TRATAMIENTO DEL AUDIO DIGITAL: GRABACI

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TRATAMIENTO DEL AUDIO DIGITALGRABACIÓN Y
PROCESADO

• Gabriel Ramos Llordén
• Ingeniería de Ondas I
• 15 de Septiembre de 2009

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Esquema

• 1.Introducción Naturaleza del Sonido y
  Percepción del Oyente
• 2.Grabación Digital
• 1.Antecedentes a la Grabación Digital
• 2.Grabación Óptica
• 3.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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1.Naturaleza del Sonido

• 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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1.Naturaleza del Sonido

• Suposición de la propagación de sonido como
  proceso adiabático, entonces

Cp Calor específico a Presión Constante Cv
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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1.Naturaleza del Sonido

• Se llega a
• Notación
• P Incremento de presión, rhoincremento de
  densidad
• C 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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1.Naturaleza del Sonido

• 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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1.Naturaleza del Sonido

• 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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Fénomenos Habituales del Sonido Sensaciones
Subjetivas

• 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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Fénomenos Habituales del Sonido Algunas
interpretaciones

• Explicación de porque esa distinción
• ? Efecto Haas

Ejemplo de Reverberación
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Fénomenos Habituales del Sonido Sensaciones
Subjetivas

• Necesidad de definir medidas para calificar un
  Sonido.
• 1er Intento Nivel de Presión Sonora
• 20log(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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Fénomenos Habituales del Sonido Sensaciones
Subjetivas

• 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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Fénomenos Habituales del Sonido Sensaciones
Subjetivas
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2.Grabación DigitalAntecedentes a la
Grabación Digital

• 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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2.Grabación DigitalAntecedentes a la Grabación
Digital

• 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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2.Grabación DigitalAntecedentes a la Grabación
Digital

• 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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2.Grabación DigitalAntecedentes a la Grabación
Digital
Buena respuesta en Frecuencia
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2.Grabación DigitalGrabación Óptica

• Método de Grabación ampliamente usado
• Necesidad de discretizar la señal y de
  codificarla
• Elegir adecuadamente Frecuencia de Muestreo
  ?Estándar Cd-Audio 44Khz
• Reproducción sin pérdida de calidad
• Aspectos Relacionados con la codificación
• 1.Muestras codificadas con 16 bits(PCM)
• 2.Código de Errores Reed Solomon

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2.Grabación DigitalGrabación Óptica

• 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 1?Acción contraria a la anterior
• Bit 0?Acción igual a la anterior
• Problema 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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2.Grabación DigitalGrabación Óptica
-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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2.Grabación DigitalGrabación Óptica

• Para determinar que bit se registro ? Necesario
  mirar estado anterior y el actual

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2.Grabación DigitalGrabación Magneto-Óptica

• Combina el efecto del láser con el magnetismo
• Soporte 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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2.Grabación DigitalGrabación Magneto-Óptica

• 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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3.Procesado de Audio DigitalEl
amplificadorEjemplo

• Necesidad de amplificar la señal Grabación y
  Tratamiento
• Amplificador con Realimentación (FeedBack)
• Por qué?
• 1. Amplia el Ancho de Banda (1bA)Bw
• 2. Reduce distorsión y ruido
• 3. Modificación Favorable de Impedancias
• Salida dividida por 1bA, entrada
  multiplicada por 1bA

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3.Procesado de Audio DigitalEl
amplificadorEjemplo

• Por contra, la ganancia se reduce en un factor
  (1bA)
• 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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3.Procesado de Audio DigitalEl
amplificadorEjemplo

• 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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3.Procesado de Audio DigitalRegulador de Volumen

• 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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3.Procesado de Audio DigitalRegulador de Volumen

• Resistor Lineal? La resistencia se reparten de
  forma lineal con el movimiento del resistor (R)

