TRATAMIENTO DEL AUDIO DIGITAL: GRABACIÓN Y PROCESADO
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Gabriel Ramos LlordénIngeniería de Ondas I
15 de Septiembre de 2009
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1.Introducción: Naturaleza del Sonido y Percepción del Oyente
2.Grabación Digital1.Antecedentes a la Grabación Digital2.Grabación Óptica3.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
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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)
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Suposición de la propagación de sonido como proceso adiabático, entonces:
Cp: Calor específico a Presión ConstanteCv: 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).
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Se llega a :
Notación:P’= Incremento de presión, rho’=incremento de densidadC 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 :
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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.
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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
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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.
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Explicación de porque esa distinción Efecto Haas
Ejemplo de Reverberación
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Necesidad de definir medidas para calificar un Sonido.
1er Intento: Nivel de Presión Sonora20log(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
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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
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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.
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Grabación electromecánica:3 dispositivos en orden cronológico: 1.Fonoautógrafo (Primera grabación de la
historia . Canción Popular Francesa 2.Fonógrafo (Capaz de Reproducir) 3.Gramófono
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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”
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Buena respuesta en Frecuencia
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Método de Grabación ampliamente usadoNecesidad de discretizar la señal y de
codificarla Elegir adecuadamente Frecuencia de
Muestreo Estándar Cd-Audio 44KhzReproducción sin pérdida de calidadAspectos Relacionados con la codificación:
1.Muestras codificadas con 16 bits(PCM)
2.Código de Errores: Reed Solomon
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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 1Acción contraria a la anterior Bit 0Acción igual a la anteriorProblema: 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.
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-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
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Para determinar que bit se registro Necesario mirar estado anterior y el actual
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Combina el efecto del láser con el magnetismoSoporte 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
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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
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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
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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.
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Ejemplo de Amplificador : uA741 Algunas características:
1. Ganancia (A) = 317544 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
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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
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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
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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
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Aplicadas principalmente con un DSP. Tienen repercusión en el dominio de la
FrecuenciaDelay, 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.
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Delay1.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
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Multi-Tap aplicado a una frase
Multi-Tap aplicado a un instrumento
Delay Ping Pong :
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Chorus1.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.
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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=20ms5.Varias formas de onda para el delay:
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Similares implementaciones al Delay. Ejemplo de Implementación con
realimentación
Se trata de un filtro IIR Importante asegurar la estabilidad : Control con el parámetro DEPTH
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Flanger1.Delays variable (<10ms) aplicados a las muestras , similar al Chorus2.Importante implicación en el dominio de la Frecuencia3.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.
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Comb Filter Frecuencias anuladas: Notches
K:Delay Variable, En un determinado tiempo es constanteAlfa: Parámetro Depth
Módulo del Filtro: Se anula si i.wK es múltiplo impar de piii.alfa es 1
Efecto Flanger
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Efecto de Trémolo 1.Multiplicación de la señal por una onda
periódica Modulación AMSeñales sincronizadas.Señal de audio:Tempo=120bpm Ritmo=4x4Compases/min= 120/4=30Duración compás=2s4 periodos en un compás T=0.5s f=2Hz
En general:
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Dos implementaciones del efecto de Trémolo. Izquierda:Trémolo SimpleDerecha :Trémolo Doble
Efecto sonoro de Trémolo
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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
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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
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Puertas de Ruido con HistéresisSistema con Memoria.
Aparecen dos umbrales de tensión
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Phaser1.La señal pasa a través de un filtro paso
todo que varía en el tiempo Filtro paso todo Módulo unitario pero
argumento variable con w2.Efecto similar al Flanger. Escuchar 3.Implementación del Filtro paso Todo
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Ecualizadores de Audio 1. Bandas del espectro de Audio
Bandas del Espectro de Audio
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-SubGraves ( f<25Hz)i. Señal de Continua (DC OFFSET)ii. Nota musical más baja 27.5Hziii. Dificultad de Reproductores de Audio
-Graves (25Hz<f<125Hz)i. Instrumentos de percusión
-Medios Graves (125Hz<f<400Hz)i. Mayoría de instrumentos y reverberaciónii.Voz Humanaiii.Calidad Finaliv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger
-Medios(400Hz<f<2KHz)i. Formación de las vocales
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-MediosAgudos(2KHz<f<8KHz)i. Mayor sonoridadii. 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 Instrumentosii.Efecto de Compresores de Audioiii.Dificultades de reproducción por encima de 18Khziv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger
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2. Tipos de Ecualizadores de AudioFiltros muy selectivos Q muy grande Atenuar o enfatizar una frecuencia concreta
lo mejor posible
Filtro Shelving de Agudos
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Ecualizadores Paramétricos:Permiten variar Q, la frecuencia central, y la
gananciaFiltros de Campana(Bell)