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 20Pa 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 eL 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