V3( R 10 Kohm )Vin/(100-R R10Kohm)
Si no se coloca la resistencia de
10KOhm V3RVin/100 Diferencia? 1er caso,
regulador más preciso
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3.Procesado de Audio DigitalRegulador de Volumen
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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• Aplicadas principalmente con un DSP.
• Tienen repercusión en el dominio de la Frecuencia
• Delay, 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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• Delay
• 1.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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo
Multi-Tap aplicado a una frase
Multi-Tap aplicado a un instrumento
Delay Ping Pong
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• Chorus
• 1.Trata de recrear un Coro musical.
• 2. Para simular la imperfección humana ? Delay
  Variable (lt30ms) A la misma señal unas veces se
  le retrasan m muestras otras veces n, de forma
  aleatoria.

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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• 3. Normalmente Delay Fijo20ms 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)(1V(t))
• Limite20ms
• 5.Varias formas de onda para el delay

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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• 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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo

• Flanger
• 1.Delays variable (lt10ms) aplicados a las
  muestras , similar al Chorus
• 2.Importante implicación en el dominio de la
  Frecuencia
• 3.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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Tiempo
Comb Filter Frecuencias anuladas Notches
KDelay Variable, En un determinado tiempo es
constante Alfa Parámetro Depth

• Se anula si
• wK es múltiplo impar de pi
• alfa es 1

Módulo del Filtro
Efecto Flanger
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Amplitud

• Efecto de Trémolo
• 1.Multiplicación de la señal por una onda
  periódica? Modulación AM

Señales sincronizadas. Señal de
audio Tempo120bpm Ritmo4x4 Compases/min
120/430 Duración compás2s 4 periodos en un
compás ? T0.5s ? f2Hz En general
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Amplitud
Dos implementaciones del efecto de Trémolo.
IzquierdaTrémolo Simple Derecha Trémolo Doble
Efecto sonoro de Trémolo
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Amplitud

• 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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Amplitud

• 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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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Amplitud

• Puertas de Ruido con Histéresis
• Sistema con Memoria.

Aparecen dos umbrales de tensión
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• Phaser
• 1.La señal pasa a través de un filtro paso todo
  que varía en el tiempo
• Filtro paso todo? Módulo unitario pero
  argumento variable con w
• 2.Efecto similar al Flanger. Escuchar
• 3.Implementación del Filtro paso Todo

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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• Ecualizadores de Audio
• 1. Bandas del espectro de Audio

Bandas del Espectro de Audio
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• -SubGraves ( flt25Hz)
• i. Señal de Continua (DC OFFSET)
• ii. Nota musical más baja 27.5Hz
• iii. Dificultad de Reproductores de Audio
• -Graves (25Hzltflt125Hz)
• i. Instrumentos de percusión
• -Medios Graves (125Hzltflt400Hz)
• i. Mayoría de instrumentos y reverberación
• ii.Voz Humana
• iii.Calidad Final
• iv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger
• -Medios(400Hzltflt2KHz)
• i. Formación de las vocales

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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• -MediosAgudos(2KHzltflt8KHz)
• i. Mayor sonoridad
• ii. Inteligibilidad de la palabra. Consonantes
  2.5 y 5 khz
• -Agudos(8KHzltflt12KHz)
• i. Sibilancia de las voces
• -Agudos Superiores(12KHzltf)
• i. Armónicos de Instrumentos
• ii.Efecto de Compresores de Audio
• iii.Dificultades de reproducción por encima de
  18Khz
• iv.Ecualizadores tipo Campana y Flanger

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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• 2. Tipos de Ecualizadores de Audio
• Filtros muy selectivos ? Q muy grande
• Atenuar o enfatizar una frecuencia concreta lo
  mejor posible

Filtro Shelving de Agudos
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3.Procesado de Audio DigitalTécnicas de
Procesado en Frecuencia

• Ecualizadores Paramétricos
• Permiten variar Q, la frecuencia central, y la
  ganancia
• Filtros de Campana(Bell)