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  • Universidade de So PauloInstituto de Fsica de So Carlos

    Departamento de Fsica e InformticaGrupo de Fsica Computacional e Instrumentao Aplicada

    RENATO FABBRI

    Msica no udio digital: descrio psicofsica ecaixa de ferramentas

    So Carlos

    2013

  • RENATO FABBRI

    Msica no udio digital: descrio psicofsica ecaixa de ferramentas

    Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Fsica do Instituto de Fsica deSo Carlos da Universidade de So Paulo, para aobteno do ttulo de Mestre em Cincias.

    rea de Concentrao: Fsica Aplicada

    Orientador: Prof. Dr. Osvaldo Novais de Oli-veira JuniorColaborador: Prof. Dr. Luciano da Fontoura Costa

    Verso Corrigida(verso original disponvel na Unidade que aloja o Programa)

    So Carlos

    2013

  • AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTETRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO PARAFINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

    Ficha catalogrfica elaborada pelo Servio de Biblioteca e Informao do IFSC, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

    Fabbri, Renato Msica no udio digital: descrio psicofsica ecaixa de ferramentas / Renato Fabbri; orientadorOsvaldo Novais de Oliveira Junior - verso corrigida-- So Carlos, 2013. 253 p.

    Dissertao (Mestrado - Programa de Ps-Graduao emFsica Aplicada) -- Instituto de Fsica de So Carlos,Universidade de So Paulo, 2013.

    1. Som. 2. udio digital. 3. Msica. 4.Psicofsica. 5. Arte e tecnologia. I. OliveiraJunior, Osvaldo Novais de, orient. II. Ttulo.

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo ao Prof. Luciano da Fontoura Costa e ao Prof. Osvaldo Novais de Oliveira Junior

    pela oportunidade e pela orientao deste trabalho.

    Agradeo ao corpo de funcionrios do IFSC, pela prestatividade e eficincia em todos os mo-

    mentos que precisei.

    Agradeo aos Prof. Rafael Santos Mendes e Prof. Adolfo Maia Junior pelas orientaes na

    gnese deste trabalho.

    Agradeo minha famlia, em especial minha esposa Thas Teixeira Fabbri e ao meu filho

    Antnio Anzoategui Fabbri.

    Agradeo ao meu irmo Ricardo Fabbri e ao amigo Vilson Vieira da Silva Junior pelas profcuas

    colaboraes acadmicas, artsticas e socialmente engajadas.

    Agradeo aos participantes do labMacambira.sf.net pelas colaboraes diretas e indiretas nos

    software, apresentaes e articulaes desde junho de 2011. Em especial agradeo ao Da-

    niel Penalva, Caleb Macarenhas, Chico Simes, Fbio Simes, Daniel Marostegan, Marcos

    Mendona, Geraldo Magela Rocha, Guilherme Lunhani, Patrcia Ferraz, Glerm Soares, Danilo

    Shiga, Edson "Presto" Corra, Vanessa Ferreira e Srgio Teixeira de Carvalho. Agradeo aos

    demais colaboradores das listas de email, IRC, AA e outros canais.

  • Agradeo ao Cultura Viva e aos pontos de cultura pelo apoio fundamental a este e outros traba-

    lhos. Agradeo em especial a estes Pontes e Cultura Digital e Ao Gri pelo suporte a este

    trabalho em aes regionais e nacionais: CDTL (PE), JuntaDados.org (BA), Ns Digitais (SP),

    Casa dos Meninos (SP), Nina Gri (SP), Ponto da Eco (RJ), Casa de Cultura Tain (SP) e

    Comisso Nacional dos Pontos de Cultura - CNPdC (GO).

    Agradeo s comunidades de cultura e software livre por todos os conhecimentos e tecnologias

    repassados e que compem esta contribuio.

  • Music is a hidden arithmetic exercise of the soul,which does not know that it is counting.

    Gottfried Leibniz (1646-1716)

    Music is a hidden metaphysical exercise of the soul,which does not know that it is philosophizing.

    Arthur Schopenhauer (1788-1860)

    from Pantheon import Obatalfrom World import sharing, kitten

    while True:if sharing == 0:

    Obatal.kill( kitten ) Autoria coletiva e anonima (2010)

  • RESUMOFABBRI, R. Msica no udio digital: descrio psicofsica e caixa de ferramentas. 2013.253p. Dissertao (Mestrado) - Instituto de Fsica de So Carlos, Universidade de So Paulo,So Carlos, 2013.

