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Fundamentos de Áudio

Joaquim MacedoDepartamento de Informática da Universidade do Minho & Faculdade de Engenharia da Universidade Católica de

Angola

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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

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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

4

Ondas Sonorascompressão

rarefacção

tempo

ampl

itud

e

Onda sinusoidal

5

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.

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Ondas Sonoras Uma onda mecânica é uma

perturbação que viaja através dum meio transportando energia dum local para outro.

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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?

8

Reflexão e Refração

9

Difração

10

Características do SomFrequência O comprimento de onda

(wavelength) é a distância entre dois pontos adjacentes na onda

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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

0 secs time 1 sec

1 wave 2 waves

2 Hz

t

12

Características do SomFrequênciaCategoria Gama de

Frequência

Intra Som 0 –20 Hz

Som Audível 20 Hz- 20 KHz

Ultra Som 20 KHz - 1GHz

Hiper Som 1 GHz - 10 GHz

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Características do SomFrequência

Limite da Gama Audível Homem 20 KHz Cão 50 KHz Gato 60 KHz Morcego 120 KHz Golfinho 160 KHz

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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)

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Características do SomFrequência

Diferentes composições do som Natural Fala Música

Categorias de sons Periódicos Não periódicos

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Características do SomAmplitude

Intensidade

Exemplos Típicos

0 dB Limiar da audição

25 dB Estúdio de Gravação

40 dB Residência

50 dB Escritório

70 dB Conversação Típica

90 dB Audição áudio em casa

120 dB Limiar da dor

140 db Música Rock

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Características do SomEnvelope

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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

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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.

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Sistema de Audição Humana

O ouvido externoO 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.

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Sistema de Audição Humana

Ouvido médioOuvido médio

• Serve para transformar a energia sonora em vibrações internas do estrutura óssea da orelha média

• As vibrações são transformadas em ondas de compressão

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Sistema de Audição Humana

O ouvido internoO 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

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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.

24

Sistema Humano de AudiçãoCurvas de Igual Intensidade

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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)

26

Nív

el d

e P

ress

ão d

o S

om

[d

B-S

PL]

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

5000 10000 15000

Limiar da Audição

Limiar da Dissimulação (Masking)

Sinal

Sistema Humano de AudiçãoDissimulação Áudio

Frequência

27

Sistema Humano de AudiçãoBandas Críticas

Nº Banda Crítica

Frequência Corte Inferior (Hz)

Frequência Corte Superior(Hz)

Banda Crítica (Hz)

Frequência Central (Hz)

1 --- 100 ---- 50

2 100 200 100 150

3 200 300 100 250

4 300 400 100 350

5 400 510 110 450

6 510 630 120 570

7 630 770 140 700

8 770 920 150 840

9 920 1080 160 1000

10 1080 1270 190 1170

11 1270 1480 210 1370

12 1480 1720 240 1600

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Sistema Humano de AudiçãoBandas Críticas

Nº Banda Crítica

Frequência Corte Inferior (Hz)

Frequência Corte Superior(Hz)

Banda Crítica (Hz)

Frequência Central (Hz)

13 1720 2000 280 1850

14 2000 2320 320 2150

15 2320 2700 380 2500

...

29

Nív

el d

e P

ress

ão d

o S

om

[d

B-S

PL]

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

5000 10000 15000

Limiar da Audição

Limiar da Dissimulação (Masking)

Sistema Humano de AudiçãoSom mestre e dissimulados

Frequência

Som mestre

Sons dissimulados

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

Fonte

Ouvintes

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Acústica

Fonte de SomOuvintes

Som

Ambiente

32

AcústicaReverbação

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História do Áudio Multicanal

Décadas

Principais acontecimentos

1930 Experiência com 3 canais áudio nos Laboratórios Bell

1950 4-7 canais (cinema)2 canais stereo (casa)

1970 Stereo ambiente (cinema)4 canais stereo (casa)Cassetes vídeo mono e stereo

1980 3-4 canais áudio de ambiente (casa)CD digital 2 canais (casa)

1990 5 canais áudio ambiente (casa)

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Reprodução Áudio Multicanal

L RCLFE

R-S

L-S

L RCLFE

R-S

L-S

L-S

L-S

L-S R-S

R-S

R-S

Casa CinemaL (Left), R(right), C(center), L-S (Left-Surround), L-R(Right-Sorround), LFE (Low Frequency Effects)

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Sistema de som ambiente Configuração dos altifalantes

