TRATAMIENTO DEL AUDIO DIGITAL: GRABACIÓN Y PROCESADO

TRATAMIENTO DEL AUDIO DIGITAL: GRABACIÓN Y PROCESADO
Gabriel Ramos Llordén Ingeniería de Ondas I 15 de Septiembre de 2009

Esquema 1.Introducción: Naturaleza del Sonido y Percepción del Oyente
2.Grabación Digital 1.Antecedentes a la Grabación Digital 2.Grabación Óptica 3.Grabación Magnética 3.Procesado del Audio Digital 1.Elementos básico. Amplificador 2.Ejemplo de Regulador de Volumen 3.Técnicas en Tiempo 4.Técnicas en Amplitud 5.Técnicas en Frecuencia

1.Naturaleza del Sonido Explicación del Sonido desde el punto de vista matemático. Se parte de dos ecuaciones básicas de la mecánica de Fluidos. Ecuación de conservación de la masa de un fluido Ecuación de Euler del movimiento de un Fluido Variables implicadas: Presión (p) Densidad(rho) Velocidad del Fluido (v)

1.Naturaleza del Sonido Suposición de la propagación de sonido como proceso adiabático, entonces: Cp: Calor específico a Presión Constante Cv: Calor específico a Volumen Constante Presión Total = Presión Ambiente más variaciones debidas al Sonido (Muy Pequeñas) Desarrollo de Taylor de P en función de la densidad (Buena aproximación considerar términos de primer orden).

1.Naturaleza del Sonido Se llega a :
Notación: P’= Incremento de presión, rho’=incremento de densidad C al cuadrado = derivada parcial de la presión respecto a la densidad, evaluada en la densidad ambiente. Caso medio homogéneo y quiescente (Muy habitual) Las ecuaciones de Euler y conservación se simplifican muy notablemente. Tras unas operaciones sencillas se llega a que :

1.Naturaleza del Sonido Aparece la Ecuación de Ondas en la propagación del sonido. Paralelismo con fenómenos electromagnéticos, también cumplen dicha ecuación. La presión en un punto espacial (Xo,Yo,Zo), es una función variable con el tiempo. Es una señal. ¿Se puede modificar la presión y guardar la información que proporciona para recrear sonido? En principio no. Idea: Una onda de presión puede generar una onda electromágnetica. Se puede almacenar una onda electromágnetica y posteriormente generarla. Dicha onda puede crear la onda de presión  Sonido.

1.Naturaleza del Sonido En general: Onda de presión(sonido)
Conversión a otra fuente física Magnitud “almacenable” Conversión a Variaciones de Presión Sonido No se trata de un sistema invertible, pero se consiguen resultados perfectamente válidos en la realidad Posibilidad de modificar la Magnitud “almacenable” además de “guardarla” Infinitas Posibilidades con el sonido final

Fénomenos Habituales del Sonido Sensaciones Subjetivas
Reflexión del Sonido: Aparece una onda reflejada Varias posibilidades: Al llegar la onda rebotada, todavía está presenta la onda inicial. No se ha superado el tiempo de persistencia acústica. (50ms).  Sensación de sonido continuado (Reverberación) Se supera este tiempo, no coexisten en el tiempo las dos ondas  Eco. Sensación de dos sonidos diferentes.

Fénomenos Habituales del Sonido Algunas interpretaciones
Explicación de porque esa distinción  Efecto Haas Ejemplo de Reverberación

Necesidad de definir medidas para calificar un Sonido. 1er Intento: Nivel de Presión Sonora 20log(P/Pref) Donde por log, se denota el logaritmo en base decimal, P corresponde a las variaciones de presión (p’) y Pref al umbral de audición (20microPascales) Problema: Dos sonidos con mismo nivel de presión sonora pueden no sonar igual, uno lo hace con más fuerza que otro

2º Intento: Sonoridad (Fones) No existe formula, se utilizan las curvas isofónicas de Fletcher y Mudson o mejor aún las de Robinson y Dadson. Los pares de puntos (NPS, frecuencia) que están sobre la misma curva  Igual Sonoridad

2.Grabación Digital: Antecedentes a la Grabación Digital
Dos métodos muy usados por encima del resto: Grabación electromecánica, Grabación electromagnética. Fuente física que generaba la presión en cada caso : Grabación electromecánica Movimiento de una aguja. Se crean deformaciones en un material en función de la presión. Grabación electromagnética Se genera una onda electromagnética mediante un micrófono, dicha onda polariza las partículas de un material.

