percepção auditiva
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Percepção Auditiva . Princípios de Televisão Digital Mackenzie 4 / 2008 Guido Stolfi. Som na TV Analógica. Modulação FM Sub-portadora 4,5 MHz Desvio +/- 25 kHz Bw = 13 kHz S/R 70 dB. Sistema Estereofônico BTSC ( Broadcast Television Systems Commitee ). Espectro Banda Base BTSC. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Percepção Auditiva
Princípios de Televisão DigitalMackenzie4 / 2008
Guido Stolfi
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Som na TV Analógica
• Modulação FM• Sub-portadora 4,5 MHz• Desvio +/- 25 kHz• Bw = 13 kHz• S/R 70 dB
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Sistema Estereofônico BTSC (Broadcast Television Systems Commitee)
L
R
L+R
L-R
p/ moduladorF.M.
Compressor
31.468 kHz 15.374 kHz
PilôtoDSB(DBX)
13.5 kHz
Pré-ênfase
75 us
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Espectro Banda Base BTSC
L+R L-R
fh 2fh
SAP (FM)
~5 fh68.67~88.67 kHz15.734 kHz 31.47 kHz
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Requisitos de Qualidade de Áudio para TV Digital
• “Qualidade CD”– 2 canais de áudio (som estereofônico)– resposta em freqüência de 20 a
20.000 Hz– relação Sinal/Ruído de 90 dB
• 2 x 44.1 kHz x 16 bits = 1.41 Mbits / s
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Requisitos de Qualidade de Áudio para TV Digital
• “Qualidade Cinema”– 5 canais de áudio de 20 a 20.000 Hz – Direito, Esquerdo, Central, Traseiro Direito e
Traseiro Esquerdo– 1 canal efeitos sonoros de 3 a 150 Hz ("Sub-
Woofer", omnidirecional)– Faixa dinâmica de 90 dB
• 5.1 x 48 kHz x 16 bits = 3.9 Mbits / s
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Percepção Auditiva
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Estrutura do Ouvido Humano
cóclea
nervo
martelo bigorna canais semicircularesjanela oval
estribotímpanojanela circular
auditivatrompa
orelha
canal auditivo
osso da têmpora
lóbulo temporal
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Representação Esquemática do Ouvido
15k 1k 60Hz2504k
~2,2 cm
~3 cm
Membrana Basilar
Janelas
canalcóclea
nervos
Órgãos de Corti
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Resposta em Freqüência do Canal Auditivo
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Estrutura da Cóclea
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A Cóclea Distendida
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Secção da Cóclea
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Secção da Cóclea
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Detalhe dos Órgãos de Corti
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Células de Corti
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Células de Corti
Internas Externas
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Atuação das Células Ciliares
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Alguns Números:
• 3.500 Células Ciliares Internas• 12.000 Células Ciliares Externas• 30.000 Fibras Nervosas Aferentes:
– 90~95% provenientes das Células Internas
• Fibras Nervosas Eferentes:– Destinadas às Células Externas
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Seletividade da Membrana Basilar
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Seletividade das Células de Corti
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Funções das Células Ciliares
• Células Ciliares Internas: – Sensores– Faixa dinâmica: ~ 20 a 60 dB
• Células Ciliares Externas:– Atuadores– Responsáveis pela extensão da faixa dinâmica
para até 120 dB– Responsáveis pelo aumento de seletividade
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Bandas Críticas da Audição Humana
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Limiar de Percepção de Freqüências
Banda Crítica
DiferençaApenas
perceptível
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Resposta Temporal das Bandas Críticas
5 ms/div
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Determinação da Largura das bandas Críticas
P=cte.
