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Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1
Processamento de sinais de áudio
Tipos, funcionamento e uso
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Processamento de Sinais de Áudio
Processamento: manipulação feita em um sinal para • melhorar a qualidade do sinal em algum aspecto• criar efeitos especiais• extrair informações
Tecnologia do processamento• digital (muito mais usado atualmente)• analógico
Dimensão do processamento• um sinal: intensidade, espectro, tempo ou múltipla• um ou mais sinais: mistura (mixagem), síntese, etc.
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Processadores de sinais
Alteração na dinâmica (amplificação/atenuação)• compressores, limitadores & noise gates• modelador de envoltória
Mudança no espectro• Filtros & equalizadores (shelf, gráfico, paramétrico, ...)
Efeitos de atraso de tempo• delayers & reverberadores
Mudança no tempo/altura• Flanger, phasing, chorus• Process. psicoacústico (pitch shifter, vocoder, etc.)
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Alteração na dinâmica
AmplificadoresModeladores de envoltória
LimitadoresNoise-gates
CompressoresExpansores
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Amplificação/Atenuação• Operação de aumento/diminuição (ênfase/de-ênfase) do volume do
sinal realizada pelo amplificador• cada ponto é “somado/subraído” pelo ganho do amplificador (em
dB)• é o processamento mais básico
Amplificação/Atenuação
+ 10dB
tempo
dB2010
0-10 tempo
dB
2010
0-10
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Modelagem de envoltória
Modelagem de envoltória (envelope shaping)• operação mais sofisticada onde a amplificação é
variável no tempo conforme uma envoltória• pode ser aplicado a um único objeto musical ou a toda
uma passagem
× tempo
dB2010
0-10
=
tempo
dB2010
0-10
tempo
dB2010
0-10
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Compressão
Compressão• Amplificação cujo ganho é controlado pelo próprio sinal
de entrada: diminui fortes e aumenta fracos, “compactando” o sinal
tempo
dB2010
0-10 tempo
dB
2010
0-10
Compr.
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Compressão
Uso• melhorar a relação sinal-ruído na transmissão e
armazenagem evitando distorção/clipping• manter nível do sinal mais constante
– ex. compensar as variações da voz do cantor no palco devido à posição do microfone
• dar mais sustentação ao som– ex. guitarra solo
tempo
dB
2010
0-10
tempo
dB
2010
0-10
clipping
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Parâmetros principais• taxa de compressão: razão entrada-saída (E:s)• tempo de ataque: quão rápida a compressão passa a
atuar uma vez ultrapassado um certo limiar• tempo de decaimento: quão rápida a compressão
cessa depois de que o sinal volta a ficar abaixo de um certo limiar
Algoritmo geral• para toda amostra de entrada i• o := f(i), onde é a função de transferência• retorne o
segundo a função de transferência• pode-se simular o limitador, descompressor, etc.
Compressor
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Funçõesde transferência
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Redução de ruído (noise gate)
Funciona como uma chave (gatilho) para eliminar ruído
• assim que o sinal de áudio cai abaixo do limiar de detecção, elimina o sinal e o ruído que iria ser ouvido
• é uma espécie de limitador ao contrário
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Redução de ruído
Uso• minimizar hiss de fitas e outros ruídos• “limpar” ou “compactar” o sons percussivos
Parâmetros principais• Limiar de detecção de sinal (dB), tempo de ataque e
de decaimento
Algoritmopara toda amostra de entrada ise |valor(i)| < limiar L
então o := 0 senão o := valor (i)
retorne oFunção de transferência
entrada
saíd
a
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Exercícios
http://www.cin.ufpe.br/~musica/cmps/exemplos-wave/
1. Excluir ruido de welcome+noise.wav
2. Mixar noise.wav com welcome-12db.wav de forma minimizar o ruído1. Normalizar (amplificar) a voz2. Mixar com ruído (sem mexer na potência)3. Reduzir tudo4. Processar mais (eventualmente)5. Ouvir
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Alteração no espectro
Filtros: conceitos, caracterização e tiposEqualizadores: tipos e usoImplementação de filtros
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Filtros
Definição (corriqueira)
• dispositivos que amplificam ou atenuam regiões do
espectro sonoro
Mede-se o efeito de um filtro nos domínios da freqüência, do tempo e da fase
Antes da filtragem Depois da filtragem
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Conceitos: freq. de corte e bandas
Freqüência de corte (fc)• ponto onde a redução atinge 0,707 (-3dB) do valor
máximo
Bandas• de passagem (sem atenuação), de transição e de
rejeição (atenuação total)
freq.
ampl.
