Introdução à Engenharia do Som 6ª ed by Grupo Lidel

Capítulo 1

Introdução ao Som

Pressão

Não serve de nada falar de engenharia de som sem antes falar de som. O som corresponde às variações da pressão do ar (provocadas pela vibração de um corpo) que conseguem ser captadas pelo ouvido e que variam entre 20 e 20 000 Hz, ou seja, entre 20 e 20 000 vezes por segundo (s). Isto significa que se eu abanar a minha mão para cima e para baixo, embora esteja a provocar variações na pressão do ar, como essas variações são inferiores a 20 vezes por segundo, não são captadas pelo ouvido. No entanto, se eu conseguisse aba‑ nar a mão a uma grande velocidade, então, passaria a produzir som. Um exemplo claro é o zumbido provocado pelo bater de asas de um mosquito, que consegue batê‑las as asas cerca de 600 vezes por segundo.

Tempo

Figura 1.1 Variação da pressão do ar devido a um determinado som

Por outro lado, apenas conseguimos ouvir frequências até aos 20 000 Hz1. Os apitos espe‑ ciais para cães, como funcionam numa frequência acima dos 20 kHz2, não são ouvidos pelos humanos, mas como os cães têm uma gama de frequências audíveis que pode ir até aos 45 kHz, já conseguem “ouvi-los”.

Para representar frequências, utiliza-se a unidade de medida hertz, que se representa por Hz, e que significa ciclos por segundo. Dizer que a pressão do ar varia 100 vezes por segundo é o mesmo que dizer 100 Hz. Para medir a pressão (ou a variação de pressão), uti‑ liza-se o pascal, representado por Pa. Outro aspeto importante relacionado com o som tem a ver com a intensidade do som audí‑ vel. A audição é possivelmente o sentido humano com maior amplitude: consegue detetar variações de pressão entre 0,00002 Pa (limiar da audição) e 200 Pa (limiar da dor3), ou seja, 1 2

Este valor vai baixando com a idade. kHz é igual a 1000 Hz, da mesma forma que 1 km é igual a 1 000 m. Muitas vezes, utilizam-se prefixos para 1 simplificar. Alguns exemplos de prefixos: M (mega) = 1 000 000; k (kilo) = 1 000; m (mili) = 0,001; µ (micro) = 0,000001; etc. Este limiar pode variar ligeiramente de pessoa para pessoa. Inclusivamente, alguns autores consideram que o limiar da dor se inicia com valores inferiores.

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1.2.1 Efeito Doppler Toda a gente já reparou no som característico de um carro ou de uma mota a passar por alguém. O que provoca essa alteração do som chama-se efeito Doppler, que, por sua vez, é provocado pela aproximação ou afastamento entre o emissor e o recetor. Se o emissor e o recetor estiverem a aproximar-se, vai existir uma “compressão” das frequências, tornando o som mais agudo. Se, por outro lado, estiverem a afastar-se, a frequência tenderá a dimi‑ nuir, tornando-se um som mais grave.

1.3 Psicoacústica Para além da forma como o som chega aos ouvidos, existe um conjunto de características relacionadas com o modo como o cérebro processa a informação recebida pelos ouvidos, a que se chama psicoacústica, e que tem uma importância fundamental na forma como o ser humano “ouve” o som.

