Acústica e Psico-acústica
Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE
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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.
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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.
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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)
• Filtragem das reflexões
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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)
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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)
exemplo
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Materiais absorventes
 Absorção: cada material absorve bem numa faixa
de freqüência
• 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)
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Materiais
Material
Fibretex
Acoustex 4OR
Cortinas de algodão na
parede
Carpete no concreto
Concreto não pintado
Folha de madeira
Parede de tijolo pintada
Espessura Coeficiente de aborção por faixa de
freqüência
128 256 512 1024 2048 4096
13/16 pol 0.16 0.49 0.56 0.78 0.84 0.78
3/4 pol
0.09 0.17 0.59 0.90 0.75 0.73
0.25 0.58 0.99 0.75 0.58 0.50
0.8 pol.
0.09
0.010
0.10
0.012
0.08
0.012
0.11
0.013
0.21
0.016
0.10
0.017
0.26
0.019
0.08
0.020
0.27
0.023
0.08
0.023
0.37
0.035
0.11
0.025
parede
Bass trap
Enchimento Folha de madeira
(lã de vidro)
(1/4´ a 1/8´)
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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)
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modos
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Ressonância
 Problema
• descaracteriza o timbre e altera o som em geral,
reforçando freqüências particulares
Resposta em freqüência
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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.
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Psico-acústica
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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?
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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
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O ouvido
(impulses)
4000 nerve fibers
5 hair-cells/fiber
16000Hz ...
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2000Hz...
62Hz
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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)
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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)
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Curvas de audiblidade
Mais plano
Limiar da
dor
Limiar de
audibilidade
Mais
distorcido
Phon = 1 dB a 1KHz (= 1000 Hz)
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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
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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
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Banda crítica: figura
freqüência
Limites de
discriminação
f2
fusão
áspero
suave
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Banda
crítica
f1
batimentos
suave
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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
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Localização das fontes sonoras
 Estereofonia
 Localização pode ser recriada
• panorâmico: esquerda ou direita
• reverberação: longe ou perto
reverberação
• funciona por diferença de intensidade e de tempo de
chegada da onda nos dois ouvidos
estereofonia
 Nota
• Home theater funciona baseado nestes princípios
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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
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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.
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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
Referências
• Curtis Roads, The Computer Music Tutorial (Livro-texto), MIT
Press. 1996.
Cap 23
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