Percepção Auditiva

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Guido Stolfi 1/65 Percepção Auditiva Princípios de Televisão Digital Mackenzie 4 / 2008 Guido Stolfi

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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 Presentation

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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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Espectrograma (Tempo / Freqüência) da Voz

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Inteligibilidade da Fala

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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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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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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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Questões Polêmicas

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É Necessário Amostrar em 96 kHz?

fa = 44.1 kHz

fa = 96 kHz

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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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Determinação de Direção pela Defasagem

D

E

D

E

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Fase Relativa de Harmônicas

100 Hz

100 Hz

200 Hz(+)

200 Hz

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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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Condições de Audibilidade de Fase

100 Hz

200 Hz(+/-)

2a. har-mônica

aural

200 Hzresultante

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Experimento: Audibilidade Ultrassônica

0-20 kHz

20-50 kHz A

B

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Condições de Audibilidade Ultrassônica

22 kHz

24 kHz

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Audibilidade Ultrassônica: Distorção Aural

22 kHz+

24 kHz

Apósdistorção

aural

2 kHz audível