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LCSE P U SP
Percepção Auditiva
PTC3547 – Codificação e Transmissão Multimídia
Guido Stolfi – 6/2021
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LCSE P U SPTópicos Abordados
• Fisiologia do Ouvido Humano
• Acústica Física
• Mascaramento
• Voz Humana e Vocoder
• Modelamento de Sistemas Dinâmicos
• Questões Polêmicas
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LCSE P U SP
Fisiologia do Ouvido Humano
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LCSE P U SPEstrutura do Ouvido Humano
cóclea
nervo
martelo bigorna canais semicirculares
janela oval
estribotímpano
janela circular
auditivatrompa
orelha
canal auditivo
osso da têmpora
lóbulo temporal
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LCSE P U SPRepresentação Esquemática do Ouvido
15k 1k 60Hz2504k
~2,2 cm
~3 cm
Membrana Basilar
Janelas
canal
cóclea
nervos
Órgãos de Corti
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LCSE P U SPResposta em Frequência do Canal Auditivo
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LCSE P U SPOuvido Médio
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LCSE P U SPEstrutura da Cóclea
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LCSE P U SPA Cóclea Distendida
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LCSE P U SPSecção da Cóclea
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LCSE P U SPSecção da Cóclea
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LCSE P U SPDetalhe dos Órgãos de Corti
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LCSE P U SPCélulas de Corti
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LCSE P U SPCélulas de Corti
Internas Externas
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LCSE P U SPAtuação das Células Ciliares
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LCSE P U SPAlguns Números:
• 3.500 Células Ciliares Internas
• 12.000 Células Ciliares Externas
• 30.000 Fibras Nervosas Aferentes:
– 90~95% provenientes das Células Internas
– Células Internas com até 20 sinapses
• ~500 Fibras Nervosas Eferentes:
– Destinadas às Células Externas
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LCSE P U SPSeletividade da Membrana Basilar
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LCSE P U SPSeletividade da Membrana Basilar
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LCSE P U SPSeletividade das Células de Corti
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LCSE P U SPResposta das Células Internas
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LCSE P U SPCélulas Externas como Atenuadores
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LCSE P U SPCélulas Externas como Atuadores
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LCSE P U SPFunções 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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LCSE P U SPEmissões Oto-acústicas Evocadas
TEOAE (Transient Evoked Oto-Acoustic Emission) - Evidências da atividade das células externas
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LCSE P U SPBandas Críticas da Audição Humana
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LCSE P U SPLimiar de Percepção de Frequências
Banda Crítica
DiferençaApenas
perceptível
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LCSE P U SPResposta Temporal das Bandas Críticas
5 ms/div
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LCSE P U SPDeterminação da Largura das Bandas Críticas
P=const.
1 2 3 4 5 6
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LCSE P U SPDeterminação da Largura das Bandas Críticas
Largura de Banda
Niv
el S
on
oro
Bc
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LCSE P U SPPós-processamento nos Gânglios Auditivos
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LCSE P U SPPercepção de Direção (Azimute)
Baixas Frequências:Diferença de Fase
(tempo de Percurso)
Altas Frequências:Diferença de Intensidade
(difração)
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LCSE P U SPPercepção de Ambiente: Reflexões Múltiplas
Som direto
Primeiroeco
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LCSE P U SPPercepção de Direção (Elevação)
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LCSE P U SPUm Diagrama de Blocos da Audição
Canalauditivo
Córtexauditivo
Núcleosnervosos
Membranabasilar
Células de Corti
E
D
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LCSE P U SP
Acústica Física
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LCSE P U SPPressão Sonora: Unidade de Medida
Pressão Sonora dbSPL onde Pa 20 20log ( )p
pp
oo
• Limiar de Audibilidade: 20 Pa rms = 2x10-5 N/m2 @ 1 kHz (1 pw/ m2)
• ( Pressão atmosférica: ~ 100 kPa )
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LCSE P U SPNível 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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LCSE P U SPSituações Sonoras
dB SPL dB SPL
Foguete 195 Conversação 65
Avião a jato 155 Restaurante 60
Limiar de dor 140 Residência urbana 40
Limiar de desconforto 120=1W/m2 Casa de campo 30
Orquestra fortíssimo 110 Orquestra pianíssimo 30
Rebitadeira 100 Estúdio de gravação 20
Fábrica 78 Folhagens na brisa 10
Tráfego pesado 68 Limiar de audição 0=1pw/m2
Escritório ruidoso 65 Ruído térmico do ar -10
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LCSE P U SPCurvas de Igual Volume Sonoro (tons senoidais)
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LCSE P U SPFaixa Dinâmica para Música e Voz
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LCSE P U SP
Mascaramento
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LCSE P U SPMascaramento para Tom Senoidal
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LCSE P U SPResposta da Membrana Basilar para 2 Tons
Janela
Oval
15 kHzf2 f 1
60Hz
f2
f2 f 1
(a)
(b)
(c)
f 1
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LCSE P U SPExemplo de Mascaramento
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LCSE P U SPCurvas de Mascaramento (ex.)
