Percepção Auditiva
Princípios de Televisão Digital
Mackenzie
4 / 2008
Guido Stolfi
Guido Stolfi
1/65
Som na TV Analógica
•
•
•
•
•
Modulação FM
Sub-portadora 4,5 MHz
Desvio +/- 25 kHz
Bw = 13 kHz
S/R  70 dB
Guido Stolfi
2/65
Sistema Estereofônico BTSC (Broadcast
Television Systems Commitee)
L+R
L
Pré-ênfase
p/ modulador
F.M.
75 us
13.5 kHz
Compressor
(DBX)
DSB
R
Pilôto
L-R
31.468 kHz
15.374 kHz
Guido Stolfi
3/65
Espectro Banda Base BTSC
L-R
L+R
fh
15.734 kHz
2fh
31.47 kHz
SAP (FM)
~5 fh
68.67~88.67 kHz
Guido Stolfi
4/65
Requisitos de Qualidade de Áudio para TV
Digital
• “Qualidade CD”
– 2 canais de áudio (som estereofônico)
– resposta em freqüência de 20 a 20.000 Hz
– relação Sinal/Ruído de 90 dB
• 2 x 44.1 kHz x 16 bits = 1.41 Mbits / s
Guido Stolfi
5/65
Requisitos de Qualidade de Áudio para TV
Digital
• “Qualidade Cinema”
– 5 canais de áudio de 20 a 20.000 Hz
– Direito, Esquerdo, Central, Traseiro Direito e Traseiro
Esquerdo
– 1 canal efeitos sonoros de 3 a 150 Hz ("Sub-Woofer",
omnidirecional)
– Faixa dinâmica de 90 dB
• 5.1 x 48 kHz x 16 bits = 3.9 Mbits / s
Guido Stolfi
6/65
Percepção Auditiva
Guido Stolfi
7/65
Estrutura do Ouvido Humano
martelo
bigorna
lóbulo temporal
canais semicirculares
janela oval
nervo
cóclea
orelha
trompa
auditiva
osso da têmpora
canal auditivo
tímpano estribo
janela circular
Guido Stolfi
8/65
Representação Esquemática do Ouvido
~3 cm
~2,2 cm
cóclea
canal
Membrana Basilar
Órgãos de Corti
nervos
Janelas
15k
4k
1k
250
60Hz
Guido Stolfi
9/65
Resposta em Freqüência do Canal
Auditivo
Guido Stolfi
10/65
Estrutura da Cóclea
Guido Stolfi
11/65
A Cóclea Distendida
Guido Stolfi
12/65
Secção da Cóclea
Guido Stolfi
13/65
Secção da Cóclea
Guido Stolfi
14/65
Detalhe dos Órgãos de Corti
Guido Stolfi
15/65
Células de Corti
Guido Stolfi
16/65
Células de Corti
Internas
Externas
Guido Stolfi
17/65
Atuação das Células Ciliares
Guido Stolfi
18/65
Alguns Números:
• 3.500 Células Ciliares Internas
• 12.000 Células Ciliares Externas
• 30.000 Fibras Nervosas Aferentes:
– 90~95% provenientes das Células Internas
• Fibras Nervosas Eferentes:
– Destinadas às Células Externas
Guido Stolfi
19/65
Seletividade da Membrana Basilar
Guido Stolfi
20/65
Seletividade das Células de Corti
Guido Stolfi
21/65
Funções das Células Ciliares
• Células Ciliares Internas:
– Sensores
– Faixa dinâmica: ~ 20 a 60 dB
• Células Ciliares Externas:
– Atuadores
– Responsáveis pela extensão da faixa dinâmica
para até 120 dB
– Responsáveis pelo aumento de seletividade
Guido Stolfi
22/65
Bandas Críticas da Audição Humana
Guido Stolfi
23/65
Limiar de Percepção de Freqüências
Banda
Crítica
Diferença
Apenas
perceptível
Guido Stolfi
24/65
Resposta Temporal das Bandas Críticas
5 ms/div
Guido Stolfi
25/65
Determinação da Largura das bandas
Críticas
P=cte.
