Suono

Lezione 6: Suono (1)
Informatica e Produzione
Multimediale
Docente:
Umberto Castellani
Sommario
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Introduzione al suono
Rappresentazione del suono
Elaborazione digitale
Introduzione
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Quando un corpo vibra la sua vibrazione si
propaga nell’ambiente circostante sotto
forma di onda di pressione (il suono).
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Il suono è sempre più indispensabile nelle
applicazioni multimediali
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Cinema (sourround), Videogiochi, il WWW, CDmultimediali, Radio, Ambienti immersivi
Suono
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I suoni consistono in vibrazioni che formano un’onda, la cui
ampiezza misura l’altezza dell’onda e il periodo è la distanza tra
due onde.
AMPIEZZA
PERIODO
TEMPO
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(sull’asse X si rappresenta il tempo, sull’asse Y si rappresenta la
variazione della pressione dell’aria)
Caratteristiche del suono
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Frequenza (o altezza)
Ampiezza (o intensità)
Forma d’onda(o Timbro)
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Rappresentazione spettrale del suono
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Frequenza (o altezza)
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La frequenza è il numero
di periodi (o di vibrazioni)
al secondo espressa in
Hertz.
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1Hz = 1 vibrazione al
secondo
1 Kilo Hertz = 1.000
vibrazioni al secondo
Intuitivamente: più il suono
è acuto e maggiore è la
sua frequenza
Applet demo:
http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/
applist/sound/sound.html
Frequenza: esempi
Suono a 100 Hz
Suono a 2000 Hz
Ampiezza (o intensità)
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L’Ampiezza (o
intensità) misura il
volume del suono
Si misura in decibel
(Db), fa riferimento alla
sensibilità dell’udito (da
0 a 140 Db)
Db
Ambiente
140 Soglia del dolore
120 Claxon a 1m.
100 Metropolitana
80 Traffico medio
70 Conversazione a 1 m.
60 Ufficio
40 biblioteca
20 Studio musicale
0 Soglia udibilità
Ampiezza: esempio
Suono a 1000 Hz 10, db in meno
Suono a 1000 Hz, 10 db in più
Forma d’onda
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Rappresenta il timbro del suono
Intuitivamente la forma d’onda è la ‘carta
d’identità’ del suono
sintetizzatore
chitarra
Es: suoni con stessa intesità e stessa frequenza ma con forma d’onda diversa
Analisi spettrale del suono
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La forma d’oda dipende
dalle componenti
frequenziali del suono
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Dall’analisi di fourier è
possibile scomporre il
suono nelle sue
componenti
Analisi spettrale: esempio
Suono a 1000 Hz
Suono composto
Suono a 100 Hz
Rappresentazione del suono
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Per essere ‘inserito’ nel calcolatore il suono
deve essere digitale
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Occorre garantire la riproduzione del suono più
verosimile alla sua versione originale (analogica)
Occorre garantire la possibilità di elaborare il
suono in maniera efficiente
Rappresentazione analogica
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Rappresentazione analogica: la curva
continua nel tempo della variazione di
ampiezza viene rappresentata con una curva
continua nel tempo della variazione di
tensione elettrica.
Si ha una rappresentazione continua
Rappresentazione digitale
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Rappresentazione digitale: non si cerca di
imitare le curve nel continuo ma si
assegnano dei numeri che rappresentano
l’ampiezza in istanti di tempo sucessivi.
Si ha una rappresentazione discreta (che
approssima una curva continua)
Si avvale di una rappresentazione simbolica
(codifica digitale per rappresentare i numeri –
o digit)
Digitale v.s. Analogico
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Pro:
– Il digitale è più robusto al rumore
– E’ più facile elaborare il suono digitale (i.e.,
numeri)
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Contro
– Il digitale introduce una semplificazione del
segnale
– Il digitale occupa tanta memoria
– Problema della traduzione digitaleanalogica
Catena di registrazione analogica
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Il microfono trasduce in segnale elettrico le variazioni
del segnale acustico
L’amplificatore rende più ‘visibile’ il segnale
Il segnale elettrico viene registrato su un supporto
(es. nastro magnetico o disco in vinile)
Il supporto viene conservato o trasmesso
Il lettore del supporto ricompone il segnale elettrico
I diffusori acustici trasducono il segnale elettrico in
acustico
Catena di registrazione digitale
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Analogamente
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Il segnale acustico viene tradotto in segnale
elettrico
Il segnale elettrico viene convertito in segnale
digitale usando un Analogue to Digital converter
(ADC)
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L’ADC preleva i campioni del segnale ad istanti
temporale fissati (sample rate SR) e li memorizza. Ogni
campione viene codificato in numero
Il segnale digitale viene memorizzato o trasmesso
Catena di registrazione digitale
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Il suono digitale viene convertito in analogico
attraverso il Digital to analogue converter (DAC).
