I suoni - math.unipa.itmath.unipa.it/~epifanio/tecnologie/Lezione_suoni.pdfsuoni acuti (per es. un violino) da suoni gravi (per es. un ... che raccoglie le onde sonore presenti nell’ambiente

I suoniChiara Epifanio

I suoni


Suono: vibrazione acustica capace di produrre una sensazione uditivaIl suonosuono è dovuto a particolari movimenti o vibrazioni, generati da una sorgente sonora, capaci di propagarsi nei solidi, nei liquidi e nei gas e quindi anche nell’aria.

•


Il nostro orecchio avverte le variazioni di pressione del mezzo (per es. aria) e traduce queste variazioni di pressione in stimoli nervosi che arrivano sino al cervello dove vengono rielaborati e interpretati.

L’onda sonora è esprimibile mediante una curva continua.


• la lunghezza d’onda (segmento blusegmento blu) indica la tonalità (o altezza) del suono,

• l’ampiezza (segmento verdesegmento verde) rappresenta il volume (o intensità) del suono.


Questo suono è più acuto

Questo suono è più grave


• Contrariamente al suo significato nel linguaggio comune, con altezzaaltezza di un suono non si indica la forza o il volume del suono, ma una quantità che permette di distinguere suoni acuti (per es. un violino) da suoni gravi (per es. un contrabbasso).

• Per misurare l’altezza di un suono bisogna considerare la frequenza di oscillazione, cioè il numero di oscillazioni complete (cicli) compiute nell’unità di tempo.

• Più elevata è la frequenza di un suono, minore è il tempo che impiega a compiere una oscillazione, più oscillazioni complete sono state compiute nell’unità di tempo, e quindi più acuto sarà il suono.


L’unità di misura della frequenza è l’hertz.

Una persona giovane, con l’udito perfetto, riesce a per-cepire suoni gravi a partire da circa 16 Hz e suoni acuti fino a circa 16 KHz.

Area UditivaInfrasuoni Ultrasuoni


Questo suono ha un volume basso

Questo suono ha un volume alto


L’ampiezza di un’onda sonora rappresenta l’intensitintensitàà di un suono e viene misurata in decibel o dB..

Es.:

Suono Intensità (dB)

Lancio di una navicella spaziale 160-200Soglia del dolore 140

Musica Rock 120Delle Grida 100

Una conversazione 40-80Un leggero bisbiglio 20


Ma non esistono solo ampiezza e lunghezza…Su uno stesso brano musicale il suono prodotto da una chitarra e da un pianoforte è diverso.

In corrispondenza della stessa nota la corrispondente corda del piano e quella della chitarra vibrano con la stessa frequenza, ma in modo diverso.

Ciascuno strumento dà una sua "impronta" (o timbro) alla nota; in altre parole si tratta di onde rappresentate da funzioni che hanno lo stesso periodo ma hanno grafici con forma anche molto diversa. Il timbro rappresenta il terzo elemento caratterizzante dei suoni.


Le sorgenti sonore complesse, come la nostra voce o gli strumenti musicali, non generano dei suoni sinusoidali “puri”. Il segnale emesso è composto da una serie di due o più onde audio, ognuna con una propria frequenza ed ampiezza.

Il segnale nel suo complesso ha una frequenza fondamentale (quella con ampiezza più grande) e delle frequenze secondarie dette armoniche.

La nostra capacità di distinguere i suoni degli strumenti, anche sulla stessa nota musicale, dipende dal fatto che ogni strumento emette il suono con le stesse armoniche aventi, però, ampiezze diverse.


Un rumore è una sovrapposizione casuale di frequenze diverse, non armonicamente correlate, e non può essere descritto dai tre

parametri.altezza, intensità e timbro. Il grafico corrispondente ha una forma “brutta”, priva di regolarità.


Suoni

?

Cifre binarie

Impulsi elettrici

OK


La rappresentazione dei suoni in un computer


Il suono, per essere trasformato all’interno del computer, deve subire due trasformazioni.

1) La prima viene fatta dal microfonomicrofono, che raccoglie le onde sonore presenti nell’ambiente e le trasforma in segnali elettrici.

Il segnale così ottenuto è anch’esso rappresentabile mediante onde e viene detto di tipo analogicoanalogico. Esso varia con continuità e quindi può essere rappresentato graficamente mediante una linea curva continua.


Segnale analogico


2) La seconda trasformazione (digitalizzazione) converte il segnale analogico in forma numerica o digitale.

Questa trasformazione è effettuata dalla scheda audioscheda audio.

Il procedimento è il seguente: si fanno delle letture del segnale ad intervalli di tempo regolari e molto brevi, memorizzando nella forma digitale anziché tutti i punti che formano l’onda, solo i valori in corrispondenza di tali intervalli.


