TEMA 1. Introducción al audio

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1 TEMA 1. Introducción al audio
Introducción. Principios de acústica Audio Digital.

2 ¿Qué es el sonido? 1 . Introducción
Una variación de presión que se propaga periódicamente. Lo que se propaga no son la partículas sino la variación de presión Lo hace a una velocidad 330m/s (en el aire a 0º) Esta variación de presión debe oscilar periódicamente. Para que se perciba por el oído humano, la frecuencia de oscilación debe estar entre 20 y Hz.

3 ¿Qué es el sonido? 1 . Introducción EMISOR MEDIO DE TRANSMISIÓN
Lo que las personas entendemos por sonido es el fruto de una interacción entre varios elementos: un objeto vibrante, un medio de transmisión (que suele ser el aire que nos rodea), un medio receptor que es el oído y el cerebro. Los objetos pueden entrar en vibración por diferentes causas: Golpe de percusión Frotamiento o excitación periódica sostenida. Guitarra La vibración de los conos de un altavoz producida por una señal eléctrica. EMISOR MEDIO DE TRANSMISIÓN RECEPTOR

4 Propiedades 1 . Introducción
Para describir un sonido se utilizan tres términos fundamentales frecuencia , timbre e intensidad. Todo sonido tiene una duración y a lo largo de este, cualquiera de los tres parámetros pueden variar. La sensación de altura se vincula tradicionalmente a la frecuencia o periodo de la fundamental. No todos los sonidos tienen una altura definida. La intensidad, al flujo de energía o amplitud de la presión de oscilación de la onda. Envolvente. El timbre, al espectro o proporción de intensidades de los armónicos. Es el color o la textura del sonido. La reverberación indica el espacio donde esta el sonido.

5 Frecuencia y altura 1 . Introducción
Es lo que caracteriza a un sonido como grave (frecuencias bajas) y agudo (frecuencias altas) La altura es una magnitud psicoacústica relacionada con la frecuencia (que es una magnitud física). Lo que hace que un sonido posea una altura clara es su perioricidad. La medida de la frecuencia es el Hz que indica el número de veces por segundo que se repite un determinado fenómeno.

6 Frecuencia y altura 1 . Introducción
Representación gráfica de un sonido puro de 4Hz por segundo

7 1 . Introducción Frecuencia y altura Los infrasonidos son sonidos cuya altura está por debajo de los 20 Hz, sino son puros se oyen los armónicos. Los ultrasonidos son sonidos por encima de los Hz.

8 Frecuencia y altura 1 . Introducción Ejemplos sin altura definida
Fritura Torrente Sonido puro y complejo Sonido de altura constante o variable

9 La octava y las notas 1 . Introducción
La altura está directamente relacionada con la frecuencia de la oscilación. Si escuchamos dos sonidos cuyas frecuencias guardan relación 2:1, nos sonarán muy cercanos, entre los dos dista una octava. En la música occidental la octava se divide en doce alturas o semitonos. Es lo que denominamos una escala. Do Re Mi Fa Sol La Si C D E F G A B

10 La octava y las notas 1 . Introducción
El la central del piano tiene una frecuencia de 440Hz que se toma como frecuencia de referencia de afinación de los instrumentos musicales. Cada semitono [i-ésimo semitono] , medido desde la frecuencia de referencia Fref, será de la siguiente foma [i-ésimo semitono] = Fref×2**i/12 Para el Do , i=3. Así la frecuencia del Do será: [frecuencia del Do] = 440×2**3/12 = [Hz]

11 1 . Introducción Timbre El timbre es lo que ayuda a caracterizar y distinguir diferentes tipos de instrumentos, o a reconocer a las personas por su voz. La frecuencia de vibración más grave o baja es la que determina normalmente la altura y se denomina frecuencia fundamental, las restantes frecuencias que suelen ser múltiplos de la frecuencia fundamental se denominan armónicos. Lo que diferencia un DO de una flauta de uno de un violín es el timbre, el número de armónicos.

