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Fundamentos de Áudio. Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho & Faculdade de Engenharia da Universidade Católica de Angola. Sumário. Características do Som O Sistema de Audição Humano Gravação de Áudio Representação do Sinal Áudio Método da Forma de Onda
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Fundamentos de Áudio Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho & Faculdade de Engenharia da Universidade Católica de Angola
Sumário • Características do Som • O Sistema de Audição Humano • Gravação de Áudio • Representação do Sinal Áudio • Método da Forma de Onda • Musical Instument Digital Interface • Distribuição do TPC nº2
O que é o som? • Fenómeno físico produzido pela vibração da matéria • Cordas de Violino, Bater palmas ,Cordas vocais • Com a vibração da matéria • as moléculas vizinhas vibram no ar criando um variação de pressão no ar à volta • Esta alteração das altas pressões (compressão) e baixas pressões (rarefacção) propaga-se no ar como uma onda • Quando a onda atinge o nosso ouvido e processado pelo cérebro o som é ouvido
compressão rarefacção Onda sinusoidal amplitude tempo Ondas Sonoras
O que é o som? • Uma onda sonora produz áreas de alta e baixa pressão • Quando a onda de alta pressão atinge o timpano ele move-se para dentro • Quando a onda de baixa pressão atinge o timpano ele move-se para fora.
Ondas Sonoras • Uma onda mecânica é uma perturbação que viaja através dum meio transportando energia dum local para outro.
Características do Som • Propriedades normais das ondas • Reflexão • Refração • Difração • A percepção do som inclui três aspectos: • Intensidade (amplitude); • Tom (frequência); e, • Envelope (Timbre) • Porquê que o violino e o piano a tocar a mesma nota são tão diferentes?
Características do SomFrequência • O comprimento de onda (wavelength) é a distância entre dois pontos adjacentes na onda
1 wave 2 waves Características do SomFrequência • A frequência da onda é o número de comprimentos de onda por ciclo (normalmente um segundo) • É medida em Hertz (ondas por segundo) • Quanto maior a frequência maior é o tom t 0 secs time 1 sec 2 Hz
Características do SomFrequência • Limite da Gama Audível • Homem 20 KHz • Cão 50 KHz • Gato 60 KHz • Morcego 120 KHz • Golfinho 160 KHz
Características do SomFrequência • Gama audível para os humanos • 20 Hz- 20KHz • Diminui com a idade • Meia idade < 15 KHz • Ondas sonoras • Velocidade: 344 m/s (temperatura 20ºC) • Comprimentos de onda • 17 m (20 Hz) • 1.7 cm (20 KHz)
Características do SomFrequência • Diferentes composições do som • Natural • Fala • Música • Categorias de sons • Periódicos • Não periódicos
Sistema de Audição Humana • Mecanismo deveras complexo! • Através dos ouvidos é realizada a captação das mais diversas formas de som • Os nossos ouvidos transformam o som em sinais que são processados pelo nosso cérebro • Vamos fazer uma descrição ligeira do nosso sistema de audição
Sistema de Audição Humana • O nosso sistema auditivo converte energia sonora em energia mecânica para um impulso nervoso que é transmitido para o cerébro. • O ouvido tem três partes: externa, média e interna.
Sistema de Audição Humana • O ouvido externo • O ouvido externo compreende o pavilhão auricular e o meato acústico externo. O pavilhão capta os sons, tendo papel importante na localização espacial da fonte sonora, extremamente importante para ouvirmos em ambientes ruidosos. O meato acústico externo conduz os sons até a membrana timpânica.
Sistema de Audição Humana • Ouvido médio • Serve para transformar a energia sonora em vibrações internas do estrutura óssea da orelha média • As vibrações são transformadas em ondas de compressão
Sistema de Audição Humana • O ouvido interno • Serve para transformar a energia da onda de compressão num fluído interno do ouvido em implusos do nervo no fluído interno que podem ser transmitido ao cérebro
Sistema de Audição Humano • Ouvido é um sistema altamente complexo • Tem as suas ideossincrasias • Altamente sensível a defeitos a sinais atractivos • Ignora defeitos graves em sinais assumidos como irrelevantes • Essas propriedades podem ser exploradas para obter níveis de compressão elevados no armazenamento e transmissão de sinais áudio.