Questo procedimento è detto campionamentocampionamento(discretizzazione temporale) per il fatto che vengono letti non tutti i punti, ma solo alcuni di essi, che costituiscono, appunto, un campione.

Per ogni punto viene memorizzato un numero che rappresenta il valore di ampiezza corrispondente, riportato sull’asse delle ordinate.

Questi numeri, trasformati in base 2, rappresentano il segnale digitale.


Frequenza di campionamento

• La frequenza di campionamento (sampling rate) è il numero di campioni rilevati in un intervallo, corrisponde, quindi, al numero di volte che il segnale è campionato nel tempo (sec).

• Corrisponde all’inverso del periodo di campionamento.

• E’ un parametro fondamentale che determina la somiglianza tra il segnale digitalizzato e quello analogico.

• Viene misurata in kHz.


Teorema di Niquist-Shannon

Un segnale analogico può essere completamente ricostruito a partire dai suoi campioni se si effettua il campionamento ad una frequenza almeno doppia rispetto alla sua frequenza massima.

fc>2fmax


Esempi di frequenza di campionamento

• In campo telefonico viene destinata alla voce una banda di frequenza tra 300 Hz e 3,4 KHz, per cui si potrebbe campionare il messaggio a partire da 6,8 KHz.

• I brani musicali memorizzati su CD devono essere fedeli ai brani musicali, quindi, poiché la banda acustica del nostro orecchio arriva al massimo fino a circa 20 KHz, si sceglie una frequenza di campionamento di 44,1 KHz (44.100 campioni al secondo).

• Nei comuni software di digitalizzazione audio, il numero di campioni prelevabili può arrivare anche fino a 96.000 al secondo.


Quantizzazione e codifica dei suoni

Dopo che è stato campionato, il segnale non è ancora in una forma utile per essere memorizzato ed elaborato da un computer (i valori prelevati sono numeri reali composti da infinite cifre).Con la quantizzazione, i valori reali campionati vengono convertiti in valori discreti attraverso un’approssimazioneUna volta definiti i livelli di quantizzazione mediante i quali approssimare i campioni del segnale, ogni campione quantizzato viene codificato con un diverso numero binario


Quantizzazione e codifica dei suoni

• La lunghezza delle parole binarie utilizzate per quantizzare ciascun campione si chiama bitdepth (profondità di bit).

• Tipicamente si utilizzano parole di 8 bit (con 256 valori di campionamento distinti) o di 16 bit (con 65.536 valori di campionamento distinti).


Frequenza di campionamento bassa Quantizzazione a 8 bit

0 62 97 97 62 0


Frequenza di campionamento alta Quantizzazione a 8 bit

0 3636 62 8484 97 102102 97 8484 62 3636 0


Frequenza di campionamento bassa Quantizzazione a 16 bit

0 15860 24792 24792 15860 0


Frequenza di campionamento alta Quantizzazione a 16 bit

0 92539253 15860 2160121601 24792 2611526115 24792 2160121601 15860 92539253 0


Ma non bisogna sottovalutare che ...

Un’altra componente che può modificare la qualità del suono digitale è il tipo di registrazione (monomono, stereo, stereo, DolbyDolby SurroundSurround). Anche questa influenza l’occupazione in memoria del file audio.

Una registrazione stereo, infatti, occupa il doppio di una mono perché i suoni stereo sono acquisiti su due canali distinti, anche se le registrazioni sono effettuate contemporaneamente.

Ciò implica un doppio spazio in memoria…...


Riassumendo…• La qualità e la dimensione di un file audio dipendono

essenzialmente da tre variabili:• la frequenza di campionamento,• il bitdepth,• il numero di canali.

• Il prodotto di queste tre variabili prende il nome di bitrate(numero di bit utilizzati nel campionamento di un secondo di suono)

• La dimensione complessiva di un file audio (non compresso) è data da

Bitrate x durata in sec del brano


Facciamo quattro conti….Se volessimo calcolare la quantità di memoria occupata da un file sonoro di 1 minuto in modalità stereofonica (2 canali) registrato con frequenza di campionamento 44.100 KHz e con profondità di 16 bit (CD-quality)

Profondità = 2 byteFrequenza di campionamento = 44.100 KhZ

Numero di canali = 2Bitrate= 172,27 KBps

Quantità di memoria occupata per un minuto di musica =172,27 KBps * 60 sec~10 MB


Quindi ...Quindi ...

Microfono,... (input)

Schedaaudio

10010101001..

Unitàcentrale

Segnale digitale

Onda sonoraSegnale elettrico analogico


Procedimento inverso

Con il procedimento inverso, partendo cioè dal segnale digitale, sarà possibile ricostruire l’andamento dell’onda e riprodurla.

