Acústica e Psico-acústica

Acústica Acústica Conceitos básicos parte da física que estuda os sons, sua geração e sua interação com o ambiente Conceitos básicos absorção e reflexão reverberação eco ressonância modos de sala isolamento etc.

Reflexões Som direto e som indireto (reflexões) Direto: viaja diretamente da fonte ao receptor Indireto: é refletido/absorvido nas paredes, teto, chão, etc. Grande parte do som é indireto mas ele é mais fraco Pode ser usado artisticamente para criar ambiência Filmes, tv, jogos, mixagem em estúdio, etc.

Ambiência Ambiência Pode-se ter vários efeitos de ambiência Sensação de interação com a acústica do ambiente Pode-se ter vários efeitos de ambiência eco, reverberação, etc. E eles dependem do... tempo de atraso das reflexões (tamanho da sala) quantidade de reflexões (absorção da sala)

Eco Eco Atraso significativo: repetição perceptíveis do som em salas menores, com paredes paralelas e perpendiculares também tem-se os flutter echos (ecos pequenos e rápidos)

Reverberação Reverberação série de reflexões muito densas percebidas como um contínuo decaimento no tempo, “prolongando” o som direto (múltiplos ecos) dão a sensação de ambiente e de localização, senão seria “seco” e “muito perto” aumentam em número quando decaem tempo de reverb. = queda de 60dB (ton de 500 Hz)

Materiais absorventes Absorção: cada material absorve bem numa faixa. Materiais porosos, fibrosos, tecido => altas Espaçamento entre material e parede => médio grave Bass traps => baixas Usado para modelagem física de ambientes sound trace (equivalente a ray trace da comp. gráfica)

Folha de madeira (1/4´ a 1/8´) Materiais Enchimento (lã de vidro) parede Folha de madeira (1/4´ a 1/8´) Bass trap

Ressonância Ressonância: f = (N x 565)/D reforço de certas freqüências (em geral abaixo de 300Hz), chamadas modos da sala isto deve-se às ondas estacionárias: ondas que continuamente se reforçam ao refletirem nas paredes Depende da dimensão da sala f = (N x 565)/D onde N é o modo e D a dimensão (em pés) modos

Resposta em freqüência Ressonância Problema descaracteriza o timbre e altera o som em geral, reforçando freqüências particulares Resposta em freqüência

Acústica em Computação Software/hardware de processamento de som ex. síntese de som Software criação dinâmica de ambiência ex. jogos de computadores, realidade virtual Software de controle físico de ambiência em salas de concerto e estúdio ex. sala do IRCAM Software/hardware de espacialização de som ex. LPE/CIC, CRCA etc.

Psico-acústica

Psico-acústica Psicoacústica Algumas questões Ramo da psico-física, fundada por Helmholtz, que estuda a relação entre som, audição e psicologia mundo físico => percepção => compreensão Algumas questões Qual é a relação entre amplitude e intensidade? Em que condições uma freqüência pode ser percebida como tendo uma altura particular? Qual é a relação entre espectro e timbre? Com que acuidade percebemos altura, ritmo, intensidade, timbre, localização espacial, etc.? Certas reduções de dados sonoros afetam a percepção musical?

O ouvido O sistema auditivo periférico divide-se em 3 partes ouvido externo capta e amplifica vibrações do ar ouvido médio: transforma estas vibrações em vibrações mecânicas ouvido interno: processa esta vibrações e transformando-as em sinais elétroquímicos que seguirão pelos nervos até o cérebro

O ouvido (impulses) 4000 nerve fibers 5 hair-cells/fiber 16000Hz ... 2000Hz... 62Hz

Percepção de volume Volume  Intensidade ou audibilidade (loudness) quanto maior o volume, maior a excitação dos “cílios” mas outras coisas também influenciam a percepção de intensidade... A percepção de variação de intensidade depende da intensidade a percepção é exponencial e por isso se usa uma medida logarítmica um pequeno incremento é perceptível só quando o som está fraco ex. 90 p/ 91 dB (3859 vezes mais) 30 p/ 31 dB (3.86 vezes mais)

Percepção de volume A percepção de intensidade depende da freqüência ouvimos melhor a faixa 2700-3200 Hz (basta pouco para ouvirmos nas médias) quanto mais intenso, mais a resposta torna-se plana (ouve-se igualmente bem em todas as freqüências)

Limiar de audibilidade Curvas de audiblidade Limiar da dor Mais plano Limiar de audibilidade Mais distorcido Phon = 1 dB a 1KHz (= 1000 Hz)

Percepção de altura Frequência  altura Faixa audível: de 20 a 20KHz cada freqüência é mapeada em um lugar particular da cóclea em função das vibrações Faixa audível: de 20 a 20KHz Abaixo de 60Hz ou acima de 5 KHz, o ouvido é muito impreciso (sequer capaz de identificar uma oitava) O ouvido é capaz de fazer aproximações ex. escala temperada => escala justa

Banda crítica Banda crítica Relaciona-se com vários efeitos região mínima da membrana basilar que é o limite de resolução para a percepção de freqüências Relaciona-se com vários efeitos f1 e f2 mais distantes => percebe-se cada um isoladamente (com intensidades somadas) f1 e f2 menos próximos => sensação de dissonância (aspereza) f1 e f2 próximos, não dá a impressão de somarem suas intensidades: há fusão de f1 e f2 e houve-se uma f3 = |f1 - f2| chamada de batimento

Limites de discriminação Banda crítica: figura Limites de discriminação f2 freqüência Banda crítica fusão f1 áspero batimentos suave

Timbre Percepção de timbre depende Percepção da fundamental do espectro dinâmico (sobretudo) da ambiência Percepção da fundamental várias freqüências harmônicas são percebidas como uma única freqüência: a fundamental isto ocorre mesmo quando a fundamental não está presente (fundamental ausente) identificação da fonte também é possível identificar um instrumento numa orquestra

Localização das fontes sonoras Estereofonia funciona por diferença de intensidade e de tempo de chegada da onda nos dois ouvidos Localização pode ser recriada panorâmico: esquerda ou direita reverberação: longe ou perto Nota Home theater funciona baseado nestes princípios reverberação estereofonia

Duração e ritmo A resolução é limitada pela “integração temporal” Sons muito próximos tendem ser percebidos como um único som (ex. reverberação) Resolução (banda): 20-50 ms ex. eco x reverberação

Mascaramento e tons subjetivos A interação dos vários sons de uma música dá origem a vários efeitos: batimento, fusão, mascaramento, tons subjetivos, etc. Mascaramento um som “oculta” o outro depende da relação de freqüência e de volume entre eles Tons subjetivos dado f1 e f2, pode-se escutar vários outros tons inexistentes |f1 - f2|, 2 |f1 - f2|, |2f1 - f2|, etc.

Experimento (Wegel & Lane 1924) - tom primário f1 fixo (1200 Hz, 80 dB SPL) e secundário f2 - curva sólida: limiar de mascaramento ou audibilidade de f2 - f2 mais baixo (em freq) que f1, f2 facilmente mascarado - nos batimentos o mascaramento diminui - conforme intensidade de f2: mascaramento, tom de diferença, mistura,... - harmônicos de f1: distorção devido à não linearidade do ouvido

Referências Curtis Roads, The Computer Music Tutorial (Livro-texto), MIT Press. 1996. Cap 23