1 2 3 4 5 6
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Determinação da Largura das bandas Críticas
Largura de Banda
Niv
el S
onor
o
Bc
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Percepção de Direção (Azimute)
Baixas Freqüências:Diferença de Fase
(tempo de Percurso)
Altas Freqüências:Diferença de Intensidade
(difração)
t1
t2
a1a2
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Percepção de Ambiente: Reflexões Múltiplas
Som direto
Primeiroeco
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Percepção de Direção (Elevação)
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Um Diagrama de Blocos da Audição
Canalauditivo
Córtexauditivo
Núcleosnervosos
Membranabasilar
Células De Corti
E
D
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Pressão Sonora: Unidade de Medida
Pressão Sonora dbSPL onde Pa 20 20log ( )pp
po
o
• Limiar de Audibilidade: 20 Pa rms = 2x10-5 N/m2 @ 1 kHz (1 pw/ m2)
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Nível Sonoro: Unidade de Medida
• Volume Sonoro = grandeza subjetiva associada à percepção sensorial da intensidade de um som
• 1 Phon = 1 dB SPL @ 1 kHz
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Situações Sonoras
dB SPL dB SPLFoguete 195 Conversação 65Avião a jato 155 Restaurante 60Limiar de dor 140 Residência urbana 40Limiar de desconforto
120 = 1 W/m2 Casa de campo 30
Orquestra fortíssimo
110 Orquestra pianíssimo
30Rebitadeira 100 Estúdio de
gravação20
Fábrica 78 Folhagens na brisa 10Tráfego pesado 68 Limiar de audição 0 = 1pW/m2Escritório ruidoso 65 Ruído térmico do
ar-10 dB
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Curvas de Igual Volume Sonoro (tons senoidais)
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Faixa Dinâmica para Música e Voz
músicafala
pressão sonora
(d/cm2)
dB
frequência
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Mascaramento para Tom Senoidal
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Resposta da Membrana Basilar para 2 Tons
JanelaOval
15 kHz f2 f 1 60Hz
f2
f2 f 1
(a)
(b)
(c)
f 1
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Mascaramento para Ruído de Banda Estreita
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Curvas de Mascaramento (ex.)
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Evidências de Distorção Aural
10 dB
20 dB
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A Voz Humana e o Vocoder
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A Voz Humana
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Características Espectrais da Voz
t
f
Fundamental:100-150 Hz (M)200-300 Hz (F)
Formantes:250-800 Hz (1)800-2300 Hz (2)2200-3000 Hz (3)
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Características das Formantes Espectrais
“a” “i” “u”
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Guido Stolfi 46/65
Espectrograma (Tempo / Freqüência) da Voz
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Guido Stolfi 47/65
Inteligibilidade da Fala
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Guido Stolfi 48/65
Síntese de Voz (Vocoder)
freqüência
ganho
ruído
formantesvogais
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Exemplo de Compressão: 1 Minuto de Áudio
• PCM 16 bits, 44.1 kHz, estéreo:– 85 Mbits
• MPEG-1 Nível 3 (MP3) a 128 kb/s:– 8 Mbits
• LPC (Linear Predictive Coding - voz):– 400 kbits
• MIDI (Musical Instruments Digital Interface):– 250 kbits típico
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Modelamento de Sistemas Dinâmicos
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Guido Stolfi 51/65
Modelamento de Sistemas Dinâmicos
• Modelo Elétrico de um Sistema Mecânico
– Corrente Velocidade– Voltagem Fôrça– Carga Deslocamento– Resistência Atrito Viscoso– Indutância Massa– Capacitância Compliância (Elasticidade-1)
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Guido Stolfi 52/65
Analogias Dinâmicas
• Indutância
• Capacitância
• Resistência
• Massa
• Compliância
• Viscosidade
dtdiLe
dtdvMf
dtiCC
qv 1 dtv
CCxf
MM
1
iRe vRf M
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Modelo de um Alto-Falante
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Guido Stolfi 54/65
Questões Polêmicas
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Guido Stolfi 55/65
É Necessário Amostrar em 96 kHz?
fa = 44.1 kHz
fa = 96 kHz
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Guido Stolfi 56/65
Vantagens da Amostragem em 96 kHz
44.1 kHz20 kHz 24.1 kHz
f
96 kHz20 kHz
76 kHz
f
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Questões Polêmicas – Audibilidade de Fase
PressãoSonora
ImpulsosNervosos
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Guido Stolfi 58/65
Determinação de Direção pela Defasagem
D
E
D
E
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Guido Stolfi 59/65
Fase Relativa de Harmônicas
100 Hz
100 Hz
200 Hz(+)
200 Hz
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Guido Stolfi 60/65
Fase Relativa de Harmônicas
100 Hz
100 Hz
200 Hz(-)
200 Hz
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Experimento: Audibilidade de Fase
0O @ 10 Hz
2000O @ 10 kHz
0O 10-20kHz
A
B
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Guido Stolfi 62/65
Condições de Audibilidade de Fase
100 Hz
200 Hz(+/-)
2a. har-mônica
aural
200 Hzresultante
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Guido Stolfi 63/65
Experimento: Audibilidade Ultrassônica
0-20 kHz
20-50 kHz A
B
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Guido Stolfi 64/65
Condições de Audibilidade Ultrassônica
22 kHz
24 kHz
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Guido Stolfi 65/65
Audibilidade Ultrassônica: Distorção Aural
22 kHz+
24 kHz
Apósdistorção
aural
2 kHz audível