12 Ondas sinusoidales y armónicos
1 . Introducción Ondas sinusoidales y armónicos El sonido mas simple es la onda sinusoidal El teorema de Fourier demuestra que cualquier onda sonora periódica se puede entender como suma de ondas sinusoidales de frecuencias diferentes, pero múltiplos de la fundamental, armónicos. Los sonidos naturales no son nunca estacionarios, su forma varía en el tiempo, la amplitud de sus armónicos varía también. Esta variación de los armónicos en el tiempo, se denomina espectro de un sonido. A partir del espectograma podemos deducir muchas cosas del sonido.

13 1 . Introducción

14 1 . Introducción Análisis del espectro

15 Intensidad 1 . Introducción
La intensidad depende del cuadrado de la amplitud de estas oscilaciones, o de la diferencia entre las presiones máxima y mínima que la onda puede alcanzar. Las intensidades de diferentes sonidos pueden variar en varios millones de órdenes de magnitud. La mínima detectable por el oído humano es de W/m2 y la máxima de 105 W/m2. Por ello la intensidad se mide en escala logarítmica, los decibelios (dB) serán: Nivel de intensidad en decibelios=10 X log en base 10 (Intensidad/Intensidad de referencia).

16 1.- Introducción

17 Intensidad 1 . Introducción
Cuando sumamos dos sonidos iguales, la intensidad aumenta en 3dB. 10*log(2I/I)=10*log2=3db Cuando duplicamos la distancia de la fuente, la intensidad disminuye en 6db. La intensidad es una medida física, pero para nuestro oído, la sensación de intensidad, varía en función de la frecuencia (es decir dos sonidos igual de intensos, tal vez no nos lo parezca). La zona de mayor sonoridad esta entre los 2KHz y los 4KHz.

18 1 . Introducción Intensidad

19 Grabación de sonido 2 . Audio Digital
El micrófono convierte la variación de la presión de aire ejercida sobre una membrana en una señal de voltaje variable en el tiempo. La variación de este voltaje se puede grabar analógicamente utilizando diferentes tecnologías, sobre una cinta magnética o sobre un disco de vinilo.

20 2 . Audio Digital Grabación de sonido

21 Calidad del sonido analógico
2 . Audio Digital Calidad del sonido analógico Al contrario de lo que opina la mayoría de la gente, una grabación analógica no tiene por que sonar peor que una digital (en condiciones óptimas suena mucho mejor que una digital). Sus inconvenientes radican en que la señal analógica se degrada mucho más rápidamente (las cintas magnéticas se desmagnetizan y los surcos de vinilo se desgastan), y en cada nueva generación se produce una pequeña, pero inevitable pérdida, de forma que, a cada nueva copia, la señal se parece cada vez menos a la original. Es por ello que el sonido digital ha sustituido al analógico, además de que este último aporta un sinfín de nuevas y excitantes posibilidades en la manipulación, creación y experimentación sonoras.

22 Audio Digital 2 . Audio Digital
El principio principal del audio digital consiste en discretizar señales continuas (como las emitidas por un micrófono) para convertirlas en secuencias de números. La discretización de señales se realiza en dos niveles: el temporal y el de amplitud.

23 Esquema de discretización
2 .Audio Digital Esquema de discretización

24 Muestreo en frecuencias
2 . Audio Digital Muestreo en frecuencias La palabra muestreo equivale a la palabra en inglés sampling, y se utiliza para indicar la acción de tomar muestras a intervalos de tiempo regulares. Para digitalizar un sonido es necesario muestrearlo, pero ¿con que frecuencia?

25 Teorema de Nyquist 2 .Audio Digital
Para muestrear correctamente una señal de XHz., se requiere como mínimo una frecuencia de muestreo de 2X Hz. Cualquier señal digitalizada solo puede representar correctamente frecuencias inferiores a la mitad de la frecuencia de muestreo. Esta frecuencia mitad se denomina frecuencia de Nyquist. El oído humano es capaz de detectar frecuencias de hasta Hz., por lo que para muestrear correctamente cualquier sonido se necesitará una frecuencia de muestreo superior o igual a Hz. ¡De aquí proceden los Hz. empleados en los discos compactos!

