Audio Digital

Ing. Jorge Hernán Victoria Moreno - Tecnologías Multimedia

Audio DigitalIngeniería de Sistemas y Computación

Tecnologías Multimedia

Ing. Jorge Hernán Victoria [email protected]

Ing. Jorge Hernán Victoria Moreno - Tecnologías MultimediaIng. Jorge Hernán Victoria Moreno - Tecnologías Multimedia - Audio Digital

La Naturaleza del Sonido

● Comprender el fenómeno sonoro.● Como lo podemos caracterizar● Qué propiedades tiene?

El estudio del sonido se divide en 3 grandes áreas:

1. Naturaleza del Estímulo.2. Características del oído como transductor.3. La psicoacústica del oído.


Estimulo Sonoro

● Ser capaces de describir cualidades de un estímulo sonoro.● Comprender qué frecuencias están interactuando en él.


Oído como Transductor

Transductor: Transforma forma de energía en otra.

● Variaciones de presión en impulsos eléctricos.● Cualidades del oído.● Limitaciones.


Psicoacústica del oído.

● Como un estímulo físico se convierte en sensorial.○ Moldear sonidos para causar efecto emotivo en el oyente.

● Enmascaramiento del sonido.○ Útil para compresión de audio.


Propagación Sonora

Que se requiere para que haya sonido?


Propagación Sonora

Que se requiere para que haya sonido?

● Cuerpo Vibrátil.● Medio.● Receptor.


Propagación Sonora


Nivel de Presion Sonora

● Decibel (dB): Utilizamos esta unidad de medida logarítmica para medir la intensidad del sonido, es decir su “nivel de presión sonora (SPL)”.

● El decibel es popularmente conocido como la unidad utilizada para medir el sonido. Hay muchas magnitudes que se miden en decibeles como el voltaje, la luz, y otras más.

● En ingeniería de sonido se utiliza para referirse a dos magnitudes que representan diversos tipos de energías. Energía acústica, o sea lo que escuchan nuestros oídos, y energía eléctrica que es la que pasa a través de los cables y equipos de audio.


Nivel de Presión Sonora

● Podemos calcular el nivel de intensidad sonora en el ambiente utilizando cambios de presión. Para la presión Atmosférica, se toma P0 = 20 x 10-6

(20 μPa).

● Sonometro: Instrumento que para medir el nivel de presión sonora en dB en un ambiente.


Decibel de energía Acústica

También conocido como dB SPL (sound pressure level), es la energía que viaja a través del aire hasta nuestros oídos. Se puede medir de dos formas (o curvas de ponderación) usando un instrumento especialmente diseñado para ello llamado sonómetro.


En decibeles de energía acústica (dBSPL) 0dB es un mínimo de referencia, en cambio en decibeles de energía eléctrica 0dB es un nivel óptimo o nominal de energía y funcionamiento de toda la cadena de audio. Este tipo de decibel se usa para mediciones de audio analógico. Su nivel de medida es dBu.

En audio digital existe otra medida que es dBFS (decibels full scale) que representa ya no un nivel nominal sino un nivel máximo posible, más allá del cual ocurriría una distorsión total del sonido.

Decibel de energía eléctrica


Onda Sonora

● Amplitud, A (dB)● Periodo, T (seg)● Frecuencia, f (Hz)

● Velocidad, V (m/s).○ Velocidad del sonido en el aire (344 m/s a 20oC)○ Entre mayor temperatura, menor velocidad.

● Longitud de Onda, ciclo (λ)


Onda Sonora

● Cual sería la longitud de onda si V = 344 m/s y:○ f = 440 Hz○ f = 20 Hz○ f = 20.000 Hz


Onda Sonora

● Cual sería la longitud de onda si V = 344 m/s y:○ f = 440 Hz

λ = 0.78 m = 78 cm

○ f = 20 Hzλ = 17.2 m

○ f = 20.000 Hzλ = 0.017 m = 17 mm


Rangos de Audición


Curva de FLETCHER–MUNSON


Audio Digital

El Audio digital puede ser dividido en dos componentes análogos a la frecuencia y la amplitud. El Sampling rate (tasa de muestreo) y el bit depth (profundidad de bits) de una señal de audio digital.


Sampling Rate

El sampling rate o frecuencia de muestreo fm

es el número total de muestras tomadas de una

señal análoga en un segundo de tiempo.

fm se mide en Hz.


Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon

La frecuencia de muestreo debe ser mayor que el doble de la máxima frecuencia contenida en la señal.

Por esta razón, dado que la máxima frecuencia que podemos escuchar es 20KHz, la frecuencia de muestreo para calidad de CD es 44.1KHz.


Aliasing

Resulta de tener una frecuencia de muestreo menor que la frecuencia se la señal análoga.

Señal roja: Señal análoga original.

Señal azul: Señal reconstruida después de interpolar por las muestras seleccionadas en la fase de sampling.


