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1 Fundamentos de Áudio Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho &

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Apresentação em tema: "1 Fundamentos de Áudio Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho &"— Transcrição da apresentação:

1 1 Fundamentos de Áudio Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho &

2 2 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

3 3 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

4 4 Ondas Sonoras compressão rarefacção tempo amplitude Onda sinusoidal

5 5 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.

6 6 Ondas Sonoras Uma onda mecânica é uma perturbação que viaja através dum meio transportando energia dum local para outro.

7 7 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?violino e o piano

8 8 Reflexão e Refração

9 9 Difração

10 10 Características do Som Frequência O comprimento de onda (wavelength) é a distância entre dois pontos adjacentes na onda

11 11 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 0 secs time 1 sec 1 wave2 waves 2 Hz t

12 12 Características do Som Frequência CategoriaGama de Frequência Intra Som 0 –20 Hz Som Audível 20 Hz- 20 KHz Ultra Som20 KHz - 1GHz Hiper Som 1 GHz - 10 GHz

13 13 Características do Som Frequência Limite da Gama Audível Homem 20 KHz Cão 50 KHz Gato 60 KHz Morcego 120 KHz Golfinho 160 KHz

14 14 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)

15 15 Características do Som Frequência Diferentes composições do som Natural Fala Música Categorias de sons Periódicos Não periódicos

16 16 Características do Som Amplitude IntensidadeExemplos Típicos 0 dBLimiar da audição 25 dBEstúdio de Gravação 40 dBResidência 50 dBEscritório 70 dBConversação Típica 90 dBAudição áudio em casa 120 dBLimiar da dor 140 dbMúsica Rock

17 17 Características do Som Envelope

18 18 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

19 19 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.

20 20 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.

21 21 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

22 22 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

23 23 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.

24 24 Sistema Humano de Audição Curvas de Igual Intensidade

25 25 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)

26 26 Nível de Pressão do Som [dB-SPL] Limiar da Audição Limiar da Dissimulação (Masking) Sinal Sistema Humano de Audição Dissimulação Áudio Frequência

27 27 Sistema Humano de Audição Bandas Críticas Nº Banda Crítica Frequência Corte Inferior (Hz) Frequência Corte Superior(Hz) Banda Crítica (Hz) Frequência Central (Hz)

28 28 Sistema Humano de Audição Bandas Críticas Nº Banda Crítica Frequência Corte Inferior (Hz) Frequência Corte Superior(Hz) Banda Crítica (Hz) Frequência Central (Hz)

29 29 Nível de Pressão do Som [dB-SPL] Limiar da Audição Limiar da Dissimulação (Masking) Sistema Humano de Audição Som mestre e dissimulados Frequência Som mestre Sons dissimulados

30 30 Gravação Áudio Som gerado e reproduzido de várias formas Fala : pessoa para pessoas Não há processamento Música e Radiodifusão Processamento e armazenamento Para posterior busca e reprodução Fonte Ouvintes

31 31 Acústica Fonte de Som Ouvintes Som Ambiente

32 32 Acústica Reverbação

33 33 História do Áudio Multicanal DécadasPrincipais acontecimentos 1930Experiência com 3 canais áudio nos Laboratórios Bell canais (cinema) 2 canais stereo (casa) 1970Stereo ambiente (cinema) 4 canais stereo (casa) Cassetes vídeo mono e stereo canais áudio de ambiente (casa) CD digital 2 canais (casa) canais áudio ambiente (casa)

34 34 Reprodução Áudio Multicanal LRC LFE R-SL-S LRC LFE R-SL-S R-S CasaCinema L (Left), R(right), C(center), L-S (Left-Surround), L-R(Right-Sorround), LFE (Low Frequency Effects)

35 35 Sistema de som ambiente Configuração dos altifalantes NomeCódigoF-LF-CF-RM-LM-RR-LR-CR-R Mono1/0 Stereo2/0xx 3c Stereo3/0xxx 3c amb.2/1xxx 4c amb.2/2xxxx Amb. standard 3/2xxxxx Ambiente Melhorado 5/2xxxxxxx Posição dos Altifalantes

36 36 Gravação áudio ao vivo Misturador Gravador Stereo Gravador Multi- pista Efeitos Instrumentos Amplificador Instrumentos Gravador Stereo Colunas MisturadorGravador Multi- pista (a) (b) (c)

37 37 Representação do Sinal de Áudio Métodos Considerações Complexidade do processamento Taxa de informação Flexibilidade Forma de Onda 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

38 38 Forma de Onda: Geração e Reprodução Áudio Captura Áudio Amostragem & Digitalização Armazenamento ou Transmissão Reprodução (Altifalante) Conversão D/A Receptor Fonte Áudio Ouvinte

39 39 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

40 40 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 = bits/second Dados transmitidos em pacotes de 8 bits com 1 bit de start e stop sem paridade.