Efeito de dissimulação • Quando um som forte numa determinada frequência estimula os pelos da cóclea • As frequências próximas não são ouvidas caso sejam menos significativas (de menor amplitude) • Apesar do nosso ouvido captar uma certa amplitude de frequências, parte delas não são processados por causa do processo de dissimulação(masking)
Sinal Limiar da Dissimulação (Masking) Sistema Humano de AudiçãoDissimulação Áudio 80 70 60 50 40 Nível de Pressão do Som [dB-SPL] 30 Limiar da Audição 20 10 0 5000 10000 15000 -10 Frequência -20 -30
Limiar da Dissimulação (Masking) Sistema Humano de AudiçãoSom mestre e dissimulados 80 70 Som mestre 60 50 40 Nível de Pressão do Som [dB-SPL] 30 Limiar da Audição 20 10 0 5000 10000 15000 -10 Sons dissimulados Frequência -20 -30
Gravação Áudio • Som gerado e reproduzido de várias formas • Fala : pessoa para pessoas • Não há processamento • Música e Radiodifusão • Processamento e armazenamento • Para posterior busca e reprodução Ouvintes Fonte
Acústica Som Fonte de Som Ouvintes Ambiente
Reprodução Áudio Multicanal L C R L C R LFE LFE L-S R-S L-S R-S L-S R-S L-S R-S L-S R-S Casa Cinema L (Left), R(right), C(center), L-S (Left-Surround), L-R(Right-Sorround), LFE (Low Frequency Effects)
Sistema de som ambiente Configuração dos altifalantes Posição dos Altifalantes
Gravação áudio ao vivo (a) Gravador Stereo Amplificador Instrumentos Colunas (b) Misturador Gravador Multi-pista Instrumentos Misturador (c) Gravador Stereo Gravador Multi-pista Efeitos
Representação do Sinal de Áudio • Métodos • Considerações • Complexidade do processamento • Taxa de informação • Flexibilidade • Forma de Onda • Representação exacta do sinal de áudio produzido • Paramétrico • Modelo do processo de geração • Síntese de voz (para fala) • Compressão da fala • Síntese de música • Norma MIDI
Forma de Onda:Geração e Reprodução Áudio Ouvinte Fonte Áudio Reprodução (Altifalante) Captura Áudio Conversão D/A Amostragem & Digitalização Armazenamento ou Transmissão Receptor
MIDIMusical Instrumental Digital Interface • Não transmite áudio digital • Transmite informação básica produzida pelo músico • Que teclas são pressionadas ou libertadas • Que pedais são pressionados ou libertados
Especificação MIDI • O MIDI é fisicamente : • Uma interface série assíncrona simplex • Simplex – os dados fluem numa única direcção do transmissor para o receptor • Série – os bits de dados são transmitidos uns atrás dos outros • Assíncrona – a duração de cada bit é fixa (32 µs para o MIDI). Tanto o transmissor como o receptor necessitam dum relógio preciso para medir essa duração. Não é transmitido nenhum relógio, pelo que só é necessário um par de fios. • Baud rate = 31250 bits/second • Dados transmitidos em pacotes de 8 bits com 1 bit de start e stop sem paridade.
Conexões MIDI • A maioria dos dispositivos MIDI têm 3 portas: • MIDI In: Recebe Informação MIDI • MIDI Out: Transmite Informação MIDI • MIDI Thru: Repete a entrada ‘MIDI In’ • Permite uma única saída MIDI controlar mais que um instrumento IN OUT THRU IN OUT THRU IN OUT THRU A B C
Sistema MIDI simples Sequenciador Módulo de Som Sinal MIDI Controlador
Estúdio Virtual Computer Mixer Audio In Audio Out Digital Audio Track Microphone Audio Out MIDI In MIDI Sequence MIDI Out MIDI In Audio Out MIDI Out
Organização de ficheiro MIDI Track 1 Track 2 Header Chunk ... Track 1 Header Track 1 Chunk Track 2 Header Track 2 Chunk Dados da Música Status Byte Data Bytes Status Byte Data Bytes
Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2 Message Type 1 Channel No. 0 Data 1 (0-127) 0 Data 2 (0-127) Mensagens MIDI • Tudo que a interface física MIDI permite é a transmissão de mensagens de 8 bits • Para tocar música, é necessária uma linguagem ou protocolo para associar semântica aos números • O MIDI usa mensagens de um ou mais bytes • A maioria das mensagens usam 2 ou 3 bytes no formato seguinte:
Byte de estado e canais MIDI Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2 • Todas mensagens MIDI começam com o byte de estado • O MSB para o byte de estado é 1 para os restantes é 0 • Os Bits 4,5 and 6 do byte de estado indicam o tipo de mensagem (8 tipos possíveis) • Os 4 bits restantes indicam o # do canal • Os dispositivos MIDI podem ser configurados para responder a um único canal Message Type 1 Channel No. 0 Data 1 (0-127) 0 Data 2 (0-127)
