História do Registro do Som: Áudio Digital

Universidade Federal da Paraíba
História do registro
do som:
Áudio digital
Professora: Débora Opolski
deboraopolski@gmail.com

Por onde vamos?
Gravação digital
Síntese sonora
Samplers
Midi
Computadores
Mídias: DCC, CD, DAT, ADAT, MD, HD
Gravador de CD
UFPB - DEMID 2010_2 Prof. Débora Opolski

O Que significa o termo digital?
digital
di.gi.tal
adj m+f (lat digitale) Anat 1 Relativo ou pertencente aos dedos. 2 Diz-se
da impressão deixada pelos dedos. 3 Que tem analogia com os dedos. 4
Relativo a dígito2. sf 1 Impressão deixada pelos dedos. 2 Bot V dedaleira. 3
Bot Planta acantácea (Sanchezia nobilis). 4 Eletrôn Que se utiliza de um
conjunto de dígitos, em vez de ponteiros ou marcas numa escala, para
mostrar informações numéricas: Termômetro digital. 5 Eletrôn Diz-se do
circuito eletrônico que produz e responde a sinais que, num determinado
instante, encontram-se num dentre os vários níveis possíveis (geralmente
dois). 6 Eletrôn Diz-se dos dados contínuos separados em unidades
distintas, para facilitar a sua transmissão, processamento etc. 7 Eletrôn
Diz-se da transmissão (p ex, de som) assim realizada. 8 Inform
Computador que opera com quantidades numéricas ou informações
expressas por algarismos. 9 Inform Computador cujos dados são
processados por representações discretas.
http://michaelis.uol.com.br/moderno/portugues/index.php?lingua=portugues-
portugues&palavra=digital

O Que significa o termo dígito?
dígito2
dí.gi.to2
adj (lat digitu) Arit Diz-se de cada um dos números de um
até nove, às vezes com inclusão do zero. sm 1 Arit Número
dígito. 2 Mat Cada um dos elementos que se combinam
para formar números em um sistema que não o decimal. 3
Astr Cada uma das doze partes em que se divide o
diâmetro da Lua ou do Sol, para se calcularem os eclipses. 4
poét V dedo. 5 Entom Cada um de vários apêndices de
insetos, especialmente o segmento terminal do tarso,
provido de pata ou garra. D. binário, Inform: V bit. D. não
permissível, Inform: combinação ilegal de bits numa
palavra, de acordo com regras predefinidas.
http://michaelis.uol.com.br/moderno/portugues/index.php?lingua=portugues-
portugues&palavra=d%EDgito

Início do Áudio digital
• O áudio digital está diretamente ligado com a
tecnologia digital, ou seja, a computação.
• O processo de gravação digital é exatamente o
mesmo que o armazenamento de qualquer
informação guardada no computador:
conversão de dados numa sequência de
dígitos binários. (0 e 1)
• Popularização do áudio digital: Philips, na
década de 80 com o CD: compact disc.

Processo de digitalização
• Os sons são captados da natureza e
armazenados em dispositivos sob a forma de
dados binários.
• Lembrando que agora não temos mais som
contínuo como no analógico, temos ‘pontos
de som’, ou seja, trabalhamos com amostras;
em alguns pontos temos som, em outros não
temos.

Processo de digitalização
• ANALÓGICO: transmissão do próprio sinal de
áudio
• DIGITAL: transmissão do sinal de áudio na
forma de números.
• Entram no processo duas conversões:
analógico para digital (A/D) e digital para
analógico (D/A).

Qualidade de gravação digital
A qualidade da gravação, ao contrário do
análogico, que dependia da mídia usada para
registro, agora diz respeito aos parâmetros
definidos para a gravação: taxa de
amostragem, tamanho das amostras, etc…

Conversores
• O som da natureza precisa ser convertido de
eletricidade (variação de corrente) para
dígitos (linguagem binária): CONVERSOR
ANALÓGICO / DIGITAL. Para ser armazenado.
• Depois, precisa novamente ser convertido pra
sinal elétrico: CONVERSOR DIGITAL /
ANALÓGICO para que o alto-falante reproduza
e o som possa chegar ao nosso ouvido.

Conversor A/D ou CAD

Conversor D/A ou CDA

Gravação digital – amostragem e
quantificação.
• AMOSTRAGEM: número de vezes que um sinal
é medido por segundo
• Número de BITS ou QUANTIFICAÇÃO:
Resolução do sistema. Determina a precisão
com a qual o valor medido é convertido em
notação binária.