1.3.1 Loudness e dB(A) Um comportamento muito característico do ouvido/cérebro é o facto de o ser humano não ter uma sensibilidade igual para todas as frequências. Para o ser humano, um sinal de 80 dB a 1 kHz soará mais intenso do que um sinal com a mesma pressão sonora a 100 Hz ou a 10 kHz. No entanto, essa diferença diminui à medida que a pressão sonora aumenta, o que signi‑ fica que o simples facto de aumentarmos a intensidade de um som, do ponto de vista da perceção, funciona como uma equalização que aumenta os graves e agudos. Esta é uma das razões pelas quais nos parece que a qualidade de uma gravação melhora se aumen‑ tarmos o volume. Se experimentar ouvir uma música com o volume da aparelhagem em baixo, mesmo com boas colunas, só vai escutar médios e alguns agudos. No entanto, se aumentar o volume, começa a ouvir melhor os graves. Esta é uma das razões pelas quais as pessoas gostam de ouvir música com intensidades sonoras muito altas. Quando vir alguém a ouvir música em altos berros, já sabe porquê. Também é uma das razões por que muitos gostam de colocar os seus equalizadores em forma de “V”. Muitas aparelhagens HI-FI têm uma funcionalidade que permite compensar este fator, chamada loudness, que aumenta a resposta de graves e agudos, de forma a diminuir este desnível na perceção do som. Do ponto de vista da análise e medição (em especial, de ruído), também foi criada uma forma de ter isso em consideração – dB(A) – que corresponde à intensidade sonora, apli‑ cada de uma curva que aproxima esse comportamento, ou seja, em que frequências dife‑ rentes têm pesos diferentes. Dessa forma, um som de 60 dB a 200 Hz e um som de 60 dB a 1 kHz vão ter, do ponto de vista da perceção, intensidades diferentes. No entanto, um som de 60 dB(A) a 200 Hz e um som de 60 dB(A) a 1 kHz terão, do ponto de vista da per‑ ceção, a mesma intensidade: A figura 1.11 apresenta algumas curvas de loudness. Cada uma das linhas indica a pressão sonora necessária para manter a mesma perceção de intensidade:

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desse sinal, é possível obter os mais diversos diagramas polares (cardioide, hipercardio‑ ide, figure‑of‑eight, etc.). Uma particularidade que existe nos microfones direcionais é o chamado efeito de proxi‑ midade, que se caracteriza por um aumento dos graves à medida que a fonte sonora se aproxima da cápsula do microfone. Este efeito parece dar uma voz muito grave e pode‑ rosa com a simples aproximação do microfone à boca. No entanto, este comportamento não existe em microfones omnidirecionais, ou seja, quanto maior for a componente bidi‑ recional do microfone, maior o efeito de proximidade. Como existe uma pequena dife‑ rença de distância entre o som que incide diretamente na membrana e o som que dá a volta à cápsula, à medida que a fonte sonora se aproxima, essa diferença de distâncias torna‑se mais significativa, o que vai provocar uma alteração de fase, reforçando os sons mais graves, devido ao seu comprimento de onda mais longo. A tabela 2.1 apresenta as principais características dos diversos tipos de diretividade: Tabela 2.1 – Diversos tipos de diretividade Microfone

Omnidirecional

Subcardioide

Cardioide

100%

70%

50%

30%

50%

‑ 0 dB 0 dB Supercardioide

‑ ‑3 dB ‑8 dB Hipercardioide

180º ‑6 dB ‑∞ dB Figure‑of‑eight

33%

25%

67%

75%

100%

126º ‑8,6 dB ‑11.7 dB

110º ‑12 dB ‑6 dB

90º ‑∞ dB 0 dB

Diagrama polar

Componente omnidirecional Componente bidirecional Ponto nulo Saída a 90º Saída a 180º Microfone

Diagrama polar

Componente omnidirecional Componente bidirecional Ponto nulo Saída a 90º Saída a 180º

Sistemas Eletroacústicos | 47

a ser constituído pela diferença entre dois condutores internos simétricos, continuando a haver massa, mas apenas para fins de blindagem. A massa continua a proteger o sinal, mas qualquer interferência que consiga passar vai afetar simultaneamente os dois condutores internos37. Como se pode ver na figura 2.41, como o sinal vai ser lido a partir da diferença entre os dois condutores internos, a interferência acaba por se anular. Este tipo de ligação é chamada ligação balanceada, passando a utilizar três condutores38 para transportar um sinal áudio (mono). De forma a diferenciar os condutores internos, considera‑se um deles como sendo o hot (+) e o outro como sendo o cold (‑). Ligação não-balanceada Sinal

Resultado Massa

Ligação balanceada Sinal +

Resultado Sinal -

Figura 2.41 Interferência numa A. ligação não‑balanceada; e numa B. ligação balanceada

Para os cabos que vão transportar sinais elétricos de alguma potência (por exemplo, para ligar os amplificadores às colunas), a imunidade ao ruído deixa de ser um fator importante, especialmente porque o sinal é tão forte que dificilmente o ruído poderia ter algum efeito sobre ele. Neste caso, o importante é que o cabo consiga aguentar a corrente elétrica necessária e que apresente o mínimo de resistência elétrica, de forma a não retirar rendi‑ mento da coluna nem aquecer demasiado o cabo. Como tal, passam a ser utilizados cabos de potência, em vez de cabos blindados (figura 2.42):