Grabación electromecánica: 3 dispositivos en orden cronológico: 1.Fonoautógrafo (Primera grabación de la historia . Canción Popular Francesa 2.Fonógrafo (Capaz de Reproducir) 3.Gramófono

Método bastante mejor que el anterior Utilizado hasta no hace muchos años. (Casettes) Necesario un proceso de conversión a corriente o voltaje. (Micrófono) Un electroimán genera el campo magnético que polariza el material que se va desplazando  Cada punto del material magnetizado de una forma. El material se tiene que desplazar lo suficientemente rápido para no “pisar información”

Buena respuesta en Frecuencia

2.Grabación Digital: Grabación Óptica
Método de Grabación ampliamente usado Necesidad de discretizar la señal y de codificarla Elegir adecuadamente Frecuencia de Muestreo Estándar Cd-Audio 44Khz Reproducción sin pérdida de calidad Aspectos Relacionados con la codificación: 1.Muestras codificadas con 16 bits(PCM) 2.Código de Errores: Reed Solomon

Proceso físico de Grabación. 1.Creación de hendiduras (pits) o valles(lands) con el haz de un láser 2. Un bit NO representa un pit o un land Bit 1Acción contraria a la anterior Bit 0Acción igual a la anterior Problema: Se fuerza demasiado al láser al cambiar de estado  Modulación (EFM) Grupos de 8 bits, después de cada bit 1 se intercalan dos 0s  Grupos de 14 bits.

-Dimensiones pits y lands -Pistas separadas 1.6micrómetros Proceso de Detección 1.El láser emite sobre el CD 2. Incidencia sobre un pit  Luz dispersada (780nm) Incidencia sobre un valle  Fotodetector activado

Para determinar que bit se registro  Necesario mirar estado anterior y el actual

2.Grabación Digital: Grabación Magneto-Óptica
Combina el efecto del láser con el magnetismo Soporte Digital sin éxito ( MiniDisc Sony 1992) Proceso de Grabación: 1.Necesario que el material posea características especiales (Recubrimiento de Cambio de Fase) 2.Con el láser se calienta la zona a grabar hasta llevarla a la temperatura de Curie (180 ºC)  El estado de cristalización se torna modificable

2.Grabación Digital: Grabación Magneto-Óptica
Un campo magnético reorienta los dominios en función de bit 1 o bit 0. Al salir dicha zona del área de incidencia del láser, esta se enfría Estado de cristalización Permanente Proceso de detección : 1. Láser de menor potencia incide sobre la superficie. 2. Onda reflejada varía su polarización en función del bit a registrar

3.Procesado de Audio Digital El amplificador:Ejemplo
Necesidad de amplificar la señal: Grabación y Tratamiento Amplificador con Realimentación (FeedBack) ¿Por qué? 1. Amplia el Ancho de Banda (1+bA)Bw 2. Reduce distorsión y ruido 3. Modificación Favorable de Impedancias: Salida dividida por 1+bA, entrada multiplicada por 1+bA

Por contra, la ganancia se reduce en un factor (1+bA) En algunos casos, Aproximación del A.Ideal - Ancho de banda infinito - Ganancia fijada por el circuito externo En el procesado de audio, el ancho de banda es importante, aproximación no siempre adecuada.

Ejemplo de Amplificador : uA741 Algunas características: 1. Ganancia (A) = 2. Primer polo (Amplificador de 1 polo) a frecuencia 3.16 Hz.  Con FeedBack se convierte en 502 KHz 3.Resistencia de entrada de 2.6 Mohm  Con FeedBack se convierte en 4.Configuración Push-Pull en Etapa Final

3.Procesado de Audio Digital Regulador de Volumen
Uso de un resistor variable antes de un pre- amplificador RL simboliza el circuito de reproducción (Auriculares) Patilla 3 del amp TBA820 entrada a amplificar Resistor Variable Lineal

Resistor Lineal La resistencia se reparten de forma lineal con el movimiento del resistor (R) V3=( R || 10 Kohm )*Vin/(100-R + … R||10Kohm) Si no se coloca la resistencia de 10KOhm V3=R*Vin/100 ¿Diferencia? 1er caso, regulador más preciso

Derivada de V3/Vin sin 10Kohm  R Derivada de V3/Vin con 10Kohm para R medianos  muy baja Un pequeño aumento de R pequeño aumento de volumen De forma inversa: Para aumentar un poco el volumen  Aumentar bastante R (Rango de R bastante amplio) Para R grande (Sonido Fuerte) derivada muy grande  Para aumentar un poco el volumen Aumentar muy poco R

3.Procesado de Audio Digital Técnicas de Procesado en Tiempo
Aplicadas principalmente con un DSP. Tienen repercusión en el dominio de la Frecuencia Delay, Chorus y Flanger. Chorus y Flanger más complejas pero basadas en el Delay. Se basan en los fenómenos de Reverberación y Eco. Importancia del Efecto Haas.