Gravação digital: amostragem
• Taxa de amostragem (sampling rate) ou
frequência de amostragem (sampling
frequency) é o número de vezes por segundo
que as amostras do som original são
registradas pelo conversor A/D.
Exemplo, uma taxa de amostragem de 44.100
(padrão do CD) significa que 44.100 vezes por
segundo teremos um registro da intensidade
do som no tempo pra formarmos a onda.

Teorema de Nyquist
“O valor mínimo da frequência da amostragem
para que a qualidade da conversão não fique
comprometida deve ser igual ao dobro do
valor da frequência mais alta”
• Frequência mais alta que ouvimos: 20.000 Hz
• Frequência de amostragem do CD: 44.100 Hz, temos uma
margem de aproximadamente 2.000 hz.

Gráficos de frequência de
amostragem
ZUBEN, Paulo. Música e tecnologia. São Paulo: Irmãos Vitale, 2004, p. 43

Gravação digital: Quantificação
• “Escala de valores criada para medirmos a
quantidade de energia das ondas sonoras,
suas amplitudes ou intensidades” São valores
numéricos expressos em bits.
• Quanto maior a quantificação mais precisa é a
aproximação da curva contínua do sistema
analógico.
Podemos dizer que a taxa de amostragem é uma
medida horizontal em relação ao tempo e a
quantização é uma medida vertical.

Gravação digital: Quantificação
• Elevando o código binário ao número de bits,
sabemos quantas gradações de intensidade
teremos no nosso som:
• 4 BITS: 24 = 16 gradações
• 8 BITS: 28 = 256 gradações
• 16 BITS: 216 = 65.536 gradações
• 24 BITS: 224 = 16.777.216 gradações

Gráficos de Quantificação

Quantização digital – faixa dinâmica
• Quanto maior a resolução em bits, maior o
número em níveis de intensidade que o
processador consegue quantizar. No sistema
digital a faixa dinâmica equivale a
aproximadamente seis vezes o número de
bits, logo, um sistema de 16 bits oferece em
torno de 96 dB de faixa dinâmica (16 x 6). O
dvd, que trabalha com 24 bits, oferece 144 db
(24 x 6).
ALVES, Luciano. Fazendo música no computador. Rio de Janeiro, Elsevier:
2006. p. 129.

Tabela de faixas dinâmicas

Tamanho do arquivo digital
• Quanto maior a taxa de amostragem e a taxa de
quantificação, melhor a qualidade, mas maior o
espaço necessário para o armazenamento do
áudio.
TA * R/8 * C * t
TA = taxa de amostragem em Hz
R = resolução em bits (como queremos o valor em bytes e
cada byte tem 8 bits, é preciso dividir por 8)
C = número de canais de áudio
t = tempo em segundos
http://www.eca.usp.br/prof/iazzetta/tutor/audio/a_digital/a_digital.html

Tamanho do arquivo digital
Num CD em que o áudio é armazenado com
44,1 kHz/16 bits, em dois canais (estéreo), um
minuto de música ocuparia aproximadamente
10Mb de espaço:
• CÁLCULO:
(44.100 Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 seg)
=
10.584.000 bytes, ou aproximadamente 10 Mb.

Processo de síntese sonora
• A síntese é um processo de ‘fabricação de
sons’ que pode ser por meio de correntes
elétricas (analógico) ou de cálculos
matemáticos e leitura de dados de memória
(digital).

Telarmonio ou dinamofone
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Teleharmonium1897.jpg

Telarmonio ou dinamofone
• Lançado em 1897 é o instrumento musical
eletroacústico mais antigo
• PRINCÍPIO: sintetizava os timbres por
sobreposição de harmônicos.
• A versão MARK I pesava 7 toneladas
• A versão MARK II pesava 200 toneladas
Não era prático, mas gerou muitos frutos, como
o piano Hammond (1930).

Primeiro sintetizador analógico
• 1964 por Robert Moog: Sintetizador Moog
(monofônico).
http://pt.wikipedia.org/wiki/Moog_%28sintetizador%29

Sintetizador analógico
• Os sintetizadores analógicos funcionam com
osciladores controlados por voltagem (VCO).
• Os osciladores produzem um sinal de áudio
cuja frequência é controlada pela variação de
amplitude da tensão elétrica.