Figura 2.42 Cabos usados para a ligação entre amplificadores e colunas

Neste tipo de cabos, existe normalmente algo que diferencia cada um dos condutores – pode ser uma risca vermelha sobre um dos condutores, um revestimento de cor dife‑ rente, ou algo do género –, pois é importante saber que condutor diz respeito a quê, ou seja, qual é o positivo (+) e qual é o negativo (‑). Do ponto de vista da coluna, não é pro‑ priamente importante saber qual é o (+) e qual é o (‑); afinal, o sinal vai variando entre Os condutores internos são entrelaçados um no outro precisamente para que qualquer interferência afete de forma igual os dois condutores. 38 Dois condutores internos + blidagem. 37

Mesa de Mistura | 59

3.1.2 Dynamics/Delay As mesas analógicas topo de gama e as mesas digitais incluem, logo a seguir ao andar de ganho, um andar para processamento dinâmico e/ou delay. Esses processadores dinâmi‑ cos podem funcionar como gates, compressores, limitadores ou expanders – mais à frente, explicaremos melhor a função deste tipo de processamento. Podem incluir também uma unidade de delay que pode ser usada para atrasar o som (por exemplo, para compensar atrasos existentes noutros canais).

3.1.3 EQ Equalização é o processo de atenuar (cut) ou amplificar (boost) algumas gamas de frequên‑ cias (figura 3.3). Na maior parte dos casos, a equalização é utilizada para corrigir determina‑ dos problemas. Um microfone que não tem uma resposta em frequência linear (captando umas frequências melhores do que outras) ou uma sala com determinadas ressonâncias são alguns exemplos de situações que podem ser parcialmente corrigidas com a utilização de um equalizador. No entanto, a equalização também pode ser usada de forma criativa – por exemplo, cortar agudos a um baixo elétrico para obter um som mais acústico ou fretless45. Low

Lo-Mid

Hi-Mid

High

Figura 3.3 Exemplo de um EQ de quatro bandas

Existem três tipos de equalizadores: normais, semiparamétricos e paramétricos. Os equa‑ lizadores normais apenas permitem ao utilizador aumentar ou diminuir a intensidade de determinadas bandas de frequência predefinidas. Nos equalizadores semiparamétricos, passa a existir um controlo adicional – frequência –, ou seja, para além de podermos indi‑ car o nível a aplicar pelo equalizador (atenuar ou amplificar), podemos variar ligeiramente a gama de frequências em que isso acontece. Os equalizadores paramétricos têm uma ter‑ ceira funcionalidade – o Q (largura de banda) –, que podemos usar para indicar se queremos que o equalizador seja aplicado a uma gama larga ou estreita de frequências (figura 3.4):

Nível Nível

Frequência Frequência

Q Q

Figura 3.4 Parâmetros de um equalizador paramétrico 45

Fretless é o nome dado aos baixos que não incluem trastes ao longo do braço.

124 | Introdução à Engenharia de Som

porquê dos

44,1 kHz

Muita gente questiona‑se sobre a razão da existência de uma frequência de amostragem de 44,1 kHz, especialmente por ser um número um pouco esquisito. A explicação é a seguinte: atentendo a que o som vai até aos 20 kHz, seria sempre necessário uma frequência de amostragem superior a 40 kHz (o dobro da frequência máxima do sinal). No entanto, quando o áudio digital começou a aparecer, o custo dos aparelhos de armazenamento era muito alto. A única exceção eram os gravadores de vídeo, que embora funcionassem de uma forma analógica, tinham uma largura de banda suficientemente grande, uma vez que o vídeo tem muita informação. Como o vídeo grava a informação linha a linha, pensou‑se em guardar n amostras de áudio digi‑ tal em cada uma dessas linhas. Tendo em conta que existem sistemas de vídeo diferentes, com números de linhas diferentes (NTSC com 525 linhas/60 Hz, PAL e SECAM com 625 linhas/50 Hz), terá sido conveniente arranjar uma frequência de amostragem que batesse certo com qualquer uma das soluções. É aí que aparece a frequência de amostragem de 44 100 Hz, que permite guar‑ dar três amostras por cada linha, independentemente do sistema: 60 x (525 linhas/2 – 35 linhas vazias) x 3 = 44 100 50 x (625 linhas/2 – 37 linhas vazias) x 3 = 44 100