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Il Dac genera delle tensioni elettriche che sono
proporzionali ai campioni del segnale digitale in
corrispondenza degli istanti temporali di acquisizione
 Un interpolatore rende il segnale fluido in modo da
togliere l’effetto a gradini del campionamento
Il suono analogico elettrico viene convertito in suono
acustico attraverso i diffusori acustici
Digitalizzazione del suono
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La digitalizzazione del suono
consiste nel passaggio da una
rappresentazione acusticaanalogica ad una rappresentazione
numerica.
Si compone di due fasi:
– Campionamento
– Quantizzazione
011001101
Suono digitale
QUANTIZZAZIONE
Suono analogico
CAMPIONAMENTO
Suono campionato
Campionamento
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Il campionamento è la discretizzazione del segnale
analogico nel tempo.
Si misura il valore dell’onda (ampiezza) in intervalli di
tempo costante.
Maggiore è il numero di misure (campioni) che si
effettuano nell’unità di tempo e maggiore sarà la
precisione della rappresentazione digitale.
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E’ cruciale il numero di campioni al secondo o Sample rate
(SR).
Campionamento (2)
Suono campionato a diverse frequenze di campionamento
Campionamento (3)
Teorema di Nyquist
Quanto posso permettermi di ‘semplificare’ il suono ?
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Teorema di Nyquist: per digitalizzare un segnale (un
suono) che contiene componenti di frequenze fino a
x-hertz, occorre campionare ad un tasso di
campionamento (SR) di almeno 2 x campioni al
secondo.
– Esempio: se il segnale contiene componenti
frequenziali a 10.000 Hz, occorre prelevare
almeno 20.000 campioni per secondo
(SR=20.000)
Campionamento (4)
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Di fatto nella digitalizzazione accade il processo
inverso:
– Si fissa il tasso di campionamento (sulla base
della potenza della macchina – velocità e
memoria)
– Si eliminano dal segnale le frequenze che violano
il teorema di Nyquist (applicando un filtro passa
basso)
Es: se SR=11.000 allora devo eliminare dal segnale tutte le
componenti con frequeza maggiore di 5500 Hz
Esempi
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Poiché la percezione dell’udito dell’essere
umano arriva a max 20.000 herz un SR > di
40.000 è sufficiente per riprodurre il segnale
senza perdita percettiva
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Es: la qualità del suono audio CD è a 44.100 SR
(per ciascun canale stereo)
Riproduzione
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In fase di riproduzione del segnale digitale occorre
convertire i singoli campioni in segnale acustico
– Occorre garantire la velocità di decodifica dei
campioni nell’unità di tempo (es. il dispositivo, per
la qualità audio CD, deve garantire di decodificare
44.100 campioni al secondo)
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La velocità di lettura del supporto deve essere
compatibile (es. floppy, HD, CD-ROM, DVD)
La velocità di trasmissione deve essere compatibile (es.
se il segnale viene trasmesso via Internet)
Quantizzazione
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La quantizzazione consista nel rappresentare ciascun
campione (valore di ampiezza) in un numero binario
Di fatto per ogni campione sono a disposizione un
numero prefissato di bit
La parola binaria (o profondità di bit o risoluzione): è il
numero di valori a disposizione per quantificare
l’ampiezza
Ogni parola individua un intervallo di ampiezza
L’ampiezza misurata dal campionamento cade in un
certo intervallo, si associa al tal campione il suo
intervallo
Quantizzazione: esempio
Segnale quantizzato a diverse profondità di bit
Quantizzazione: valori tipici
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La qualità ‘nastro’ è garantita con poco più di 8 bit per
campione (28 = 256 valori di campionamento distinti)
Nel CD-audio si usano 16 bit per campione (216 =
65.536 valori di campionamento distinti)
nell’industria discografica si arriva a 24 bit
N.b. l’orecchio umano non percepisce più di 216 =
65.536 livelli di quantizzazione distinti (capacità di
dettaglio acustico della percezione umana)
Esempio di quantizzazione
Rappresentazione analogica
Rappresentazione digitale
Dinamica
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Dinamica: è misurata in decibel e rappresenta il
rapporto fra il suono più forte e quello più debole che
una stessa apparecchiatura (o un componente) può
registrare e/o riprodurre.
Molto semplicemente rappresenta la capacità di
graduare in modo nitido l'intensità del suono (nel
contesto complessivo) riproducendo nel giusto
rapporto i picchi di intensità, i suoni di basso livello, e
tutti i suoni la cui intensità è compresa trai due
estremi.
Quantizzazione e dinamica
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ad una maggiore profondità di
bit corrisponde la possibilità
di registrare e/o riprodurre
una maggiore dinamica.
N bit
Db
4
24 db
8
48 db
Es: i brani di musica classica
hanno un alta dinamica,
mentre la musica techno ha
una dinamica molto limitata
12
72 db
16
96 db
Riepilogo casi tipici:
Audacity
Programma free per l’editing audio di base
http://audacity.sourceforge.net/