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LCSE P U SPEvidências de Distorção Aural
10 dB
20 dB
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LCSE P U SP
A Voz Humana e o Vocoder
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LCSE P U SPA Voz Humana
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LCSE P U SPCaracterísticas 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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LCSE P U SPCaracterísticas das Formantes Espectrais
“a” “i” “u”
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LCSE P U SPEspectrograma (Tempo / Frequência) da Voz
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LCSE P U SPInteligibilidade da Fala
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LCSE P U SPSíntese de Voz (Vocoder)
frequência
ganho
ruído
formantesvogais
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LCSE P U SP
Modelamento de Sistemas Dinâmicos
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LCSE P U SPModelamento de Sistemas Dinâmicos
• Modelo Elétrico de um Sistema Mecânico
– Corrente velocidade
– Tensão fôrça
– Carga Deslocamento
– Resistência Atrito Viscoso
– Indutância Massa
– Capacitância Compliância (Elasticidade-1)
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LCSE P U SPAnalogias Dinâmicas
• Indutância
• Capacitância
• Resistência
• Massa
• Compliância
• Viscosidade
dt
diLe
dt
dvMf
dtiCC
qv
1dtv
CC
xf
MM
1
iRe vRf M
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LCSE P U SPModelo de um Alto-Falante
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LCSE P U SP
Questões Polêmicas
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LCSE P U SPQuestões Polêmicas
• Digital x Analógico
• Frequência de Amostragem
• Audibilidade de Fase
• Audibilidade Ultrassônica
• Falhas na Caracterização
• Sutilezas
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LCSE P U SPDigital x Analógico
0
10
20
30
40
50
60
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
S/(N+D) (dB)
V. U. - Volume Units
Relação Sinal / Ruído+Distorção
Gravação Analógica:Ruído altoDistorção harmônica suave
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LCSE P U SPDigital x Analógico
Gravação Digital:Ruído baixoDistorção dura (“clipping”)
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LCSE P U SPFrequências de Amostragem para Áudio
Tecnologia Época Fa (kHz) Bits Banda
Telefonia Digital ~1960 8 8 300 ~ 3400 Hz
Celular Digital ~1990 16 8 100 ~ 7000 Hz
CD ~1980 44,1 16 20 ~ 20000 Hz
DAT ~1990 48 20 20 ~ 20000 Hz
Produção Digital ~2000 96 24 5 ~ 24000 Hz
DVD-Audio ~2000 192 24 5 ~ 50000 Hz
SACD ~2000 2822,4 1 0 ~ 100 kHz
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LCSE P U SPÉ Necessário Amostrar em 96 kHz?
fa = 48 kHz
fa = 96 kHz
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LCSE P U SPVantagens da Amostragem em 96 kHz
48 kHz20 kHz 28 kHz
f
96 kHz20 kHz 76 kHz
f
44,1kHz20 kHz 24,1 kHz
f
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LCSE P U SPFiltro para 44,1 kHz
EPUSP - Guido Stolfi 67 / 81
LCSE P U SPFiltro Digital em Conversor A/D
Burr-Brown ADS1271
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LCSE P U SPQuestões Polêmicas – Audibilidade de Fase
PressãoSonora
ImpulsosNervosos
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LCSE P U SPDeterminação de Direção pela Defasagem
D
E
D
E
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LCSE P U SPFase Relativa de Harmônicas
100 Hz
100 Hz
200 Hz(+)
200 Hz
EPUSP - Guido Stolfi 71 / 81
LCSE P U SPFase Relativa de Harmônicas
100 Hz
100 Hz
200 Hz(-)
200 Hz
EPUSP - Guido Stolfi 72 / 81
LCSE P U SPExperimento: Audibilidade de Fase
0O @ 10 Hz
2000O @ 10 kHz
0O 10-20kHz
A
B
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LCSE P U SPCondições de Audibilidade de Fase
100 Hz
200 Hz(+/-)
2a. harmônica
aural
200 Hzresultante
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LCSE P U SPExperimento: Audibilidade Ultrassônica
0-20 kHz
20-50 kHz A
B
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LCSE P U SPCondições de Audibilidade Ultrassônica
22 kHz
24 kHz
EPUSP - Guido Stolfi 76 / 81
LCSE P U SPAudibilidade Ultrassônica: Distorção Aural
22 kHz+
24 kHz
Apósdistorção
aural
2 kHz audível
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LCSE P U SPCaracterização e Medições
Amplificador OTL (Output TransformerLess)
Potência: 50 Watts @ 4 Resposta em Frequência:20 Hz a 30 kHz +0/-1 dB
Distorção: < 0,01% @ 30WRuído: < -95 dBHum: < -80 dBAmortecimento: > 20x
Som: Ruim.
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LCSE P U SPCaracterização e Medições
Comportamento em um transiente
EPUSP - Guido Stolfi 79 / 81
LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões (JAES 06/2021)
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LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões
A B
A. “Virtuoso Straight-Wire”, 50 cm, Balanceado, XLR, isol. Teflon, US$ 500,00
B. “Monster Cable Interlink 400”, 2 m, desbalanceado, RCA, isol. PE, US$ 50,00
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LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões