Università degli Studi di Siena
Corso di formazione in
“Utilizzo di strumentazioni Audio-Video”
Il Suono
Docente:
Dott. Ing. Gambini Simone
[email protected]
IL Suono:
Il suono viene
prodotto dalle
vibrazioni di
un corpo
elastico
Fenomeno fisico di carattere ondulatorio che stimola
il senso dell’udito
Questo messo in vibrazione, crea
le onde sonore:
una serie di compressioni e
rarefazioni delle molecole
dell'aria
Le onde sonore propagandosi, arrivano al padiglione
auricolare il quale le converge tramite il condotto
uditivo sul timpano, questo entra in vibrazione e
trasmette tramite staffa, incudine e martelletto i dati
alla coclea che trasforma le vibrazioni in impulsi
celebrali.
Dipendenza tra cosa percepisce il sistema uditivo
(caratteristiche percettive) e caratteristiche fisiche
dell’onda acustica
Rappresentazione di un onda sonora nel dominio del tempo
1) Altezza
Frequenza
L’orecchio percepisce differenze
tra suoni acuti e suoni bassi
La frequenza è il numero di vibrazioni prodotte in
un secondo e si misura in Hertz (Hz)
più alta è la frequenza dell'onda e più acuto è il
suono
suoni gravi -decine di Hz
suoni acuti -migliaia di Hz
Il sitema uditivo umano riesce a distinguere suoni
con frequenze che vanno dai 15 ai 20.000Hz
2) Intensità
Ampiezza
L’intensità descrive quanto forte sentiamo
un suono, dipende da quanta pressione
viene esercitata sul timpano
L’ampiezza è il massimo spostamento che le molecole del
mezzo di propagazione compiono al passaggio dell’onda
t
t
Uno strumento matematico che ci permette di
rappresentare qualsiasi segnale periodico nel dominio
della frequenza è la Trasformata di Fourier
queste formule mostrano il passaggio dal
dominio del tempo, x(t) appunto, al dominio
della frequenza X(f), e viceversa. Se partiamo
per esempio da un segnale sonoro, che è
descritto istante per istante da una forma
d'onda che abbia funzione x(t), grazie alla
Trasformata di Fourier possiamo scomporre il
segnale in tutte le sue armoniche ed ottenerne
la cosiddetta "trasformata", ovvero una
funzione X(f) che rappresenta lo stesso segnale
di partenza descritto in un altro modo.
x(t)
X(f)
1
1
t
0
2 Hz
f
1
x(t)
1
t
0
10 Hz
f
Il teorema di fourier dice che
un qualsiasi segnale può essere
visto come combinazione
lineare di infinite armoniche
1
sen(1000t)
f
1K Hz
t
1
sen(500t)
0
t
500 Hz
f
1
sen(1000t)+sen(500t)
0
t
500 Hz
1K Hz
f
x(t)
f
t
Segnale audio nel dominio del tempo
3) Spettro
Timbro
Il timbro è la qualità che ci permette di
distinguere i suoni emessi da sorgenti diverse,
anche se essi hanno la stessa intensità e la
stessa altezza.
Una stessa nota suonata con la stessa
intensità da un pianoforte, un violino e un
diapason, produce una sensazione uditiva
diversa perché, pur avendo frequenza
identica, ha nei tre casi un timbro diverso
Spettro: indica il numero di
frequenze che costituiscono
un segnale
Questa caratteristica dipende dallo spettro di
frequenze di cui è composta l’onda acustica
il la emesso dal diapason, con buona approssimazione, ha frequenza pari a 440 Hz, quello prodotto dal
violino o dal pianoforte ha come componente di frequenza dominante quella fondamentale (di 440 Hz),
ma contiene suoni di frequenze multiple: 880, 1320, 1760Hz.
L'intensità relativa di queste altre componenti determina il timbro della nota.
Il microfono è un dispositivo che permette
di raccogliere i suoni e trasformarli in
segnali elettrici
Questo sfrutta le variazioni di pressione che le oscillazioni delle onde
sonore producono nel mezzo di propagazione, attivando un sistema
opportuno che generi un segnale elettrico.
