Fundamentos de Áudio
Joaquim Macedo
Departamento de Informática da Universidade do Minho &
Faculdade de Engenharia da Universidade Católica de Angola
1
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
2
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
3
Ondas Sonoras
compressão
rarefacção
amplitude
Onda sinusoidal
tempo
4
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.
5
Ondas Sonoras

Uma onda mecânica é uma
perturbação que viaja através dum meio
transportando energia dum local para
outro.
6
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?
7
Reflexão e Refração
8
Difração
9
Características do Som
Frequência

O comprimento de onda (wavelength) é a
distância entre dois pontos adjacentes na
onda
10
Características do Som
Frequência



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
1 wave
0 secs
2 waves
time
1 sec
t
2 Hz
11
Características do Som
Frequência
Categoria
Intra Som
Som Audível
Ultra Som
Hiper Som
Gama de Frequência
0 –20 Hz
20 Hz- 20 KHz
20 KHz - 1GHz
1 GHz - 10 GHz
12
Características do Som
Frequência

Limite da Gama Audível





Homem
Cão
Gato
Morcego
Golfinho
20 KHz
50 KHz
60 KHz
120 KHz
160 KHz
13
Características do Som
Frequência

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)
14
Características do Som
Frequência

Diferentes composições do som




Natural
Fala
Música
Categorias de sons


Periódicos
Não periódicos
15
Características do Som
Amplitude
Intensidade
0 dB
25 dB
40 dB
50 dB
70 dB
90 dB
120 dB
140 db
Exemplos Típicos
Limiar da audição
Estúdio de Gravação
Residência
Escritório
Conversação Típica
Audição áudio em casa
Limiar da dor
Música Rock
16
Características do Som
Envelope
17
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
18
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.
19
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.
20
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
21
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
22
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.
23
Sistema Humano de Audição
Curvas de Igual Intensidade
24
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)
25
Sistema Humano de Audição
Dissimulação Áudio
80
Sinal
Nível de Pressão do Som [dB-SPL]
70
60
50
40
Limiar da
Dissimulação
(Masking)
30
Limiar da
Audição
20
10
0
-10
-20
-30
5000
10000
15000
Frequência
26
Sistema Humano de Audição
Bandas 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
27
Sistema Humano de Audição
Bandas 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
...
28
Sistema Humano de Audição
Som mestre e dissimulados
80
Nível de Pressão do Som [dB-SPL]
70
60
Som mestre
50
Limiar da
Dissimulação
(Masking)
40
30
Limiar da
Audição
20
10
0
-10
-20
-30
5000
Sons dissimulados
10000
15000
Frequência
29
Gravação Áudio

Som gerado e reproduzido de várias
Ouvintes
formas

Fala : pessoa para pessoas


Não há processamento
Música e Radiodifusão

Fonte
Processamento e armazenamento

Para posterior busca e reprodução
30
Acústica
Som
Ouvintes
Fonte de Som
Ambiente
31
Acústica
Reverbação
32
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)
33
Reprodução Áudio Multicanal
L
LFE
C
L-S
R
L
R-S
C
R
L-S
R-S
L-S
R-S
L-S
R-S
L-S
Casa
LFE
R-S
Cinema
L (Left), R(right), C(center), L-S (Left-Surround), L-R(Right-Sorround), LFE (Low Frequency Effects)
34
Sistema de som ambiente
Configuração dos altifalantes
Posição dos Altifalantes
Nome
Código F-L
F-C
F-R
Mono
1/0
Stereo
2/0
x
3c Stereo
3/0
x
3c amb.
2/1
x
4c amb.
2/2
x
x
Amb.
standard
3/2
x
x
x
Ambiente
Melhorado
5/2
x
x
x
M-L
M-R
R-L R-C
R-R
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
35
Gravação áudio ao vivo
(a)
Instrumentos
Gravador
Stereo
Amplificador
Colunas
(b)
Misturador
Instrumentos
Gravador Multipista
Misturador
(c)
Gravador
Stereo
Gravador Multipista
Efeitos
36
Representação do Sinal de Áudio