6.3 Compressão Há situações em que a quantidade de bits necessária para armazenar ou reproduzir uma determina gravação é grande demais e, como tal, a compressão de áudio é fundamental. Para isso, existem duas formas distintas de compressão: sem perda de qualidade ou com perda de qualidade. A compressão sem perda de qualidade (lossless compression) é obtida a partir de um conjunto de algoritmos que detetam redundâncias na sequência de bits (utilizada frequen‑ temente para a compressão de ficheiros informáticos – .zip, .rar, etc.). Por exemplo, em vez de ter uma sequência 1010101010101010, o algoritmo pode indicar que a sequência 10 é repetida oito vezes; se existirem alguns segundos de silêncio (centenas de milhares de amostra), pode‑se indicar que 0 é repetido n vezes. Geralmente, estas técnicas apresentam taxas de compressão relativamente pequenas (50%). Há situações em que são necessárias taxas de compressão muito superiores, que só podem ser conseguidas com alguma redução de qualidade (por exemplo, ficheiros MP3). Para isso, são usadas técnicas psicoacústicas. Há informação que é desprezada pelo cérebro/ouvi‑ dos e, deste modo, não necessita de ser enviada. Por outro lado, existe alguma redundân‑ cia quando lidamos com mais do que um canal (em stereo, muita da informação enviada pelos dois canais é comum). A grande parte dos algoritmos de compressão áudio tem como base o conceito de masking. Quando o ser humano está a ouvir algo, uma determinada frequência pode esconder da perceção humana outras frequências, principalmente se forem próximas dessa frequên‑ cia e de intensidade menor, ou seja, um determinado som pode esconder (mask) parte de outro som. O que muitos algoritmos de compressão fazem é dividir o sinal áudio em diversas bandas de frequências. Se existirem bandas que não tenham sinal, ou que estejam a ser masca‑ radas por outras bandas com intensidades superiores, aquelas não são transmitidas. Para

144 | Introdução à Engenharia de Som

7.1 Formatos Numa época em que existem tantos formatos diferentes de surround, convém analisar quais as diferenças entre eles. Por um lado, temos diferenças existentes na reprodução, como o número de colunas utilizadas e a sua disposição; por outro lado, as diferenças exis‑ tentes na gravação/transmissão. Ao nível da reprodução, os diversos formatos surround são caracterizados pelo número de colunas utilizadas e pela posição que cada uma dessas colunas deve ocupar. Os formatos de saída mais usuais são (figura 7.2): Stereo – left, right; LCRS – left, center, right, surround (duas colunas de surround, mas a reproduzir em exatamente o mesmo). Este formato também é conhecido por 4.0 ou 3+1; 5.1 – left, center, right, left surround, right surround. O .1 representa o subwoofer; 6.1 – igual ao 5.1, mas com mais uma coluna atrás: rear surround98; 7.1 – existem dois formatos diferentes: `` O mais comum é igual ao 5.1, mas com duas colunas adicionais de surround, pas‑ sando a existir quatro colunas de surround; `` O menos comum é igual ao 5.1, mas com duas colunas adicionais à frente, pas‑ sando a existir cinco colunas frontais; 10.2 – é o formato mais completo existente no momento e o mais difícil de adotar: cinco colunas frontais, três colunas de surround, dois subwoofers (um de cada lado) e duas colunas mais elevadas, de forma a explorar a componente vertical (também colocadas na parte da frente). É o formato criado por Tom Holman, um dos gurus do surround (criador do THX).

LCRS

Stereo

7.1

Figura 7.2 Diversos formatos de saída

Também designada por center surround.