Primeiro sintetizador digital
http://www.ufrgs.br/mvs/Periodo04-1975-TheSynclavier.html
SYNCLAVIER

Primeiro sintetizador digital
• Comercializado a partir de 1976, o
SYNCLAVIER foi o primeiro totalmente digital
(processador com sintetizador interno capaz
de gerar som digitalmente, não usava DCO -
osciladores analógicos controlados por meio
digital).
• Desenvolvido pelo compositor Jon Appletom e
os engenheiros Sydney Alonso e Cameron
Jones no Dartmouth College nos EUA.

Relembrando…
• Os geradores de som produzem as ondas
básicas:
ÍMPARES
ÍMPARES
http://frecuenciafundamental.blogspot.com/2008/10/glosario-forma-de-onda.html

Sínteses
• Podemos falar de basicamente dois tipos de
síntese: ADITIVA e SUBTRATIVA, com base no
teorema de Fourier.

Teorema de Fourier
Fourier mostrou que é possível
reduzir uma onda complexa
em uma série de ondas
senoidais
iniciou a investigação sobre a decomposição de funções periódicas em séries
trigonométricas convergentes

Síntese aditiva e subtrativa
• ADITIVA: “um som qualquer pode ser
construído a partir da fusão de ondas
senoidais”.
• Procedimento: analisamos o espectro da onda
do som que desejamos sintetizar e a partir
dessa análise criamos e sobrepomos as ondas
necessárias pra criar o som complexo.
ZUBEN, Paulo. Música e tecnologia. São Paulo: Irmãos Vitale, 2004, p. 24.

Síntese aditiva e subtrativa
• SUBTRATIVA: pela utilização de filtros sobre as
ondas complexas ou ruídos (rosa, branco,
etc…) podemos chegar ao som desejado.
• Procedimento: Partimos de um som complexo
que contenha as ondas que desejamos,
filtramos as indesejadas até chegarmos ao
som pretendido.
ZUBEN, Paulo. Música e tecnologia. São Paulo: Irmãos Vitale, 2004, p. 24.

Síntese subtrativa – ruído branco
http://w3.ualg.pt/~sjesus/aulas/cd/node82.html

O que é filtrar?
• Um filtro nada mais é do que uma
atenuação, em decibéis, de
determinada frequência ou faixa de
frequência.

Processo de síntese sonora
• Somente a soma das frequências corretas não
é suficiente para ouvirmos o som desejado.
No processo de síntese devemos atentar para
a amplitude de cada frequência, região de
maior ressonância (formântica, faixa de
frequências proeminente), envelope dinâmico
do som e outros efeitos, como reverberação
por exemplo.

Exercício de síntese
• Defina parâmetros para um envelope
dinâmico de um som que deve ter ataque
rápido, sustentação de meio segundo e
decaimento rápido, quase nulo. (intensidade e
tempo)
Ele deve chegar a amplitude máxima no menor tempo
possível, estabilizar e se sustentar por meio segundo.
Logo depois se extinguir.

Outros tipos de síntese
• Modulação de frequência
• Modulação de amplitude

Síntese sonora computacional
• A partir de 60 iniciou-se o desenvolvimento de
programas de sintese sonora no computador. O
programa MUSIC V, desenvolvido no Bells Lab é
referência histórica.
• A partir da década de 70, institutos que
pesquisam sobre música e tecnologia começaram
a desenvolver programas de manipulação de
áudio, edição, síntese e espacialização em tempo
real, baseado em cálculos. Muitos usam
linguagens de programação como o C-sound.

C-sound
http://en.wikipedia.org/wiki/Csound

Samplers
• “São aparelhos que gravam digitalmente
amostras de som e permitem sua
manipulação e reprodução”
Lembrem do SAMPLE RATE (taxa de
amostragem): Quantas vezes o sample é
medido no segundo, ou seja um SAMPLE é
uma AMOSTRA.
• Instrumentos VST (virtual studio technology)

MIDI (musical instrument digital
interface) – década de 80
• O protocolo MIDI surge da necessidade de uma
interface padrão que permitisse a comunicação
entre os diversos equipamentos musicais.
• O protocolo é sucesso, pois é um sistema simples
de baixo custo.
• A partir daí desenvolveram-se programas de
sequenciamento e notação musical para
computadores pessoais.
• O protocolo começa a ser usado para
sincronização de sistemas de efeito e iluminação.

MIDI
• Sistema de comunicação por canais.
• Temos os emissores dos sinais
(CONTROLADORES): teclados, baterias
eletrônicas, sequenciadores…
• Temos os receptores dos sinais: sintetizador,
computador, samplers…

MIDI
• Importante ressaltar que não temos sinais de
áudio passando pelos cabos MIDI, temos
apenas informações sobre determinados
eventos que vão ser reconstruídas com o
receptor do sinal.
• Principais informações mandadas: Frequência,
intensidade (velocity) e a duração da emissão
do sinal.