Métodos

Considerações




Forma de Onda


Complexidade do processamento
Taxa de informação
Flexibilidade
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
37
Forma de Onda:
Geração e Reprodução Áudio
Fonte Áudio
Ouvinte
Captura
Reprodução
Áudio
(Altifalante)
Conversão
Amostragem
&
Digitalização
D/A
Armazenamento ou
Transmissão
Receptor
38
MIDI
Musical 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
39
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.
40
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
A
THRU
IN
OUT
B
THRU
IN
OUT
THRU
C
41
Sistema MIDI simples
Módulo de Som
Sequenciador
Sinal MIDI
Controlador
42
Estúdio Virtual
Computer
Mixer
Audio In
Digital Audio Track
Audio Out
Microphone
Audio Out
MIDI In
MIDI Sequence
MIDI Out
MIDI In
MIDI Out
Audio Out
43
Organização de ficheiro MIDI
Header
Chunk
Track 1
Track 1
Header
Track 1
Chunk
Track 2
Track 2
Header
Track 2
...
Chunk
Dados da Música
Status
Data
Status
Data
Byte
Bytes
Byte
Bytes
44
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
45
Formato de Informação para
Divisão no Tempo
Bit:
15 14..............8 7.....................0
<Divisão> 0
1
Ticks
por semínima
Frames/seg
Ticks/frame
46
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
1
Message
Type
Channel No.
Data Byte 1
0
Data 1 (0-127)
Data Byte 2
0
Data 2 (0-127)
47
Byte de estado e canais MIDI
Status Byte
1
Message
Type

Channel No.
Data Byte 1
0
Data 1 (0-127)
Data Byte 2
0
Data 2 (0-127)
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
48
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
49
Eventos de Canal MIDI
Valor
Tipo Evento
Parâmetro 1
Parâmetro 2
0x8
Note Off
Note Number
Velocity
0x9
Note On
Note Number
Velocity
0xA
Polyphonic
Aftertouch
Note Number
Pressure
0xB
Control
Change
Controller
Number
Value
0xC
Program
Change
Program
Number
(not used)
0xD
Channel
Aftertouch
Pressure
(not used)
0xE
Pitch Bend
LSByte
MSByte
50
Note On/Off
Status Byte
1
0
0
Data Byte 1
Channel No.
0/1
0
Data Byte 2
Note Number (0-127)
0
Velocity (0-127)
Off/On
C#2
D#2
F#2
G#2
A#3
C#3
D#3
F#3
G#3
A#4
49
51
54
56
58
61
63
66
68
70
C2
D2
E2
F2
G2
A3
B3
C3
D3
E3
F3
G3
A4
B4
48
50
52
53
55
57
59
60
62
64
65
67
69
71


Quando se pressiona uma tecla, é transmitida uma
mensagem note-on
Quando se liberta uma tecla, é transmitida uma
mensagem note-off
51
Exemplo
Acção
Menagem MIDI
Saída MIDI
No key pressed
Nothing
Idle
F3 pressed
F3 Held
F3 released
Note On, F3,
Velocity=100
Nothing
Note Off, F3,
Velocity=55
10010000, 01000001,
01100100
(144, 65, 100)
Idle
10000000, 01000001,
00110111
(128, 65, 55)
52
Mudança de Controlo
Status Byte
1
0
1
1




Data Byte 1
Channel No.
0
Controller Number (0-127)
Data Byte 2
0
Value (0-127)
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
53
Mudança de Programa
Status Byte
1




1
0
0
Channel No.
Data Byte 1
0
Program Number (0-127)
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
54
Outras mensagens

Pós toque (Aftertouch)

Pós toque polifónico


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


Quando uma tecla é pressionada, a forca com que é
pressionada pode ser detectada por sensores de
pressão- conhecido como aftertouch
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 sintetizadores55
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.)
56
Instrumentos Multi-Timbre
(i)
IN
OUT
THRU
Master
IN
OUT
THRU
IN
Channel 1
OUT
THRU
Channel 2
IN
OUT
THRU
Etc.
Channel 3
(ii)
Synthesiser
Channel 1
IN
OUT
Master
THRU
Synthesiser
Channel 2
Synthesiser
Channel 3
Single
Multitimbral
synthesiser
Etc.
57
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
58
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
59