    A representao dos elementos bsicos da msica - tais como notas, ornamentos e estruturasintervalares - em termos do som discretizado bastante utilizada em software e rotinas paracriao musical e tratamento sonoro. No h, entretanto, uma abordagem concisa que relaci-one estes elementos s amostras sonoras. Nesta dissertao, cada elemento musical descritopor equaes que resultam diretamente nas sequncias temporais do som em sua representaodiscretizada. O elemento fundamental, a nota musical bsica com durao, volume, altura etimbre, relacionado quantitativamente s caractersticas do sinal digital. As variaes inter-nas, como tremolos, vibratos e flutuaes espectrais, tambm so contempladas, o que permitesintetizar notas com inspirao nos instrumentos musicais reais alm de sonoridades novas. Apartir desta representao das notas, dispomos de recursos para a gerao de estruturas musi-cais, como a mtrica rtmica, os intervalos de altura e os ciclos. As equaes deram origem auma caixa de ferramentas computacionais: scripts que realizam cada equao e geram exem-plos sonoros simples. Nomeamos massa, Msica e udio em Sequncias e Sries Amostrais,este ferramental e sua eficcia foi comprovada com a sntese de pequenas peas usando notasbsicas, notas incrementadas e notas em msica. possvel, tambm, sintetizar lbuns inteirosatravs de colagens dos scripts e parametrizao especificada pelo usurio. Com o paradigmade implementao em cdigo aberto, a (caixa de ferramentas) massa pode ser expandida emprocessos de co-autoria e usada livremente por msicos, engenheiros e outros interessados. Defato, o sistema j foi empregado por usurios externos para a produo de msicas, apresenta-es artsticas, experimentos psico-acsticos e a difuso da linguagem computacional atravsdo apelo ldico dos artefatos audiovisuais.

    Palavras-chave: Som. udio digital. Msica. Psicofsica. Arte e tecnologia.

  • ABSTRACTFABBRI, R. Music on digital audio: psychophysical description and toolbox. 2013. 253p.Dissertao (Mestrado) - Instituto de Fsica de So Carlos, Universidade de So Paulo, SoCarlos, 2013.

    The representation of the basic elements of music - such as notes, ornaments and intervalarstructures - in terms of discrete audio signal is often used in software for music creation and de-sign. Nevertheless, there is no unified approach that relates these elements to the sound discretesamples. In this dissertation, each musical element is described by equations that represent thesonic time samples, which are then implemented in scripts within a software toolbox, referredto as massa (Music and Audio in Sequences and Samples). The fundamental element, the mu-sical note with duration, volume, pitch and timbre, is related quantitatively to the characteristicsof the digital signal. Internal variations, such as tremolos, vibratos and spectral fluctuations,are also considered, which enables the synthesis of notes inspired by real instruments and newsonorities. With this representation of notes, resources are provided for the generation of mu-sical structures, such as rhythmic meter, pitch intervals and cycles. The efficacy of massa wasconfirmed by the synthesis of small musical pieces using basic notes, incremented notes andnotes in music. It is possible to synthesize whole albums through collage of the scripts and pa-rameterization specified by the user. With the paradigm of open source implementation, massatoolbox can be expanded in co-authorship processes and used freely by musicians, engineersand other interested parties. In fact, massa has already been employed by external users fordiverse purposes which include music production, artistic presentations, psychoacoustic expe-riments and computer language diffusion where the appeal of audiovisual artifacts is exploited.

    Keywords: Sound. Digital audio. Music. Psychophysics. Art and technology.

  • LISTA DE FIGURAS E TABELAS

    Figura 1.1 - Som digital em modulao por cdigo de pulsos (PCM): 25 amos-

    tras representadas por 4 bits cada uma. . . . . . . . . . . . . . . 35

    Figura 2.1 - Formas de onda musicais bsicas. As formas de onda sintticas

    esto em (a) e as formas de onda reais esto em (b). . . . . . . . 44

    Figura 2.2 - Espectros das ondas sonoras musicais artificiais bsicas. A se-

    noide tem o espectro puntual, a triangular apresenta somente os

    harmnicos mpares, caindo a 6dB por oitava; a onda quadrada

    tem somente os harmnicos mpares, caindo a 12dB por oitava;

    a onda dente de serra apresenta todos os harmnicos, caindo a

    6dB por oitava. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    Figura 2.3 - Espectros das ondas sonoras de uma nota de obo natural e de

    perodo amostrado. O som natural possui flutuaes nos harm-

    nicos e rudos, j o som de perodo amostrado possui espectro

    perfeitamente harmnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    Figura 2.4 - Oscilao de 2 amostras (frequncia mxima em qualquer fa).

    O primeiro coeficiente reflete o deslocamento (offset ou bias) e

    o segundo coeficiente especifica a amplitude da oscilao. . . . 49

    Figura 2.5 - 3 amostras fixas apresentam uma s frequncia no nula. c1 = c2e w1 w2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

  • Figura 2.6 - Componentes frequenciais em 4 amostras. . . . . . . . . . . . . 51

    Figura 2.7 - Formas de onda bsicas em 4 amostras. . . . . . . . . . . . . . 52

    Figura 2.8 - Componentes frequenciais em 6 amostras: 3 senoides se somam

    ao bias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    Figura 2.9 - Formas de onda bsicas em 6 amostras: as ondas triangular e

    quadrada possuem os harmnicos mpares, mas em propores

    e fases diferentes; a dente de serra possui tambm o harmnico

    par. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    Figura 2.10 - Dete