5.1

7.1

6.1

10.2

154 | Introdução à Engenharia de Som

60º

Figura 7.10 Colocação de colunas em stereo

Quando passamos para o formato 5.1, temos de colocar colunas adicionais. Os canais esquerdo e direito continuam na mesma posição. O canal central, como é óbvio, é colocado ao centro, mas à mesma distância do ouvinte que os canais esquerdo e direito, o que significa que fica ligeiramente atrás da linha entre as colunas dos canais esquerdo e direito. Isto é muito impor‑ tante para que o som, independentemente da coluna, chegue ao ouvinte ao mesmo tempo. As colunas de surround são colocadas com um ângulo de 110º 104 de cada um dos lados do ouvinte, mais uma vez, mantendo as mesmas distâncias que as restantes colunas (figura 7.11). Todas as colunas, quer em stereo ou em multichannel, devem estar sempre totalmente viradas para o utilizador. Tendo em conta que os sons graves não são direcionais (qualquer ouvinte tem dificuldade em detetar a direção de onde vem um som grave), o subwoofer pode ser colocado pratica‑ mente em qualquer sítio. No entanto, por questões acústicas, alguns fabricantes recomen‑ dam que este seja colocado mais ou menos a 1 m do centro (do lado esquerdo ou direito).

30º 30º 110º

110º

Figura 7.11 Colocação de colunas em 5.1 (de acordo com a norma ITU.775) 104

O standard ITU.775 considera um ângulo entre 100º e 120º.

Produção e Pós-Produção | 205

sinais destes microfones devem ser atrasados com delay, para compensar o seu avanço em relação ao par principal (XY, ORTF, etc.). Por exemplo, se o spot microphone está locali‑ zado a 1 m de um determinado instrumento e se um par ORTF se encontra a 10 m, então, o sinal do spot microphone deverá ser atrasado em 26 ms147.

10.1.5 Captação Multichannel Enquanto para a captação stereo já existe mais ou menos um consenso na utilização de determinadas técnicas de captação, fruto de décadas de utilização deste formato, para a captação multichannel cada especialista usa técnicas muito próprias, sem existir ainda grande consenso quanto à forma de obter os melhores resultados. De qualquer modo, ire‑ mos apresentar algumas técnicas usadas. Uma dessas técnicas usa microfones omnidirecionais colocados nos sítios corresponden‑ tes às colunas de reprodução, de forma a que cada coluna reproduza o som captado nessa posição. Uma outra técnica, denominada Double MS (figura 10.10), utiliza uma versão modificada do tradicional par MS. Adicionando mais um microfone cardioide apontado para trás, passa a existir também um par MS de surround, ou seja, passamos a ter um microfone cardioide frontal (mid frontal), um microfone cardioide apontado para trás (mid surround) e um micro‑ fone figure‑of‑eight apontado lateralmente para a esquerda (side). Mid frontal Double MS Side

Mid surround

Figura 10.10 Técnica Double MS

Os cinco canais multichannel passam a ser criados da seguinte forma: Canal central = frontal mid;

Canal esquerdo frontal = frontal mid + side; Canal direito frontal = frontal mid – side; Canal esquerdo surround = mid surround + side; Canal direito surround = mid surround – side. Uma técnica utilizada para captação do som frontal (LCR) é o OCT (Optimized Cardioide Triangle), que utiliza três microfones cardioides, tal como apresenta a figura 10.11: 147

Tempo = distância/velocidade = (10 – 1) / 340 = 0,026 s.

230 | Introdução à Engenharia de Som

Figura 11.15 Exemplos de bass traps166

11.3.3 Difusão e Reflexão Para além de controlarmos a quantidade de reflexões de uma sala, é necessário controlar a forma como estas ocorrem, para que não haja sítios com maior concentração de reflexões do que outros. Normalmente, essa maior concentração apenas traz problemas associados, o que significa que é conveniente que as reflexões sejam espalhadas por toda a sala, e é aí que entram os difusores. Numa situação normal, o som é refletido com um ângulo igual ao da incidência, ou seja, comportando‑se como um género de espelho acústico. Deste modo, os difusores conse‑ guem, através de determinadas técnicas (superfícies arredondadas, superfícies aleatórias, etc.), que o som, ao incidir numa destas superfícies, seja espalhado em todas as direções (figura 11.16): B.

Difusão

Reflexão θ

Figura 11.16 A. Reflexão; e B. difusão

Ao espalhar melhor o som pela sala, evita‑se que existam pontos onde o som esteja con‑ centrado ou, ainda pior, onde determinadas frequências se encontrem concentradas.

Auralex LENRD Bass Trap (cortesia Auralex Acoustics, Inc.); JOCAVI Bassweakener (cortesia JOCAVI®); Vicous‑ tic Vari Bass (cortesia Vicoustic®).

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