Delay 1.Se retrasa la señal un número determinado de muestras y se suma con la original. 2.El retraso en muestras debe equivaler a un retardo en tiempo menor de 50ms. 3.Multiples implementaciones : Multi-tap: A la señal se le aplica diferentes retardos por cada línea para finalmente sumarse

Multi-Tap aplicado a una frase Multi-Tap aplicado a un instrumento Delay Ping Pong :

Chorus 1.Trata de recrear un Coro musical. 2. Para simular la imperfección humana  Delay Variable (<30ms) : A la misma señal unas veces se le retrasan m muestras otras veces n, de forma aleatoria.

3. Normalmente Delay Fijo=20ms y Delay Variable comprendido entre 0 y 10ms 4.Delay Variable controlado por un oscilador a baja frecuencia (LFO) que varía entre -1 y 1. Delay Variable = (Limite/2)(1+V(t)) Limite=20ms 5.Varias formas de onda para el delay:

Similares implementaciones al Delay. Ejemplo de Implementación con realimentación Se trata de un filtro IIR  Importante asegurar la estabilidad : Control con el parámetro DEPTH

Flanger 1.Delays variable (<10ms) aplicados a las muestras , similar al Chorus 2.Importante implicación en el dominio de la Frecuencia 3.La señal se suma a una versión retrasada de forma aleatoria (Cada vez un número de muestras) 4. Para un delay concreto, se atenúan ciertas componentes frecuenciales.

Comb Filter Frecuencias anuladas: Notches K:Delay Variable, En un determinado tiempo es constante Alfa: Parámetro Depth Se anula si wK es múltiplo impar de pi alfa es 1 Módulo del Filtro: Efecto Flanger

3.Procesado de Audio Digital Técnicas de Procesado en Amplitud
Efecto de Trémolo 1.Multiplicación de la señal por una onda periódica Modulación AM Señales sincronizadas. Señal de audio: Tempo=120bpm Ritmo=4x4 Compases/min= 120/4=30 Duración compás=2s 4 periodos en un compás  T=0.5s  f=2Hz En general:

Dos implementaciones del efecto de Trémolo. Izquierda:Trémolo Simple Derecha :Trémolo Doble Efecto sonoro de Trémolo

Compresores de Audio 1.Respuesta normal de un compresor -Sostener notas en el tiempo -Dar más presencia a cierto instrumento -No confundir con regulador de Volumen 2 .Limitadores -Evitar que los sonidos se escuchen con demasiada potencia

Puertas de Ruido (Noise Gates) Objetivo: Filtrar sonidos de muy baja amplitud ,ruido red eléctrica, ruido amplificador,… Respuesta no instantánea: -Attack Time -Hold Time -Release Time

Puertas de Ruido con Histéresis Sistema con Memoria. Aparecen dos umbrales de tensión

3.Procesado de Audio Digital Técnicas de Procesado en Frecuencia
Phaser 1.La señal pasa a través de un filtro paso todo que varía en el tiempo Filtro paso todo Módulo unitario pero argumento variable con w 2.Efecto similar al Flanger. Escuchar 3.Implementación del Filtro paso Todo

Ecualizadores de Audio 1. Bandas del espectro de Audio Bandas del Espectro de Audio

-SubGraves ( f<25Hz) i. Señal de Continua (DC OFFSET) ii. Nota musical más baja 27.5Hz iii. Dificultad de Reproductores de Audio -Graves (25Hz<f<125Hz) i. Instrumentos de percusión -Medios Graves (125Hz<f<400Hz) i. Mayoría de instrumentos y reverberación ii.Voz Humana iii.Calidad Final iv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger -Medios(400Hz<f<2KHz) i. Formación de las vocales

-MediosAgudos(2KHz<f<8KHz) i. Mayor sonoridad ii. Inteligibilidad de la palabra. Consonantes 2.5 y 5 khz -Agudos(8KHz<f<12KHz) i. Sibilancia de las voces -Agudos Superiores(12KHz<f) i. Armónicos de Instrumentos ii.Efecto de Compresores de Audio iii.Dificultades de reproducción por encima de 18Khz iv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger

2. Tipos de Ecualizadores de Audio Filtros muy selectivos  Q muy grande Atenuar o enfatizar una frecuencia concreta lo mejor posible Filtro Shelving de Agudos

Ecualizadores Paramétricos: Permiten variar Q, la frecuencia central, y la ganancia Filtros de Campana(Bell)

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