O bater de mãos resultante numa onda sonora que rapidamente se desvanece, tal como se pode ver na figura.

Transcrição

1 O que é o Som? Os sons resultam de alterações na pressão de ar, provocados pelas vibrações, e respectiva propagação. Caso não existisse atmosfera, não seríamos capazes de ouvir som, tal como acontece no espaço.

2 O Som O nosso aparelho auditivo é sensível a estas ondas de pressão de ar. Quando se batem as palmas das mãos, o ar que estava entre estas é afastado para os lados. Isto aumenta a pressão do ar no espaço mais próximo das mãos. Este aumento de pressão, projecta as moléculas de ar em todas as direcções à velocidade do som, cerca de 340 m por segundo. Quando esta onda chega ao tímpano, exerce uma pequena pressão que corresponde à audição do batimento das mãos, após processamento por parte do cérebro.

3 O Som

4 O Som O bater de mãos resultante numa onda sonora que rapidamente se desvanece, tal como se pode ver na figura. A forma de onda apresentada representa, no eixo vertical, a pressão e no horizontal o tempo. O aumento de pressão inicial é seguido por um baixa pressão, diminuindo rapidamente a oscilação.

5 O Som Outro tipo comum de onda sonora é a onda periódica. Quando se toca uma campainha continuamente o ar em seu redor vibra na mesma frequência, deslocando-se à velocidade do som. As ondas de pressão de uma vibração contínua, assemelham-se à seguinte:

6 Como é gravado o som? O microfone consiste numa pequena membrana sensível às vibrações, associado a um mecanismo que traduz o movimento da membrana em sinais eléctricos. As ondas sonoras são assim transformadas em ondas eléctricas. Normalmente, valores mais altos de pressão correspondem a voltagens superiores e viceversa. Um gravador convencional de fita transforma os sinais eléctricos em magnéticos registados pela fita. Na reprodução, o processo é invertido, com o sinal eléctrico a provocar a vibração da membrana do altifalante, utilizando para o efeito um electroíman.

7 Microfones

8 Esquema básico do Telefone

9 Som analógica Som digital As ondas sonoras se propagam de modo contínuo no tempo e no espaço. Para que sejam representadas no meio digital, seu comportamento analógico (contínuo) tem que ser convertido numa série de valores discretos (descontínuos). Esses valores são números (dígitos) que representam amostras ( samples em inglês) instantâneas do som. Isso é realizado por meio de um conversor analógico/digital (CAD). Se quisermos ouvir novamente o som? torna-se necessário que os sinais digitais representados por números binários sejam reconvertidos em sinais analógicos por meio de um conversor digital/analógico (CDA).

10 Som analógica Som digital Se quisermos ouvir novamente o som? torna-se necessário que os sinais digitais representados por números binários sejam reconvertidos em sinais analógicos por meio de um conversor digital/analógico (CDA).

11 Amostragem A conversão do sinal analógico para o digital é realizada por uma sequência de amostras da variação de voltagem do sinal original. Cada amostra é arredondada para o número mais próximo da escala usada e depois convertida em um número digital binário (formado por "uns" e "zeros") para ser armazenado. Fernando Iazzetta em a_digital.html

12 Taxa de Amostragem As amostras são medidas em intervalos fixos. O números de vezes em que se realiza a amostragem em uma unidade de tempo é a taxa de amostragem, geralmente medida em Hertz. Assim, dizer que a taxa de amostragem de áudio em um CD é de Hz, significa que a cada segundo de som são tomadas medidas da variação de voltagem do sinal. Dessa maneira, quanto maior for a taxa de amostragem, mais precisa é a representação do sinal, porém é necessário que se realize mais medições e que se utilize mais espaço para armazenar esses valores. Maior qualidade maior espaço de armazenamento

13 Qual a frequência a usar? Teorema de Nyquist A taxa de amostragem dever ser pelo menos duas vezes a maior frequência que se deseja registar. Esse valor é conhecido como frequência de Nyquist. Ao se tentar reproduzir uma frequência maior do que a frequência de Nyquist ocorre um fenómeno chamado alising (ou foldover ), em que a frequência é "espelhada" ou "rebatida" para uma região mais grave do espectro.

14 Resolução Refere-se ao número de bits usados para representar cada amostra. Uma amostra representada por apenas um bit poderia receber apenas dois valores: "0" ou "1". uma representação com 3 bits poderia receber 8 valores diferentes (23 = 8): 000, 001, 010, 100, 110, 101, 011, 111. Um CD tem uma resolução de 16 bits o que permite uma resolução binária com (216) valores.