COMPUTADOR
• Grande inovação, acesso randômico às
informações gravadas, não há necessidade de
obedecermos a ordem cronológica dos dados
registrados.
• A gravação em HD conjugada com o protocolo
MIDI possibilita total integração dos
instrumentos acústicos com os sequenciados,
sem preocupações com a perda do
sincronismo.

COMPUTADOR
2006. p. 130.

COMPUTADOR
• A facilidade do uso do computador e o
desenvolvimento de softwares populares e
acessíveis fez com que o computador
substituísse grande parte dos sequenciadores,
samplers e sintetizadores físicos.

HD
• Discos graváveis magneticamente (superfície
com camada de óxido) fixados num eixo
giratório.
2006. p. 136.

Mídias de armazenamento digital
• Mídias magnéticas (DCCs, DATs, ADATs) ou
óticas (CDs e MDs)
• Armazenamos ordens sequenciais de bits.
• O material do dispositivo de armazenamento
precisa ter a capacidade de modificar seu
estado somente de dois modos, pra
representar o nosso código binário.

DCC – digital compact cassete
http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Compact_Cassette

DCC – digital compact cassete
• Formato de mídia de áudio digital,
desenvolvido pela Philips pra ser o sucessor da
fita cassete analógica.
• Os reprodutores DCC tinham a capacidade de
reproduzir fita cassete analógica também.
• Armazenava áudio compactado: PASC
• Fracassou, a fita DAT ganhou no campo
profissional, o MD e claro, o CD, no amador.

DAT – digital audio tape
http://pt.wikipedia.org/wiki/Digital_Audio_Tape
http://belohorizonte.olx.com.br/dat-sony-
digital-audio-tape-deck-dtc-a7-iid-70460175

DAT – digital audio tape
• Fita magnética de gravação digital
apresentado pela Sony em 1987.
• Similar em aparência à fita cassete.
• Áudio descompactado.
• Assim como o VHS e diferente da Cassete,
grava apenas um lado da fita.
• Muito usado por profissionais mas não foi
popularizado.

ADAT
http://www.showpoint.com.br/_gutenweb/_loja/pg_produto.
cfm?codigo_produto=15443
http://pt.wikipedia.org/wiki/ADAT

ADAT
• Mídia da Sony, com formato similar ao VHS do
videocassete.
• Cada fita permite gravação em até 8 canais,
mas podemos sincronizar os gravadores e
obter vários canais simultâneos.
• O ADAT é um dispositivo de registro de áudio
profissional, não foi criado para uso amador.

MD
http://pt.wikipedia.org/wiki/MiniDisc

MD – midi disc
• Sony em 1992.
• Qualidade inferior ao DCC e ao DAT mas possuia
armazenamento posterior mais fácil.
• Mini CD regravável com capa protetora. Capa
abre quando inserida no aparelho, como o
disquete.
• Trabalha com som compactado: ATRAC
• Possibilitava acesso rápido às informações, pois
não era fita. A primeira faixa diz respeito a ordem
de gravação do disco.

CD – compact disc
http://pt.wikipedia.org/wiki/Compact_Disc

CD – compact disc
• Comercializado a partir de 1982 pela Sony
japonesa e Philips holandesa, popularizou-se
somente em 1990.
• Os dados são gravados na superfície por meio de
pequenos relevos denominamos Pits ou bumps
(saliências) e lands (plano) (em espiral). Os dois
estados possíveis ficam sendo a elevação e o
rebaixamento da superfície do CD.
• Nos Pits ou bumps, criamos o 0 porque a luz
desvia do sensor ótico, nos lands a luz é refletida
pro sensor e criamos um 1.

GRAVADORES CD
• A superfície espiral é varrida por um laser que
utiliza luz no comprimento infravermelho de
dentro pra fora. Essa luz é refletida pela
superfície do disco e captada por um detector.
Esse detector envia ao controlador do
aparelho a sequência de pontos claros e
escuros, que são convertidos em "uns ou
zeros", os bits (dados binários).

Leitor de CD
http://www.scribd.com/doc/16201516/Como-Funciona-Um-Leitor-de-CD

Fontes
ZUBEN, Paulo. Música e tecnologia. São Paulo: Irmãos Vitale, 2004.
ALVES, Luciano. Fazendo música no computador. Rio de Janeiro, Elsevier: 2006.

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