1
2
3
4
5
6
Guido Stolfi
26/65
Nivel Sonoro
Determinação da Largura das bandas
Críticas
Bc
Largura de Banda
Guido Stolfi
27/65
Percepção de Direção (Azimute)
t2
t1
a2
Baixas Freqüências:
Diferença de Fase
(tempo de Percurso)
a1
Altas Freqüências:
Diferença de Intensidade
(difração)
Guido Stolfi
28/65
Percepção de Ambiente: Reflexões
Múltiplas
Som
direto
Primeiro
eco
Guido Stolfi
29/65
Percepção de Direção (Elevação)
Guido Stolfi
30/65
Um Diagrama de Blocos da Audição
Membrana
basilar
Células
De Corti
Núcleos
nervosos
E
Canal
auditivo
Córtex
auditivo
D
Guido Stolfi
31/65
Pressão Sonora: Unidade de Medida
• Limiar de Audibilidade: 20 Pa rms =
2x10-5 N/m2 @ 1 kHz (1 pw/ m2)
p
Pressão Sonora  20 log
po
( dbSPL) onde po  20Pa
Guido Stolfi
32/65
Nível Sonoro: Unidade de Medida
• Volume Sonoro = grandeza subjetiva
associada à percepção sensorial da
intensidade de um som
• 1 Phon = 1 dB SPL @ 1 kHz
Guido Stolfi
33/65
Situações Sonoras
dB SPL
dB SPL
Foguete
195
Conversação
65
Avião a jato
155
Restaurante
60
Limiar de dor
140
Residência urbana
40
Casa de campo
30
Limiar de desconforto
120 = 1 W/m2
Orquestra fortíssimo
110
Orquestra pianíssimo
30
Rebitadeira
100
Estúdio de gravação
20
Fábrica
78
Folhagens na brisa
10
Tráfego pesado
68
Limiar de audição
0 = 1pW/m2
Escritório ruidoso
65
Ruído térmico do ar
-10 dB
Guido Stolfi
34/65
Curvas de Igual Volume Sonoro (tons
senoidais)
Guido Stolfi
35/65
Faixa Dinâmica para Música e Voz
Guido Stolfi
36/65
Mascaramento para Tom Senoidal
Guido Stolfi
37/65
Resposta da Membrana Basilar para 2
Tons
Ja nela
Oval
15 kHz
f2
f1
60 Hz
(a)
(b)
f2
f1
(c)
f2
f1
Guido Stolfi
38/65
Mascaramento para Ruído de Banda
Estreita
Guido Stolfi
39/65
Curvas de Mascaramento (ex.)
Guido Stolfi
40/65
Evidências de Distorção Aural
10 dB
20 dB
Guido Stolfi
41/65
A Voz Humana e o Vocoder
Guido Stolfi
42/65
A Voz Humana
Guido Stolfi
43/65
Características Espectrais da Voz
t
f
Fundamental:
100-150 Hz (M)
200-300 Hz (F)
Formantes:
250-800 Hz (1)
800-2300 Hz (2)
2200-3000 Hz (3)
Guido Stolfi
44/65
Características das Formantes Espectrais
“a”
“i”
“u”
Guido Stolfi
45/65
Espectrograma (Tempo / Freqüência) da
Voz
Guido Stolfi
46/65
Inteligibilidade da Fala
Guido Stolfi
47/65
Síntese de Voz (Vocoder)
freqüência
ruído
vogais
ganho
formantes
Guido Stolfi
48/65
Exemplo de Compressão: 1 Minuto de
Áudio
• PCM 16 bits, 44.1 kHz, estéreo:
– 85 Mbits
• MPEG-1 Nível 3 (MP3) a 128 kb/s:
– 8 Mbits
• LPC (Linear Predictive Coding - voz):
– 400 kbits
• MIDI (Musical Instruments Digital Interface):
– 250 kbits típico
Guido Stolfi
49/65
Modelamento de Sistemas
Dinâmicos
Guido Stolfi
50/65
Modelamento de Sistemas Dinâmicos
• Modelo Elétrico de um Sistema Mecânico
– Corrente  Velocidade
– Voltagem  Fôrça
– Carga  Deslocamento
– Resistência  Atrito Viscoso
– Indutância  Massa
– Capacitância  Compliância (Elasticidade-1)
Guido Stolfi
51/65
Analogias Dinâmicas
• Indutância
di
eL
dt
• Massa
dv
f M
dt
• Capacitância
q 1
v    i dt
C C
• Compliância
x
1
f 

v dt

CM CM
• Resistência
• Viscosidade
e  R i
f  RM  v
Guido Stolfi
52/65
Modelo de um Alto-Falante
Guido Stolfi
53/65
Questões Polêmicas
Guido Stolfi
54/65
É Necessário Amostrar em 96 kHz?
fa = 44.1 kHz
fa = 96 kHz
Guido Stolfi
55/65
Vantagens da Amostragem em 96 kHz
f
20 kHz
24.1 kHz
44.1 kHz
f
20 kHz
76 kHz
96 kHz
Guido Stolfi
56/65
Questões Polêmicas – Audibilidade de
Fase
Pressão
Sonora
Impulsos
Nervosos
Guido Stolfi
57/65
Determinação de Direção pela Defasagem
D
E
D
E
Guido Stolfi
58/65
Fase Relativa de Harmônicas
100 Hz
200 Hz(+)
100 Hz
200 Hz
Guido Stolfi
59/65
Fase Relativa de Harmônicas
100 Hz
200 Hz(-)
100 Hz
200 Hz
Guido Stolfi
60/65
Experimento: Audibilidade de Fase
0O 10-20kHz
A
0O @ 10 Hz
B
2000O @ 10 kHz
Guido Stolfi
61/65
Condições de Audibilidade de Fase
100 Hz
200 Hz(+/-)
2a. harmônica
aural
200 Hz
resultante
Guido Stolfi
62/65
Experimento: Audibilidade Ultrassônica
20-50 kHz
0-20 kHz
A
B
Guido Stolfi
63/65
Condições de Audibilidade Ultrassônica
22 kHz
24 kHz
Guido Stolfi
64/65
Audibilidade Ultrassônica: Distorção Aural
22 kHz
+
24 kHz
Após
distorção
aural
2 kHz
audível
Guido Stolfi
65/65