15 Taxa de amostragem - Erros o gráfico acima, a digitalização com uma taxa de amostragem e resolução muito baixas gera uma representação muito distorcida do sinal original. Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html Aula 1

16 Taxa de amostragem - Correcção Com o aumento da taxa de amostragem e da resolução, a onda representada se aproxima cada vez mais da forma de onda do sinal original. Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html

17 Exercício Apoiado na demonstração anterior desenhe uma forma de onda, igual à da figura e digitalize-a usando diferente frequências de amostragem g-digital3.htm by Marshall Brain

18 Resolução g-digital3.htm by Marshall Brain

19 Resolução Aumente a precisão por um factor 2 (20 gradations at a rate of 2,000 amostra por segundo): Duplique novamente a precisão g-digital3.htm by Marshall Brain

20 Conversão analógica - digital O dispositivo principal utilizado na gravação digital é um conversor de analógico para digital (CAD, Analog to Digital Converter, ADC, em Inglês). O CAD captura uma amostra/sample do sinal eléctrico e transfere-a para um número digital que pode ser enviado e gravado para o PC. Capturando voltagens milhares de vezes por segundo, consegue-se uma boa aproximação ao sinal de áudio original.

21 Factores que determinam a qualidade da gravação digital Existem dois factores que determinam a qualidade da gravação digital. Taxa de amostragem: mede a taxa/frequência a que as amostras são capturadas ou reproduzidas, medida em Hertz (Hz), ou amostras por segundo Um CD de áudio tem uma taxa de amostragem de 44,100 Hz. Esta é a taxa predefinida do Audacity. Formato de amostragem ou tamanho da amostragem: Trata-se, essencialmente, do número de dígitos da representação digital de cada amostra. Podemos pensar na taxa de amostragem como a precisão horizontal da onda e o formato como a precisão vertical. Um CD de áudio tem uma precisão de 16 bits o que corresponde a cerca de 5 dígitos decimais. Cada ponto da figura ao lado, representa uma amostra/sample. Existem dois factores que determinam a qualidade da gravação digital.

22 4 bit PCM

23 8 bit e 16 bit

24 Taxas de amostragem Taxas de amostragem mais elevadas permitem gravações digitais de frequências de áudio mais elevadas. Deve ser, pelo menos, o dobro da frequência de áudio que se pretende gravar. O ouvido humano não consegue ouvir frequências superiores a 20,000 HZ pelo que os 44,100Hz foram os escolhidos para os CDs de áudio. Taxas mais elevadas começam a ser utilizadas no DVDAudio, mas, a maior parte das pessoas não nota diferença.

25 Características do Som - Amplitude Intensidade Exemplos Típicos 20 bits (gravação profissional de áudio 140 db Limiar da dor - Música Rock 120 db Limiar da sensação 16 bits (Compact Disk) 96 db Metropolitano 90 db Volume máximo de uma aparelhagem doméstica 12 bits 72 db Ruído de Fabricas 10 bits 60 db conversa 8 bits 40 db Residência 25 db Estúdio de Gravação 0 db Limiar da audição Nuno Ribeiro em Multimédia e Tecnologias Interactivas

26 Faixa de Extensão Dinâmica Cada bit acrescentado na resolução dobra o número de passos (ou valores) usados para representar a variação de amplitude da onda e com isso adiciona 6dB na escala de dinâmica que pode ser representada. Resoluções mais altas oferecem também maior relação sinal ruído. Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html

27 Erro de quantização Quando é feita a amostragem do sinal, o valor medido é aproximado (quantizado) para o patamar mais próximo na escala de amplitude gerando pequenos desvios em relação ao valor do sinal original (erros de quantização). erros de quantização introduzem ruído nas frequências mais altas. Como minimizar os erros de quantização? aumento da resolução em bits. Resposta Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html

28 Clipping Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html Aula 2

29 Clipping Uma vez que a extensão dinâmica do áudio digital é determinada pelo número de bits utilizados, não é possível representar valores acima de um determinado limite. O valor mais alto que pode ser representado geralmente é expresso como sendo 0 db. Se a amplitude da onda ultrapassa esse valor, ocorre um corte ( clipping ) da crista da onda, mudando sua forma original e ocasionando uma distorção do som.

30 Tamanho de Arquivos Resoluções e taxas de amostragem maiores implicam em arquivos maiores e que precisam de mais espaço para serem armazenados, mais tempo para serem transmitidos e mais poder de processamento para que sejam processados. Para se calcular o tamanho em bytes de uma arquivo pode-se usar a seguinte fórmula: Onde: Tamanho do ficheiro = TA * R/8 * C * t * TA = taxa de amostragem em Hz * R = resolução em bits (como queremos o valor em bytes e cada byte tem 8 bits, é preciso dividir por 8) * C = número de canais de áudio * t = tempo em segundos Assim, num CD em que o áudio é armazenado com 44,1 khz/16 bits, em dois canais (estéreo), um minuto de música ocuparia aproximadamente 10Mb de espaço de.. Fernando Iazzetta em /audio/a_digital/a_digital.html

31 Tamanho de Arquivos Assim, num CD em que o áudio é armazenado com 44,1 khz/16 bits, em dois canais (estéreo), um minuto de música ocuparia aproximadamente 10Mb de espaço: ( Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 segundos) Resolução = bytes, ou aproximadamente 10 Mb.