Cuantificación

Consiste en determinar el espacio operativo, es decir, el rango de amplitud en el que tomaremos nuestra señal y dividirla en intervalos. De acuerdo a la cantidad de intervalos obtendremos la número de bits necesarios para representar cada intervalo.

Finalmente, se realiza un mapping de cada muestra de la señal al intervalo que le corresponde, y se obtendrá una representación binaria de aquella muestra.


Cuantificación


Bit Depth

● Para calidad de CD, normalmente se cuantifica con 16 bits. A esto se le conoce como bit depth.

● Para algunos audiófilos, es mejor utilizar un bit depth de 24 bits.

● El espacio operativo se divide en valores positivos y negativos, por lo cual, para un bit depth the 16 tendríamos un rango de -215 a 215-1.


Cálculo de Capacidad

● Calidad de CD. fm = 44.1KHz● Bit depth = 16bit● Señal estereo (2 canales).● Tiempo total: 1 Minuto de audio.

Cálculo:

● Muestras = 44.100 x 2 = 88.200 mu/s.

● En un 1 minuto: 88.200 mu/sec x 60sec/min = 5.292.000 mu/min

● 16 bits/mu = 2 Bytes/mu = 2B/mu

● 5.292.000 mu/min x 2 B/mu = 10.584.000 byte/min ~= 10MB/min


bit Rate

● Es un metrica en formatos de audio que describe cuántos bits se requieren para representar un segundo de audio.

● Entre mayor sea el bit rate, mayor serán los datos necesitados por unidad de tiempo y por lo tanto implicará tener menos compresión.

● Típicamente para formatos MP3 se utilizan 128Kb/s o 192Kb/s.

● En formato CD, tendríamos una fm de 44,1KHz y 16 bits por muestra, esto nos daría 44.100Hz x 16 bits = 705600 b/s ~= 705Kb/s


Cálculo de bit rate

● 88.200 mu/s● 2 B/mu

Cálculo:● 88.200mu/s x 2 B/mu = 176.400 B/s = 176.4KB/s


Cálculo de Capacidad usando bit Rate

● Tamaño en bits = segundos x bit rate

● 60 segundos● bit rate = 176.4KB/s

Cálculo:● Tamaño: 60 x 176.4KB/s = 10.584KB/s ~= 10MB


Estándar de Grabación Profesional

El estándar de grabación en estudio profesional es de 48KHz x 24 bits, sin embargo algunos prefieren tasas más altas de hypersampleo a 192Khz x 24 o 32 bits.

Esto resulta en un sonido de mayor resolución, pero a cambio de unos archivos muchísimo más pesados y por ende más demorados en procesar por la CPU del computador.


Pulse Code Modulation

● Pulse Code Modulation o PCM es la forma de representar sonidos como un array de números después de haber sido cuantificados.

● El array puede ser codificado para audio en estéreo, de esta forma los elementos impares representarán sonidos para el canal izquierdo y los elementos pares los del canal derecho.

● Esta codificación es equivalente al formato RAW en imágenes, es decir, que no tiene ninguna compresión.


Compresion de Audio

● Una compresión Lossless, por ejemplo en formato FLAC, puede comprimir entre un 50% a 60%. Tiene la ventaja que al ser decodificado puede recuperar la calidad de audio original.

● En una compresión de audio Lossy, tenemos el formato de uso comun MP3. El formato MP3 elimina ciertas frecuencias reproducidas a determinados niveles que probablemente no somos capaces de escuchar. No es un formato óptimo para audiofilos.


Teorema de Fourier

● Para una señal periódica cualquiera es dada a la superposición de ondas sinusoidales simples, cada una con amplitud y fase.

● Se utiliza para la compresión de audio.


Procesadores y Efectos

Los procesos y efectos son cambios que se le hacen a la señal de audio a fin de adecuarla a determinado enfoque estético y también para que ésta cumpla con algunos requisitos técnicos como la claridad, transparencia y nivel adecuado.

Los procesos modifican propiedades tonales que ya están presentes en la señal. Por ejemplo un ecualizador es un procesador que acentúa o atenúa frecuencias contenidas en la señal.

Los efectos de modulación en cambio transforman la señal drásticamente añadiendo algo que la señal no tenía originalmente.


Compresor

El compresor es un procesador que opera sobre la amplitud de la señal de audio. Básicamente cuando la señal es alta el compresor la atenúa y cuando es baja la incrementa, dando como resultado una señal más pareja y estable dinámicamente.


Propiedades del Compresor● Threshold: (Umbral) Fija nivel en dB

donde se aplicará la reducción de ganancia.

● Ratio: Tasa de de reducción una vez que la señal supere el umbral. Valores tipicos son 2:1, 3:1, 4:1.

● Attack time: Determina la velocidad con el compresor comienza a actuar.

● Release Time: Define la velocidad con que el compresor retorna a la ganancia normal.