41 41 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 INOUTTHRUINOUTTHRUINOUTTHRU ABC

42 42 Sistema MIDI simples Sequenciador Módulo de Som Controlador Sinal MIDI

43 43 Estúdio Virtual MIDI Sequence Digital Audio Track Computer Audio In MIDI In MIDI Out MIDI In MIDI Out Audio Out Mixer MicrophoneAudio Out

44 44 Organização de ficheiro MIDI Header Chunk Track 1Track 2 Track 1 Header Track 2 Header Track 1 Chunk Track 2 Chunk... Status Byte Data Bytes Status Byte Data Bytes Dados da Música

45 45 Formato do cabeçalho e pista DeslocamentoCompTipoDescripçãoValor 0x004char[4]ID do chunk MThd(0x4D546864) Header0x044dwordTamanho chunk 6(0x ) Chunk0x082wordTipo formato 0-2 0x102wordNº pistas 1-65,535 0x122worddiv. tempo Ticks/quadro Track0x004char[4]ID do chunk MTrk (0x4D54726B) Chunk0x044dwordTamanho chunk Tamanho dados da pista 0x08Dados de eventos

46 46 Formato de Informação para Divisão no Tempo Bit: Ticks porsemínima 1Frames/segTicks/frame

47 47 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 ByteData Byte 1Data Byte Message Type Channel No.Data 1 (0-127)Data 2 (0-127)

48 48 Byte de estado e canais MIDI 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 Status ByteData Byte 1Data Byte Message Type Channel No.Data 1 (0-127)Data 2 (0-127)

49 49 Formato de eventos de canais MIDI Tempo DeltaValor do tipo de evento Canal MIDIParâmetro 1Parâmetro 2 Comprimento Variável 4 bits 1 byte

50 50 Eventos de Canal MIDI ValorTipo EventoParâmetro 1Parâmetro 2 0x8 Note Off Note NumberVelocity 0x9 Note On Note NumberVelocity 0xA Polyphonic Aftertouch Note NumberPressure 0xB Control Change Controller Number Value 0xC Program Change Program Number (not used) 0xD Channel Aftertouch Pressure(not used) 0xE Pitch Bend LSByteMSByte

51 51 Note On/Off Quando se pressiona uma tecla, é transmitida uma mensagem note-on Quando se liberta uma tecla, é transmitida uma mensagem note-off C3 60 D3 62 E3 64 F3 65 G3 67 A4 69 B4 71 A#4 70 G#3 68 F#3 66 D#3 63 C#3 61 C2 48 D2 50 E2 52 F2 53 G2 55 A3 57 B3 59 A#3 58 G#2 56 F#2 54 D#2 51 C#2 49 Status ByteData Byte 1Data Byte Off/On Channel No.Note Number (0-127)Velocity (0-127) 000/1

52 52 Exemplo No key pressed AcçãoMenagem MIDISaída MIDI NothingIdle F3 releasedNote Off, F3, Velocity= , , (128, 65, 55) F3 pressedNote On, F3, Velocity= , , (144, 65, 100) F3 HeldNothingIdle

53 53 Mudança de Controlo 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 Status ByteData Byte 1Data Byte Channel No.Controller Number (0-127)Value (0-127) 011

54 54 Mudança de Programa 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 Status ByteData Byte 1 1 0Channel No.Program Number (0-127) 100

55 55 Outras mensagens Pós toque (Aftertouch) Pós toque polifónico Quando uma tecla é pressionada, a forca com que é pressionada pode ser detectada por sensores de pressão- conhecido como aftertouch 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 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 sintetizadores

56 56 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.)

57 57 Instrumentos Multi-Timbre INOUTTHRUINOUTTHRUINOUTTHRU MasterChannel 1Channel 2 INOUTTHRU Channel 3 Etc. (i) (ii) INOUTTHRU Master Synthesiser Channel 1 Synthesiser Channel 2 Synthesiser Channel 3 Etc. Single Multi- timbral synthesiser

58 58 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

59 59 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


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