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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 udio

Fundamentos de Áudio

Joaquim Macedo

Departamento de Informática da Universidade do Minho & Faculdade de Engenharia da Universidade Católica de Angola

sum rio
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 o som
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
ondas sonoras

compressão

rarefacção

Onda sinusoidal

amplitude

tempo

Ondas Sonoras
o que o som5
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 sonoras6
Ondas Sonoras
  • Uma onda mecânica é uma perturbação que viaja através dum meio transportando energia dum local para outro.
caracter sticas do som
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?
caracter sticas do som frequ ncia
Características do SomFrequência
  • O comprimento de onda (wavelength) é a distância entre dois pontos adjacentes na onda
caracter sticas do som frequ ncia11

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

caracter sticas do som frequ ncia13
Características do SomFrequência
  • Limite da Gama Audível
    • Homem 20 KHz
    • Cão 50 KHz
    • Gato 60 KHz
    • Morcego 120 KHz
    • Golfinho 160 KHz
caracter sticas do som frequ ncia14
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)
caracter sticas do som frequ ncia15
Características do SomFrequência
  • Diferentes composições do som
    • Natural
    • Fala
    • Música
  • Categorias de sons
    • Periódicos
    • Não periódicos
sistema de audi o humana
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 audi o humana19
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 audi o humana20
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 audi o humana21
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 audi o humana22
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 audi o humano
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 dissimula o
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)
sistema humano de audi o dissimula o udio

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

sistema humano de audi o som mestre e dissimulados

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

grava o udio
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

ac stica
Acústica

Som

Fonte de Som

Ouvintes

Ambiente

reprodu o udio multicanal
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)

grava o udio ao vivo
Gravação áudio ao vivo

(a)

Gravador Stereo

Amplificador

Instrumentos

Colunas

(b)

Misturador

Gravador Multi-pista

Instrumentos

Misturador

(c)

Gravador Stereo

Gravador Multi-pista

Efeitos

representa o do sinal de udio
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 gera o e reprodu o udio
Forma de Onda:Geração e Reprodução Áudio

Ouvinte

Fonte Áudio

Reprodução

(Altifalante)

Captura

Áudio

Conversão

D/A

Amostragem & Digitalização

Armazenamento ou Transmissão

Receptor

midi musical instrumental digital interface
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
especifica o midi
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.
conex es midi
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
Sistema MIDI simples

Sequenciador

Módulo de Som

Sinal MIDI

Controlador

est dio virtual
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

organiza o de ficheiro midi
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

mensagens midi

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
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)

not e on off

C#2

49

D#2

51

F#2

54

G#2

56

A#3

58

C#3

61

D#3

63

F#3

66

G#3

68

A#4

70

C2

48

D2

50

E2

52

F2

53

G2

55

A3

57

B3

59

C3

60

D3

62

E3

64

F3

65

G3

67

A4

69

B4

71

Note On/Off
  • Quando se pressiona uma tecla, é transmitida uma mensagem note-on
  • Quando se liberta uma tecla, é transmitida uma mensagem note-off

Status Byte

Data Byte 1

Data Byte 2

Channel No.

0

Note Number (0-127)

0

Velocity (0-127)

1

0

0

0/1

Off/On

ex e mpl o

10010000, 01000001, 01100100

(144, 65, 100)

F3 pressed

Note On, F3, Velocity=100

F3 Held

Nothing

Idle

10000000, 01000001, 00110111

(128, 65, 55)

F3 released

Note Off, F3, Velocity=55

Exemplo

Acção

Menagem MIDI

Saída MIDI

No key pressed

Nothing

Idle

mudan a de control o
Mudança de Controlo

Status Byte

Data Byte 1

Data Byte 2

  • Para além do teclado, vários outros parâmetros afectam o som, como por exemplo o regulador de volume, o suster do pedal, modulação, etc...
  • Quando qualquer desses parâmetros é ajustado é transmitido o novo valor usando uma mensagem de mudança de controlo
  • O nº de controlo identifica o parâmetro a ser alterdo (i.e. 1 = modulação, 7 = volume)
  • O valor pode ser:
    • Um número entre 0 e 127 para controladores contínuos
    • 0 ou 127 para comutadores off/on

Channel No.

0

Controller Number (0-127)

0

Value (0-127)

1

0

1

1

mudan a de programa
Mudança de Programa
  • A maioria dos instrumentos electrónicos são capazes de produzir uma variedade de sons
  • Os diferentes sons são armazenados em memória e são conhecidos como programas (ou arranjos, vozes, etc)...
  • Para seleccionar um som diferente é transmitida uma mensagem de mudança de programa
  • Trata-se duma mensagem de 2 bytes

Status Byte

Data Byte 1

Channel No.

0

Program Number (0-127)

1

1

0

0

outras mensagens
Outras mensagens
  • Pós toque (Aftertouch)
    • Pós toque polifónico
      • Quando uma tecla é pressionada, a forca com que é pressionada pode ser detectada por sensores de pressão- conhecido como aftertouch
    • Pós toque de canal
      • O pós toque polifónicomede a pressão de cada tecla. O pós toque de canal mede a pressão de todo teclado
  • Mudança de tom
      • Um controlador especial que muda subtilmente o tom de todas notas tocadas num canal.
  • Mensagens de sistema
      • Várias mensagens específicas do sistema relacionadas com a temporização e reprogramação de sintetizadores
aplica es preliminares
Aplicações preliminares
  • Nos primeiros dias do MIDI, a maioria dos programas tinham um polifónico limitado e tocavam apenas uma voz (arranjo/programa) de cada vez.
  • Usando mais que um instrumento e conexões MIDI os artistas podem:
    • Construir sons mais complexos misturando várias vozes
    • Criar partituras (keyboard splits) e extinções de sons (cross-fades)
    • Controlar sintetizadores com diferentes instumentos MIDI (i.e. pedais, guitarras, clarinetes, violinos etc.)
instrumentos multi timbr e
Instrumentos Multi-Timbre

(i)

IN

OUT

THRU

IN

OUT

THRU

IN

OUT

THRU

IN

OUT

THRU

Etc.

Master

Channel 1

Channel 2

Channel 3

(ii)

Synthesiser

Channel 1

Single Multi-timbral synthesiser

IN

OUT

THRU

Synthesiser

Channel 2

Master

Synthesiser

Channel 3

Etc.

midi gen rico
MIDI Genérico
  • Na especificação inicial MIDI, não foram feitos pressupostos acerca dos instrumentos utilizados em termos de:
    • Número de alocações de programa
    • Controladores
    • Polifonia (# notas tocadas em simultâneo)
  • Um sintetizador MIDI genérico está de acordo com a especificação:
    • Nomes de Programas e controladores fixos
    • 16 canais multi-timbre
    • 64 notas de polifonia
    • Canal 10 reservado para tambores
protocolo midi
Protocolo MIDI
  • Permite a comunicação entre os mais diversos equipamentos
    • Computadores, sintetizadores, teclados, outros equipamentos musicais
    • É atribuído um número a cada dispositivo musical
  • A maioria das músicas convencionais podem ser representadas eficientemente usando o MIDI
    • A qualidade do som produzido depende do equipamento de reprodução