● Output gain: Usado para nivelar la ganancia final que saldrá por el compresor.


Limitador

Es un compresor llevado al extremo. Lo valores de ratio superan 20:1 y pueden llegar incluso a 100:1.

La utilidad de este procesador es que es una barrera total que impide que una señal exceda cierto umbral. Se suele usar en las etapas de salida master para evitar excesos de niveles en la señal que puedan deteriorar los parlantes.


Expansor

La expansión es el proceso inverso a la compresión. A partir de cierto umbral la señal es incrementada. Su uso no es tan frecuente. (Ver línea en rojo).


Expansor - Gate

El gate sólo permite la salida del audio cuando este sobrepasa el umbral, cuando la señal está por debajo es atenuada severamente.

El nivel de ruido suele estar por debajo del nivel nominal de la señal pero a pesar de eso es audible. Una compuerta lo atenuará drásticamente en los pasajes por donde la señal nominal sea leve o inexistente, haciendo silencio. Una vez la señal reaparece a un nivel superior al umbral la compuerta se abre y deja que suene.


Procesadores Frecuenciales

Se trata de dispositivos que modifican el componente frecuencial de una señal de audio, ya sea atenuando o incrementando porciones de éste. El más completo es el ecualizador, que consta de varios filtros de sonido que afectan distintas secciones del espectro frecuencial de una señal de audio.

Los filtros son:

● Pasa alto● Pasa bajo● Pasa banda● Shelving


Pasa Alto

Se trata de un filtro que atenúa todas las frecuencias graves que están antes del punto de corte (cut off) y no afecta a las frecuencias altas que están después del punto de corte. También le llaman filtro “Low cut”.


Pasa Bajo

Opera idénticamente al filtro pasa altos pero en las frecuencias altas, atenuando aquellas por encima del cut off y dejando pasar o sonar aquellas por debajo. También le llaman filtro “Hi cut”.


Pasa Banda

Se trata de un filtro que se ubica, no en los extremos, sino en el centro del espectro frecuencial, de esta manera acentúa o atenúa la frecuencia de corte en incrementos seleccionables en dB. También se le llama filtro tipo campana (bell shape filter) por su forma característica.


Shelving Filters

Se trata de filtros que se ubican en los extremos grave y agudo del espectro frecuencial y acentúan o atenúan en incrementos de dB a partir del punto de corte cut off seleccionado. Estos filtros afectan sólo los extremos y no las frecuencias intermedias.


Ecualizador Paramétrico

Con varios de estos filtros incorporados se creó el ecualizador paramétrico que permite tener un control muy amplio sobre el espectro de frecuencias al hacer posible seleccionar el tipo de filtro, el ancho de banda o factor Q y la cantidad de ganancia que queremos incrementar o atenuar, por cada una de las bandas.


Efectos de Tiempo

Se trata de efectos basados en la repetición en el tiempo de secciones o lapsos sonoros de la señal de audio.


Reverberación

En acústica es la persistencia de una señal en la forma de ondas reflejadas dentro de un recinto una vez que el sonido original ha cesado.

Cuando un evento sonoro ocurre, las ondas en movimiento se propagan omnidireccionalmente desde la fuente sonora e impactan contra las superficies y objetos en el recinto (piso, paredes, cielo falso, etc) reflejándose. Los efectos de estas múltiples reflexiones nos dan claves perceptibles respecto al tamaño, densidad y naturaleza del recinto.

Para grabaciones de audio se utiliza una reverberación artificial. Se utiliza Recording Dry (Grabado en seco) sobre todo al realizar overdubbings.


Reverberación

Pre Delay: Reflexiones iniciales.

Reverb time: Time que toman las últimas reflexiones en llegar al receptor.

La proporción entre reverberación y el sonido directo determina nuestra percepción de distancia de la fuente sonora y del tamaño del recinto acústico virtual.


Delay (eco)

Repetición de un material sonoro después de un intervalo de tiempo dado.

Delay Time: Determina en qué momento después de generado el sonido original, ocurrirá la repetición o eco.

Para que la repetición sea continua, la señal repetida debe reingresar al efecto y retardarse nuevamente en un proceso de retroalimentación.


Efectos de Modulación

Se trata de efectos basados en retrasos de la señal de audio controlados por un oscilador de tiempo.

Añade a la señal original una copia de ella pero haciendo que ésta se retrase y se anticipe de manera controlada.

Flanger: Retraso en 1ms y 20 ms.

Chorus: Retraso mas largo, 30 ms. Tienden a hacer parecer la señal como doblemente grabada. Realiza efecto de coro.

Phaser: Es como Flanger, pero aplicando variación de fase a los retardos.

Wah wah: El pedal de wah-wah es un tipo de efecto de guitarra y bajo. Consiste en un filtro pasa altos cuya frecuencia de corte es variable.

Audio Digital

Documents

Transcript of Audio Digital