1
0
passa atenua
fc freq.
ampl.
1
0fc
rejeição transição passagem
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Conceitos: inclinação (slope)
Curva de amplificação ou atenuação de um determinado Filtro (db/oitava)
-12-9-6
-3036
912
62,5 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000
Hz
dB
-12-9-6
-3036
912
62,5 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000
Hz
dB
3db/8
6db/8
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Conceitos: Pico e Vale Pico
• Valor máximo positivo (maior tensão ou pressão sonora) encontrado na forma de onda ou na resposta em freqüência
Vale• inverso do pico
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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ampl.
1
0
freqüênciacentral
largura
ganh
o
Conceitos: freq. central, Q e ganho
Freqüência central• ponto máximo (pico) ou mínimo (vale) de um filtro
passa ou rejeita banda
Largura de banda Q• Q = fcentral / fcalta - fcbaixa
as fc estão a -3dB de fcentral
• quanto maior Q, mais estreito a largura do filtro
Ganho• quantidade de atenuação
ou amplificação
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Tipos de filtros
Passa-baixas
Passa-altas
Passa-banda
Rejeita-banda
Shelf`
Passa tudo
Pente
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Filtro Passa Baixas (Low Pass)
Atuação• permite a passagem de componentes espectrais
abaixo de uma freqüência de corte, e atenua as acima dela.
• O mesmo que Filtro Corta-altas (High cut)
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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Filtro Passa Altas (High Pass)
Atuação• permite a passagem de componentes espectrais
acima de uma freqüência de corte, e atenua as abaixo dela.
• O mesmo que Corta-Baixas (Low cut)
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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Filtro Passa Banda ou Passa Faixa (Band Pass)
Atuação• permite a passagem de componentes espectrais de
uma determinada faixa (banda) de freqüências, e atenua (rejeita) as que ficam acima ou abaixo dela
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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Filtro Rejeita Banda ou Rejeita Faixa(Notch Filter)
Atuação• rejeita os componentes espectrais de uma
determinada faixa (banda) de freqüências, e deixa passar as que ficam acima ou abaixo dela
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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Filtro Passa Tudo (all pass)
Atuação• Não provoca nenhuma rejeição das componentes
espectrais, • o intuito é provocar desvio de fase proporcional a
freqüência da componente espectral
-9
-6
-3
0
3
6
9
20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000
Hz
dB
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Equalização
Equalizadores• utilização de filtros para modificar a resposta em
freqüência de um sinal de áudio
Tipos de Equalização• Controle de Graves e Agudos• Gráfica• Paramétrica
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Controle de Graves e Agudos
Tipo mais simples de equalização• Filtros do tipo Shelf• Valores típicos
15 dB a 100 Hz 15 dB a 10 KHz
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
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-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
Hz
dB
Equalização Gráfica Atuação:
• Filtros passa/rejeita faixa com ganho variável, freqüência central e largura fixas
• Amplifica ou atenua freqüências predeterminadas através de potenciometros deslizantes, colocados lado a lado verticalmente, dividindo o espectro em várias bandas (5 a 31)
• A posição espacial dos potenciometros indica graficamente a resposta de freqüência resultante
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Equalização Paramétrica
Atuação• Filtros passa/rejeita faixa com ganho,
freqüência central e largura variáveis• muito versátil porém menos intuitivo
freq.
ampl.
10
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Uso da equalização
• Melhorar a qualidade sonora de um instrumento– ex. corte em torno de 250 Hz melhora claridade de um
violão• Produzir efeitos especias
– ex. dar som de telefone à voz• Ressaltar um instrumento mascarado por outros• Compensar deficiências na resposta em freqüência
– ex. microfones com resposta não plana• Compensar posicionamento de microfones
– ex. efeito de proximidade• Reduzir ruído e vazamento
– ex. rejeitando na faixa fora daquela do instrumento• Compensar não-linearidade da percepção sonora
– ex. controle de audibilidade (loudness)• etc.
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Exercícios
http://www.cin.ufpe.br/~musica/cmps/exemplos-wave/
3. Separar as senoides do arquivo 4-senoides.wav
4. Melhorar resultado do noise-gate do exercício 1 (arquivo welcome+noise+gate.wav)• Dica: filtrar
5. Deixar só a voz de joao.wav