26 2 .Audio Digital Teorema de Nyquist

27 Aliasing 2 . Audio Digital El rango de la voz humana entre 400 y 4KHz.
Se puede muestrar a frecuencias inferiores teniendo en cuenta que sólo serán correctas frecuencias a la mitad de la frecuencia de muestreo. ( Hz zona de mayor enegía). El aliasing inventa frecuencias de aprox. La diferencia entre la original y la de muestreo. No todo el hardware permite elegir la frecuencia de muestreo.

28 Cuantificación 2 . Audio Digital
El término resolución de un sonido digital indica el número de bits que se han utilizado para almacenar cada una de las muestras. La resolución determina el número de posibles valores diferentes, o rango, que cada muestra puede tomar. Así, un sonido digitalizado a 8 bits posee 256 niveles posibles, mientras que un sonido a 16 bits presenta posibles niveles.

29 2 . Audio Digital Cuantificación

30 Rango dinámico 2 . Audio Digital
El rango dinámico de una sistema de sonido (expresado en decibelios), depende del cociente entre la máxima y la mínima amplitud que el sistema puede producir En un aparato electrónico, la relación señal/ruido indica la diferencia entre el nivel máximo que el dispositivo puede emitir, y el nivel de ruido existente cuando la señal es silencio (el ruido de fondo). Cuanto mayor sea esta diferencia, más limpio será el sonido del dispositivo Una forma aproximada y rápida de calcular el rango dinámico de un sistema digital es mediante la fórmula: número de bits*6 La resolución en bits de un sonido digital incide directamente en el rango dinámico y en el ruido de fondo Cuántos más bits utilicemos, más nítido y con menos ruido se percibirá el sonido

31 2 . Audio Digital Valores típicos

32 2 . Audio Digital Grabación digital

33 ¿Cuánto ocupa un segundo de sonido digital de 16 bits y 44.100 Hz?
2 . Audio Digital. ¿Cuánto ocupa un segundo de sonido digital de 16 bits y Hz? En un sonido de 16 bits, cada muestra ocupa dos bytes (un byte son ocho bits), y si la frecuencia de muestreo es de Hz, significa que cada segundo requiere muestras Si el sonido es estéreo, utiliza dos canales, por lo que estas necesidades se ven duplicadas 2 bytes/muestra * muestras/segundo * 2 (canales) = bytes/segundo ó 172,2 Kb/s Realizando una multiplicación más, se observa que un minuto de sonido digital estéreo de calidad CD (16 bits y Hz) ocupa un valor muy cercano a los 10 Mb

34 Extensión Plataforma - aplicaciones
2 . Audio Digital Algunos Formatos de fichero Extensión Plataforma - aplicaciones AU Next/Sun Internet AIFF Macintosh Multimedia IFF Amiga WAV PC

35 Compresión de audio 2 . Audio Digital
Al igual que ocurre con la imagen, existen técnicas sin pérdida y técnicas con pérdida Un factor importante en los sistemas de compresión de audio es que interesa que sean capaces de comprimir y descomprimir en tiempo real.

36 2 . Audio Digital MP3 El formato mp3 utiliza algoritmos sofisticados inspirados en la psicoacústica y que tienen en cuenta la forma con la que los humanos percibimos ( o mejor dicho no percibimos ) determinados sonidos. Con este método descubierto a mediados de los 80 en el Instituto Fraunhofer, se logran espectaculares compresiones del orden del 90%, y se consigue que un fragmento musical comprimido ocupe una décima parte de su tamaño original, con una perdida de calidad casi imperceptible. Para conseguir esta reducción, el mp3, se basa en el fenómeno de enmascaramiento, de forma que ciertos sonidos dejan de percibirse enmascarados por otros .

37 BIBLIOGRAFÍA APARTADOS 1 Y 2
Sergi Jordá Puig. Audio digital y midi. Anaya 1997. J. Watkinson. "Audio Digital". Ed. Paraninfo, 1996