruído de fundo)
• L95, Lmin, Lmax — extremos da distribuição

Faixa dinâmica (L10−L90): Svantek = 19.0 dB  |  Celular = 15.0 dB (compressão de 21%)

Erro por faixa de SPL

1. Compressão não-linear acima de 65 dB

O microfone MEMS satura progressivamente: na faixa 70–80 dB o offset médio é de −20.6 dB, e acima de 80 dB chega a −24.9 dB. O Leq (dominado energeticamente pelos picos) sofre erro de −5.5 dB, enquanto o L90 (ruído de fundo, 40–50 dB) tem erro de apenas −1.6 dB.

2. Faixa dinâmica comprimida

O Svantek registra L10−L90 = 19.0 dB; o celular comprime para 15.0 dB. O MEMS subestima picos (L10: −5.6 dB) e infla mínimos, reduzindo a faixa dinâmica percebida em ~21%.

3. L50 como melhor indicador

A mediana (L50) apresenta o melhor equilíbrio: Δ = −2.5 dB, dentro da faixa aceitável para triagem urbana. O L90 (Δ = −1.6 dB) também é confiável.

4. Leq comprometido pelo efeito de saturação

O Leq energético é dominado pelos picos (caminhões, ônibus). Como o MEMS comprime justamente esses picos, o Leq do celular (62.3 dB) fica 5.5 dB abaixo do Svantek (67.8 dB) — erro inaceitável para fins normativos.

5. Calibração por offset fixo é insuficiente

O app aplica offset de ~94.0 dB (dBFS → dB). O offset ideal seria ~95.2 dB, mas a variabilidade (σ = 9.7 dB) torna a correção linear inadequada para a faixa completa. Uma curva de correção não-linear seria necessária para o mic MEMS.

O microfone MEMS do smartphone não é projetado para medição acústica: sua captação é influenciada pela posição do aparelho, pelo corpo do dispositivo (que causa difração e sombreamento acústico acima de 2 kHz) e por algoritmos de cancelamento de ruído e beamforming que alteram o sinal antes de chegar à Web Audio API.

O Dayton Audio iMM-6C emprega uma cápsula eletreto condensadora de 6 mm com padrão polar verdadeiramente omnidirecional: capta pressão sonora de todas as direções com resposta uniforme (±0.5 dB, 18–20 kHz). Isso é um requisito da IEC 61672-1 para medição de ruído ambiental, onde o som chega de múltiplas fontes simultâneas (tráfego, pedestres, comércio, fauna) sem direção preferencial.

O que significa captação omnidirecional?

Um microfone omnidirecional responde igualmente à pressão sonora independente do ângulo de incidência. Na prática, o operador não precisa apontar o microfone — qualquer orientação produz a mesma leitura (diferença < 0.5 dB), eliminando o erro de posicionamento que afeta o MEMS.

Por que isso viabiliza a coleta com smartphone?

A literatura científica recente apresenta um padrão consistente com os resultados obtidos neste teste: o microfone MEMS interno dos smartphones satura acima de 65 dB e infla valores abaixo de 50 dB. A faixa de 50–60 dB é onde todos os estudos reportam melhor desempenho.

a) Offset fixo (mais simples)

Cada modelo de smartphone recebe um offset em dB determinado contra um sonômetro de referência. Funciona bem em faixa limitada (~20 dB de range). É o método que nosso Calibrador Web utiliza atualmente (~94 dB de offset).

b) Regressão linear por modelo

Zamora et al. (2017) aplicaram regressão linear (slope ~1.07) ao dBFS bruto. Após ajuste, o erro cai para <0.1 dB na faixa de operação. Requer medição com referência em 2–3 níveis de SPL (ex: 50, 70, 90 dB).

c) Calibração cruzada smartphone–smartphone

O projeto NoiseCapture (Univ. Gustave Eiffel / CNRS) implementa modo "Transmitter/Receiver": um smartphone calibrado calibra outros por comparação em ruído ambiente. O protocolo documentado leva ~5–10 minutos por dispositivo, com threshold de ±1 dB.

d) Calibração cega (sem referência)

Boumchich et al. (2024) propuseram o Natural Graph Model: quando múltiplos smartphones passam pelo mesmo local, suas leituras cruzadas permitem estimar o offset de cada um sem dispositivo de referência. Testado em Rezé (França) com 331 pares smartphone/usuário — erro médio de −3.4 dB com 100+ links por sensor.

e) Calibração por modelo de tráfego

Medir ruído de veículos passando e comparar com modelo numérico (ex: CNOSSOS-EU). O delta serve como offset — sem necessidade de sonômetro de referência. Abordagem prática para cidadãos sem equipamento.

O estudo de referência para validação de microfones externos em smartphones é Kardous & Shaw (2016), publicado no Journal of the Acoustical Society of America:

"O uso de microfones externos calibrados melhora dramaticamente a precisão e a precisão das medições de ruído baseadas em smartphone."

O iMM-6C (USB-C) é a evolução do iMM-6 (TRRS) testado nesse estudo — mesma cápsula eletreto de 6 mm, agora com ADC digital dedicado (CM6542) via USB-C, eliminando a variabilidade do pré-amplificador analógico do celular.

O NoiseCapture, desenvolvido pela Universidade Gustave Eiffel e pelo CNRS, é a referência mais relevante para o nosso contexto: open-source, com protocolo de calibração documentado, e escala comprovada (260 mil medições, 76 mil contribuidores em 3 anos). Calcula os mesmos descritores que utilizamos (Leq, L10, L50, L90).

A diferença do nosso projeto é o foco em calibração cruzada com sonômetro Classe 1 e microfone externo USB-C, visando maior precisão que o crowdsourcing generalista.

Com base na revisão da literatura, a estratégia mais promissora para adensar a malha de medições em Belo Horizonte (de ~2.2 para ~5+ pontos/km²):

1. iMM-6C + offset fixo — a literatura confirma que com microfone externo calibrado, offset fixo é suficiente para alcançar ±1 dB de precisão.
2. Calibração cruzada com Svantek em 2–3 níveis de SPL para validar a linearidade do iMM-6C e determinar o offset ótimo.
3. Protocolo NoiseCapture como referência para transferência de calibração entre smartphones equipados com iMM-6C.
4. A-weighting em software — o Calibrador Web precisará implementar filtro digital A-weighting para compliance regulatória. Nenhum dos apps Android testados na literatura implementa esta funcionalidade.

Etapa 1 — Repetição com mic MEMS

Realizar 3–5 sessões adicionais em diferentes condições (dia/noite, rua calma/via arterial) para confirmar o padrão de não-linearidade e avaliar repetibilidade do offset.

Etapa 2 — Medição com Dayton iMM-6C (USB-C)

Repetir o protocolo utilizando o microfone externo calibrado. Metas de desempenho:

• R² > 0.90 (vs 0.08 do MEMS)
• MAE < 2 dB (vs 6.8 dB do MEMS)
• Leq Δ < 1 dB (vs −5.5 dB do MEMS)
• Faixa L10–L90: erro < 2 dB em cada descritor

Etapa 3 — Tripla comparação (MEMS × iMM-6C × Svantek)

Medição simultânea com os três equipamentos para quantificar o ganho de precisão do microfone externo e definir curva de calibração por faixa de SPL.

Etapa 4 — Protocolo de calibração cruzada

Com base nos resultados, estabelecer procedimento operacional para smartphones equipados com iMM-6C, viabilizando o adensamento da malha de medições de ~2.2 para ~5+ pontos/km².