Anche questa trasformazione viene compiuta dalla scheda audio. Le casse poi, che svolgono una funzione opposta a quella del microfono, trasformeranno il segnale elettrico in vibrazione da propagare nell’aria, cioè nel suono vero e proprio.


In questo caso il segnale procederà per salti, in modo discontinuo, e quindi la rappresentazione non può essere fatta con una linea curva continua, ma mediante una spezzata.

Più alta è la frequenza di campionamento che era stata scelta nell’acquisizione del suono, più breve è l’intervallo tra i punti campionati e più la linea spezzata, che rappresenta la ricostruzione della forma dell’onda, sarà simile a quella analogica di partenza e quindi la ricostruzione del suono fedele.


Viceversa...Viceversa...

Casse (output)

Schedaaudio

10010101001..

Unitàcentrale

Segnale digitale

Onda sonoraOnda ricostruita partendo

dal segnale digitale


Il formato wave(Waveform audio format, .wav)

• Il formato Wave è lo standard di Windows per file sonori.• E’ un formato compresso, con compressione piuttosto

scarsa (1 minuto di suoni ~ 10 MB)• E’ uno più diffusi, anche per i barni musicali preseti nei

classici CD Audio• Quando si registra con il “Registratore di suoni” Windows

si crea un file di questo formato.


I file Midi(Musical Instrument Digital Interface,.mid o .midi)

Il file audio non è ottenuto digitalizzando un’onda sonora, ma registrano le istruzioni per suonare le note, con i relativi tempi e con diversi strumenti musicali, come da spartito (1 minuto di musica ~10 Kb)

Per creare un file audio è sufficiente:•Collegare uno strumento musicale all’interfaccia MIDI,•Scegliere tra note musicali e strumenti preesistenti nella memoria del computer,•Comporre nuovi brani musicali utilizzando il computer per sommare diversi strumenti musicali.


• Una differenza importante tra i due formati è che in un file midi ci sono solo comandi, in un file wave ci sono suoni.Si può quindi dire che la differenza fra un file midi e un corrispondente file audio Wave è paragonabile alla differenza fra lo spartito di un brano e un nastro contenente lo stesso brano registrato.

• Un’altra essenziale differenza è che nei file wave (come nei disegni bitmap) non è possibile modificare un elemento singolo del suono; nei file midi (analogamente ai disegni vettoriali) ogni elemento è trattabile separatamente.


Altri formati audio


•• ...Aiff.Aiff, , .aif.aif: il formato AIFF (Audio Interchange File Format) di Apple è un formato analogo al wave.

• .Au.Au: molto diffuso e utilizzato principalmente su : molto diffuso e utilizzato principalmente su UnixUnix. . Il formato au, inoltre, gestisce anche modalità più efficienti di quantizzazione che permettono una riduzione della mole di dati anche di 4 volte il valore originale, al costo di una modesta perdita di qualità.

.ra.ra ((RealReal Audio)Audio): formato compresso con algoritmo di tipo lossy, produce un notevole abbassamento delle dimensioni, ma provoca una perdita di qualità considerevole. Per riprodurre i suoni .ra ènecessario il Real Player. E’ molto utilizzato in Internet perchéconsente l’ascolto in streaming (modalità di trasmissione di un flusso di dati (stream) da una sorgente che consente lo scaricamento ed il loro utilizzo in tempo reale, senza attendere che lo scaricamento sul computer sia terminato).


•• MPEGMPEG (Moving Picture Expert Group): nasce all'inizio degli anni '90 come standard per la diffusione del segnale audio digitale (oltre che quello video) di qualità paragonabile a quella del CD audio.

Analogamente a quanto fanno i sistemi di riduzione del rumore della famiglia Dolby, MPEG adotta tre sistemi di codifica differenti denominati layer1, layer2 e layer3 (quest'ultimo noto anche come MP3), di efficacia e complessità nell'ordine crescenti.


Con MP3 è possibile comprimere i file audio (e video) senza alcuna rilevante perdita di qualità, arrivando addirittura a rapporti di compressione di 12:1.Ad esempio una canzone di 5 minuti che in formato Wave occupa circa 50MB può essere ridotta a soli 4 MB.

L’MPEG elimina dai files audio determinate informazioni che non sono necessarie.Per far questo si basa sui risultati di ricerche di Psicoacustica, una disciplina scientifica che si occupa della percezione uditiva nell’uomo.


Questi studi rivelano che il nostro orecchio, non è in grado di percepire frequenze “deboli” adiacenti a frequenze “forti”, in quanto queste ultime coprono le prime.

Le informazioni inerenti le frequenze più deboli quindi, poiché queste ultime non sarebbero comunque percepibili dall’orecchio umano, vengono eliminate dall’MPEG durante la fase di compressione.

In questo modo si ottiene una notevole riduzione del file audio in termini di spazio fisico occupato.

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