Nome Código

F-L F-C F-R M-L M-R R-L R-C R-R

Mono 1/0

Stereo 2/0 x x

3c Stereo

3/0 x x x

3c amb. 2/1 x x x

4c amb. 2/2 x x x x

Amb.standard

3/2 x x x x x

AmbienteMelhorado

5/2 x x x x x x x

Posição dos Altifalantes

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Gravação áudio ao vivo

Misturador

Gravador Stereo

Gravador Multi-pista

Efeitos

Instrumentos Amplificador

Instrumentos

Gravador Stereo Colunas

Misturador Gravador Multi-pista

(a)

(b)

(c)

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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

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Forma de Onda:Geração e Reprodução Áudio

Captura

Áudio

Amostragem &

Digitalização

Armazenamento ou Transmissão

Reprodução

(Altifalante)

Conversão

D/A

Receptor

Fonte Áudio Ouvinte

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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

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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.

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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

42

Sistema MIDI simples

SequenciadorMódulo de Som

Controlador

Sinal MIDI

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Estúdio Virtual

MIDI Sequence

Digital Audio Track

Computer

Audio In

MIDI In

MIDI Out

MIDI In

MIDI Out

Audio Out

Audio Out

Mixer

Microphone Audio Out

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Organização de ficheiro MIDI

Header Chunk

Track 1 Track 2

Track 1

Header

Track 2

Header

Track 1

Chunk

Track 2

Chunk

...

Status

Byte

Data

Bytes

Status

Byte

Data

Bytes

Dados da Música

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Formato do cabeçalho e pista

Deslocamento

Comp

Tipo Descripção Valor

0x00 4 char[4]

ID do chunk MThd(0x4D546864)

Header 0x04 4 dword Tamanho chunk

6(0x00000006)

Chunk 0x08 2 word Tipo formato 0-2

0x10 2 word Nº pistas 1-65,535

0x12 2 word div. tempo Ticks/quadro

Track 0x00 4 char[4]

ID do chunk MTrk (0x4D54726B)

Chunk 0x04 4 dword Tamanho chunk

Tamanho dados da pista

0x08 Dados de eventos

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Formato de Informação para Divisão no Tempo

Bit: 15

14..............8

7.....................0

<Divisão>

0 Ticks por

semínima

1 Frames/seg Ticks/frame

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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:

Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2

1 0 0Message Type Channel No. Data 1 (0-127) Data 2 (0-127)

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Byte de estado e canais MIDI

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

Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2

1 0 0Message Type Channel No. Data 1 (0-127) Data 2 (0-127)

49

Formato de eventos de canais MIDI

Tempo Delta

Valor do tipo de evento

Canal MIDI Parâmetro 1

Parâmetro 2

Comprimento Variável

4 bits 4 bits 1 byte 1 byte

50

Eventos de Canal MIDIValor Tipo Evento Parâmetro 1 Parâmetro 2

0x8 Note OffNote

NumberVelocity

0x9 Note OnNote

NumberVelocity

0xAPolyphonic Aftertouch

Note Number

Pressure

0xBControl Change

Controller Number

Value

0xCProgram Change

Program Number

(not used)

0xDChannel

AftertouchPressure (not used)

0xE Pitch Bend LSByte MSByte

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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

C3

60

D3

62

E3

64

F3

65

G3

67

A4

69

B4

71

A#4

70

G#3

68

F#3

66

D#3

63

C#3

61

C2

48

D2

50

E2

52

F2

53

G2

55

A3

57

B3

59

A#3

58

G#2

56

F#2

54

D#2

51

C#2

49

Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2

1 0 0

Off/On

Channel No. Note Number (0-127) Velocity (0-127)0 0 0/1

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Exemplo

No key pressed

Acção Menagem MIDI

Saída MIDI

Nothing Idle

F3 released Note Off, F3, Velocity=55

10000000, 01000001, 00110111

(128, 65, 55)

F3 pressed Note On, F3, Velocity=100

10010000, 01000001, 01100100

(144, 65, 100)

F3 Held Nothing Idle

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Mudança de Controlo

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

Status Byte Data Byte 1 Data Byte 2

1 0 0Channel No. Controller Number (0-127) Value (0-127)0 1 1

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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

1 0Channel No. Program Number (0-127)1 0 0

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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 polifónico mede 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

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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.)

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Instrumentos Multi-Timbre

IN OUT THRU IN OUT THRU IN OUT THRU

Master Channel 1 Channel 2

IN OUT THRU

Channel 3

Etc.

(i)

(ii)

IN OUT THRU

Master

SynthesiserChannel 1

SynthesiserChannel 2

SynthesiserChannel 3

Etc.

Single Multi-

timbral synthesiser

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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

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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