Microfono a carbone:
capsula metallica riempita di granuli di carbone attraversata da
corrente elettrica,
Microfono piezoelettrico: Sfruttano l’effetto di alcuni cristalli quando vengono sottoposti
a sollecitazioni meccaniche (quali variazioni di pressione)
Microfono elettrodinamico:
Microfono elettrostatico:
A nastro o a bobina mobile.
Ambedue sfruttano le variazioni di campo elettromagnetico
detto a condensatore
Amplificatore
Il segnale audio è per sua natura un segnale
analogico, ovvero un segnale che varia in modo
continuo nel tempo e in ampiezza
Strumenti di
registrazione
?
Come fare a
trasformare un
segnale con
andamento
morbido (analogico)
in uno spigoloso
a scalini (digitale)
Campionamento
T
Ad ogni istante multiplo di un valore fondamentale,
detto passo di campionamento T, costruisco il
rettangolino che approssima la funzione in quel
punto
Ipotizzando che la durata del suono sia di 1 sec. In
questo caso abbiamo suddiviso in 10 intervalli
quindi T=0.1 sec
la FREQUENZA di campionamento è Fc=1/T=10Hz
N.B. Se l'insieme dei rettangolini è
sufficientemente fitto, la funzione di
partenza è ben approssimata
Campionamento nel dominio della frequenza.
-Fmax
Fmax
nel dominio della frequenza a causa del campionamento si ottengono delle
repliche dello spettro in corrispondenza della frequenza di campionamento fc
Teorema di campionamento di Shannon
Se f c< 2Fmax parte delle repliche
sovrasterebbero lo spettro originale rendendo
il segnale corrotto. Tale fenomeno è detto
“Aliasing da sotto-campionamento”
fc > 2Fmax
Quantizzazione
Il valore del segnale analogico nell’istante di
campionamento può assumere infiniti valori
Si suddivide l’ampiezza max che il segnale
può assumere in intervalli finiti
0.1 sec
Meno fitta è la quantizzazione e più il suono è
meno fedele
Supponiamo di quantizzare l'ampiezza con 16
livelli (2 elevato alla 4): dunque essa potrà
assumere solo valori compresi fra 0 e 15.
Sono quindi necessari 4 bit
bit
2 elevato alla
2 elevato alla
2 elevato alla
2 elevato alla
2 elevato alla
4
8
16
32
64
5 in decimale
1010 in binario
Livelli
=
=
=
=
=
16
256
65.536
4.294.967.296
1,8 *10^19
0.1 sec
Lo standard PCM
Il meccanismo di campionamento e quantizzazione costituiscono la conversione di un segnale da
analogico a digitale.
Nelle tracce audio digitali di un CD in ogni secondo vengono prelevati ben 44100 campioni e ogni
campione è quantizzato con 16 bit. Considerando che ho due canali, avrò un bit- rate
complessivo pari a :
44100 * 16 *2 = 1411200 bit/sec = 176400 Bytes/secondo
valore che corrisponde alla velocità di lettura '1x' dei normali lettori CD audio
I formati audio non compressi:
.Wav
.Aiff
.Au
Microsoft
Apple
Sun System
un brano di 5 minuti trattato in questo modo produce un file .Wav di una cinquantina di Megabyte
(10MBytes/minuto) 5*60*176.400 = 10.584.000 (troppi!! Su internet non sono gestibili)
Tecniche di compressione
L'obiettivo è quello di ridurre lo spazio necessario ad immagazzinare determinati dati o la banda
necessaria per trasmetterli
- lossless cioè senza perdita
- lossy prevedono un certo
degrado delle informazioni
codifiche nel dominio della frequenza
MP3, WMA, ATRAC-3 e
AAC , real player
codifiche nel dominio del tempo
- LogPCM o PCM telefonico
consiste nell'applicare una scala logaritmica in fase di campionamento e ricostruzione
del segnale richiede una banda "canonica" di 64Kbit/s (guarda caso la banda di una
canale telefonico ISDN)
- Differential PCM e Adaptive differential PCM
si Trasmette solamente la differenza tra il campione precedente e quello attuale
utilizzato nelle trasmissioni GSM