32 Formatos de amostragem mais elevados para quê? Formatos de amostragem mais elevados permitem uma maior abrangência de frequências, com graves mais audíveis. O Audacity suporta dois formatos de amostragem adicionais: 24 bit, que é frequentemente utilizado na gravação digital de estúdio e 31 bit float que permite um abrangência de frequências quase infinita

33 Conversão Analógica para Digital Sinal analógico DAC Sinal digital

34 Como criar PCM

35 Formatos padrão para áudio Existem dois tipos de ficheiros de áudio no PC: o PCM, que significa Pulse Code Modulation em que cada número do ficheiro digital de áudio representa, exactamente, uma amostra da onda. São exemplos os ficheiros WAV e AIFF. O outro tipo corresponde a ficheiros comprimidos que utilizam algoritmos complexos para representar as frequências essenciais do áudio, ocupando muito menos espaço em disco. São exemplos os formatos MP3 e o OGG.

36 Exercício Em 5 a 10 ppt explicar a diferença entre um som analógico e um som digital e problemas na conversão.

37 Apresentação do programa de edição de áudio em código aberto

38 Editor de áudio Audacity Barras de Ferramentas Ferramentas de Edição Selecção para selecção de uma faixa de áudio para edição ou reprodução Envelope para alterar o volume ao longo de uma pista Desenho para modificar o volume numa amostra de som

39 Ferramentas de Edição Zoom para aumentar e diminuir Timeshift para deslocar as pistas para a direita ou esquerda Multiool permite o acesso a todas as ferramentas, dependendo da localização do rato e teclas pressionadas

40 Ferramentas de Edição Zoom para aumentar e diminuir Zoom out Com a tecla Shift pressionada

41 Ferramentas de Edição Seleccionar uma faixa toda clicar em 1

42 Ferramentas de Edição Seleccionar duas faixa: Clicar na primeira faixa, premir a tecla Shift e clicar na segunda

43 Ferramentas de Edição Seleccionar todas as faixas faixa: Ctrl + A

44 Botões de controlo de áudio

45 Barra de mistura Os controles deslizantes são usados para definir o volume do dispositivo de áudio na reprodução (1) e na gravação (2). O restante controlo (3) permite seleccionar uma fonte de entrada/captura do som como, por exemplo, microfone ou entrada de linha (line in).

46 Barra de edição

47 Barra de Volume É usada para monitorizar os volumes de entrada (1) (a vermelho) e saída (2) (a verde) de áudio. Só é activado em situações de gravação ou reprodução. Notas: Volumes muito elevados, nomeadamente em situações de gravação, vão prejudicar a fidelidade do som. A este fenómeno é dado o nome de clipping, traduzindo-se num áudio distorcido. Pode ser facilmente detectado na barra de níveis pois, ao ocorrer, surge um sinalizador vermelho na parte direita do indicador.

48 Barra de Menus Menu de faixa Este menu aparece quando se clica no título da faixa. Permite o acesso a uma série de comandos especiais que se aplicam a faixas de forma individual.

49 Menu de Faixa continuação Mover faixa para baixo troca de lugar com a faixa acima. Move faixa para cima troca de lugar com a faixa abaixo. Forma de onda modo de visualização do áudio em forma de onda (modo predefinido).

50 Menu de Faixa continuação Waveform modo de visualização do áudio em forma de onda

51 Menu de Faixa continuação Waveform (db) semelhante ao modo de visualização do áudio em forma de onda, mas com uma escala logarítmica medida em decibéis (db).

52 Menu de Faixa continuação Espectro Mostra a pista como um espectrograma, com a quantidade de energia em diferentes frequências de banda.

53 Menu de Faixa continuação Pitch (EAC) destaca o contorno das frequências fundamentais da pista usando o EAC (Enhanced Autocorrelation Algorithm).

54 Menu de Faixa continuação Mono Passa a pista a mono, o que significa que passará a ser reproduzida em apenas um canal, ou seja, audível em apenas um altifalante ou em ambos os altifalantes mas de forma igual, sem estéreo. Canal esquerdo A faixa reproduz-se apenas no canal esquerdo (altifalante esquerdo). Canal direito A faixa reproduz-se apenas no canal direito (altifalante direito).

55 Menu de Faixa continuação Criar faixa estéreo No caso de existir outra faixa por baixo da seleccionada, juntas tornando as numa faixa em estéreo. Separar faixas estéreo se a faixa seleccionada estiver em estéreo (dois canais), esta operação leva à sua separação em duas que passam a permitir uma edição individualizada.

56 Menu de Faixa continuação Criar faixa estéreo No caso de existir outra faixa por baixo da seleccionada, juntas tornando as numa faixa em estéreo. Separar faixas estéreo se a faixa seleccionada estiver em estéreo (dois canais), esta operação leva à sua separação em duas que passam a permitir uma edição individualizada. Ajuste do formato de amostragem (Sample Format) determina a qualidade do áudio e o espaço que o ficheiro ocupa em disco. A unidade de medida é o bit e quanto maior for maior será a qualidade. Como referência, a qualidade de CD corresponde a 16 bit Ajuste da taxa de amostragem (Sample Rate) Determina o número de amostras/samples por segundo uma amostra é simplesmente um instantâneo/imagem de som, num dado momento. É medida em hertz (Hz). Quanto maior for, melhor a fidelidade de som Hz é a taxa de amostragem correspondente à qualidade de CD.