Acústica e Psico-acústica

1. Acústica e Psico-acústica

2. Acústica • Acústica • parte da física que estuda os sons, sua geração e sua interação com o ambiente • Conceitos básicos • absorção e reflexão • reverberação • eco • ressonância • modos de sala • isolamento • etc.

3. Reflexões • Som direto e som indireto (reflexões) • Direto: viaja diretamente da fonte ao receptor • Indireto: é refletido/absorvido nas paredes, teto, chão, etc. • Grande parte do som é indireto mas ele é mais fraco • Pode ser usado artisticamente para criar ambiência • Filmes, tv, jogos, mixagem em estúdio, etc.

4. Ambiência • Ambiência • Sensação de interação com a acústica do ambiente • Pode-se ter vários efeitos de ambiência • eco, reverberação, etc. • E eles dependem do... • tempo de atraso das reflexões (tamanho da sala) • quantidade de reflexões (absorção da sala)

5. Eco • Eco • Atraso significativo: repetição perceptíveis do som • em salas menores, com paredes paralelas e perpendiculares também tem-se os flutter echos (ecos pequenos e rápidos)

6. Reverberação • Reverberação • série de reflexões muito densas percebidas como um contínuo decaimento no tempo, “prolongando” o som direto (múltiplos ecos) • dão a sensação de ambiente e de localização, senão seria “seco” e “muito perto” • aumentam em número quando decaem • tempo de reverb. = queda de 60dB (ton de 500 Hz)

7. Materiais absorventes • Absorção: cada material absorve bem numa faixa. • Materiais porosos, fibrosos, tecido => altas • Espaçamento entre material e parede => médio grave • Bass traps => baixas • Usado para modelagem física de ambientes • sound trace (equivalente a ray trace da comp. gráfica)

8. parede Bass trap Enchimento (lã de vidro) Folha de madeira (1/4´ a 1/8´) Materiais

9. Ressonância • Ressonância: • reforço de certas freqüências (em geral abaixo de 300Hz), chamadas modos da sala • isto deve-se às ondas estacionárias: ondas que continuamente se reforçam ao refletirem nas paredes • Depende da dimensão da sala • f = (N x 565)/D • onde N é o modo e D a dimensão (em pés) modos

10. Ressonância • Problema • descaracteriza o timbre e altera o som em geral, reforçando freqüências particulares Resposta em freqüência

11. Acústica em Computação • Software/hardware de processamento de som • ex. síntese de som • Software criação dinâmica de ambiência • ex. jogos de computadores, realidade virtual • Software de controle físico de ambiência em salas de concerto e estúdio • ex. sala do IRCAM • Software/hardware de espacialização de som • ex. LPE/CIC, CRCA • etc.

12. Psico-acústica

13. Psico-acústica • Psicoacústica • Ramo da psico-física, fundada por Helmholtz, que estuda a relação entre som, audição e psicologia • mundo físico => percepção => compreensão • Algumas questões • Qual é a relação entre amplitude e intensidade? • Em que condições uma freqüência pode ser percebida como tendo uma altura particular? • Qual é a relação entre espectro e timbre? • Com que acuidade percebemos altura, ritmo, intensidade, timbre, localização espacial, etc.? • Certas reduções de dados sonoros afetam a percepção musical?

14. O ouvido • O sistema auditivo periférico divide-se em 3 partes • ouvido externo • capta e amplifica vibrações do ar • ouvido médio: • transforma estas vibrações em vibrações mecânicas • ouvido interno: • processa esta vibrações e transformando-as em sinais elétroquímicos que seguirão pelos nervos até o cérebro

15. 16000Hz ... 2000Hz... 62Hz O ouvido (impulses) 4000 nerve fibers 5 hair-cells/fiber

16. Percepção de volume • Volume  Intensidade ou audibilidade (loudness) • quanto maior o volume, maior a excitação dos “cílios” • mas outras coisas também influenciam a percepção de intensidade... • A percepção de variação de intensidade depende da intensidade • a percepção é exponencial e por isso se usa uma medida logarítmica • um pequeno incremento é perceptível só quando o som está fraco • ex. 90 p/ 91 dB (3859 vezes mais) 30 p/ 31 dB (3.86 vezes mais)

17. Percepção de volume • A percepção de intensidade depende da freqüência • ouvimos melhor a faixa 2700-3200 Hz (basta pouco para ouvirmos nas médias) • quanto mais intenso, mais a resposta torna-se plana (ouve-se igualmente bem em todas as freqüências)

18. Curvas de audiblidade Limiar da dor Mais plano Phon = 1 dB a 1KHz (= 1000 Hz) Limiar deaudibilidade Maisdistorcido

19. Percepção de altura • Frequência  altura • cada freqüência é mapeada em um lugar particular da cóclea em função das vibrações • Faixa audível: de 20 a 20KHz • Abaixo de 60Hz ou acima de 5 KHz, o ouvido é muito impreciso (sequer capaz de identificar uma oitava) • O ouvido é capaz de fazer aproximações • ex. escala temperada => escala justa

20. Banda crítica • Banda crítica • região mínima da membrana basilar que é o limite de resolução para a percepção de freqüências • Relaciona-se com vários efeitos • f1 e f2 mais distantes => percebe-se cada um isoladamente (com intensidades somadas) • f1 e f2 menos próximos => sensação de dissonância (aspereza) • f1 e f2 próximos, não dá a impressão de somarem suas intensidades: há fusão de f1 e f2 e houve-se uma f3 = |f1 - f2| chamada de batimento

21. Limites de discriminação f2 fusão f1 freqüência áspero batimentos suave suave Bandacrítica Banda crítica: figura

22. Timbre • Percepção de timbre depende • do espectro dinâmico (sobretudo) • da ambiência • Percepção da fundamental • várias freqüências harmônicas são percebidas como uma única freqüência: a fundamental • isto ocorre mesmo quando a fundamental não está presente (fundamental ausente) • identificação da fonte • também é possível identificar um instrumento numa orquestra

23. reverberação estereofonia Localização das fontes sonoras • Estereofonia • funciona por diferença de intensidade e de tempo de chegada da onda nos dois ouvidos • Localização pode ser recriada • panorâmico: esquerda ou direita • reverberação: longe ou perto • Nota • Home theater funciona baseado nestes princípios

24. Duração e ritmo • A resolução é limitada pela “integração temporal” • Sons muito próximos tendem ser percebidos como um único som (ex. reverberação) • Resolução (banda): 20-50 ms • ex. eco x reverberação

25. Mascaramento e tons subjetivos • A interação dos vários sons de uma música dá origem a vários efeitos: • batimento, fusão, mascaramento, tons subjetivos, etc. • Mascaramento • um som “oculta” o outro • depende da relação de freqüência e de volume entre eles • Tons subjetivos • dado f1 e f2, pode-se escutar vários outros tons inexistentes |f1 - f2|, 2 |f1 - f2|, |2f1 - f2|, etc.

26. Experimento (Wegel & Lane 1924) - tom primário f1 fixo (1200 Hz, 80 dB SPL) e secundário f2 - curva sólida: limiar de mascaramento ou audibilidade de f2 - f2 mais baixo (em freq) que f1, f2 facilmente mascarado - nos batimentos o mascaramento diminui - conforme intensidade de f2: mascaramento, tom de diferença, mistura,... - harmônicos de f1: distorção devido à não linearidade do ouvido

27. Referências • Curtis Roads, The Computer Music Tutorial (Livro-texto), MIT Press. 1996. Cap 23