Audio Digital – Uma Análise Detalhada - Parte 2-4

Para entender o que é áudio digital é necessário saber o que é áudio analógico, suas diferenças e a transição entre as tecnologias. Este artigo que me foi encomendado pela editora Digerati é composto de quatro partes. Espero que gostem.

PARTE 2-4

Dando seqüência ao assunto, vamos explicar como é o processo de digitalização do sinal de áudio. O assunto é complexo e vamos tentar abordá-lo de uma forma simples para que você possa utilizar os conceitos em suas pesquisas, em seu estúdio ou em sua casa, nas mais diversas situações. Algumas experiências bem simples serão sugeridas para que possamos comprovar os conceitos. A gravação digital de áudio usa muitos princípios do áudio analógico e sempre que necessário, vou fazer esta ponte com o mundo analógico. Da mesma forma, todos os conceitos descritos aqui se aplicam para imagem, vídeo e outras formas de sinal. Vamos lá?

 RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA

O nosso ouvido consegue ouvir freqüências entre 16 Hz (Hertz) e 20 KHz (20.000 Hertz), onde 1 Hz equivale a um ciclo, uma vibração por segundo. Podemos então dizer que a "resposta em freqüência" do nosso ouvido é de 16 Hz a 20 KHz. Com a idade e principalmente devido à exposição a altos níveis sonoros, estes limites vão diminuindo, ou seja, vamos tendo menor sensibilidade às freqüências baixas e principalmente às altas. Muitos de nós ouvimos entre 30 Hz e 14 KHz e quando chegamos aos 60, 70 e 80 anos de idade, as freqüências altas costumam cair para 8 KHz ou 10 KHz.

Analogamente, se gravarmos o som de um piano, de um bom CD ou mesmo da nossa voz com um gravador microcassete, podemos garantir que ao reproduzi-lo, o som terá grande perda de graves e de agudos, permanecendo apenas as freqüências médias, algo entre 100 Hz e 5 KHz, aproximadamente. Isto acontece principalmente porque o gravador microcassete foi projetado para gravar voz, sendo muito utilizado para aulas, ditar cartas e recados.

Como o conceito de digitalizar o áudio está fortemente ligado ao seu armazenamento, vamos descrever primeiramente o processo de gravação analógica em fita, e para tal precisamos lembrar que a função do gravador é guardar o áudio para que possa ser reproduzido no futuro sem que hajam grandes alterações.

O SINAL DE ÁUDIO

O som é captado pelo microfone e é transformado em um sinal elétrico alternado e isto acontece em todos os tipos de equipamento. Para ilustrar, gravei o som de um "ah" curtinho e o capturei no programa SoundForge, ilustrado na figura 01 (Em outro artigo pretendo explicar o uso e funções básicas deste programa).

Figura 01 - Representação da vogal "ah". A duração é de 125 milisegundos e a freqüência é de 110 Hz

O sinal captado, se bem observarmos, é bastante complexo e como sabemos que deverá ser reproduzido no futuro, a forma de guardar é muito importante. Se você leu a primeira parte deste artigo e se este "ah" fosse gravado em um disco de vinil, o formato do sulco seria muito parecido com a imagem da figura 01, não é?

Dentro do gravador, este sinal elétrico é processado e conduzido até um setor responsável pelo armazenamento do sinal. Nos equipamentos analógicos, o meio mais comum é a fita magnética. Este sinal elétrico precisa então ser convertido em uma informação magnética e o elemento responsável por esta função nos gravadores é a cabeça magnética. Grosseiramente, uma cabeça magnética pode ser comparada a um eletroímã onde ligando-se uma voltagem, existe o surgimento de um campo magnético. Em contato com esta cabeça, desliza uma fita plástica coberta com um produto químico, normalmente um óxido metálico, material este que guarda magnetismo. As fitas mais comuns utilizam óxido de ferro que é o nome técnico da ferrugem. Como a fita do gravador é magnética, ela guarda informações magnéticas e a cabeça do gravador transforma a onda elétrica em uma série de partículas polarizadas magneticamente. As variações magnéticas na fita podem ser representadas por pequenos imãs espalhados pela fita. Se a fita nunca foi utilizada (fita virgem), tem um comportamento parecido com o ilustrado na figura 02, onde os imãs se apresentam totalmente desordenados.

Figura 02 - Modelo de representação magnética da fita virgem 

Se a fita for gravada, os ímãs ficam orientados na forma de ondas podendo lembrar vagões de trens percorrendo estradas sinuosas, como na figura 03.

Figura 03 - Modelo de representação magnética da fita gravada

Na verdade, os pequenos ímãs na fita têm tamanho microscópico e são em enorme número. Os fabricantes utilizam tecnologias e materiais extremamente sofisticados nas fitas magnéticas, onde cada pequeno ímã é responsável pela guarda de parte das informações do sinal original de áudio. Quanto maior for a fidelidade da gravação desejada, maior deverá ser o número destes pequenos cristais magnéticos.

Continuando, você já notou que alguns gravadores transportam a fita bem lentamente, como os gravadores microcassete e outros transportam bem rápido, como os gravadores de rolo? Os gravadores de rolo transportam a fita em velocidades que chegam a 38 cm/s (centímetros por segundo) e o gravador microcassete transporta a fita na velocidade de 1,2 cm/s. É fácil perceber qual destes dois gravadores possui maior fidelidade e isto deve ter um motivo. Quando precisamos gravar sons de freqüência mais elevada, as oscilações que ocorrem no sinal elétrico são também de freqüência alta e a cabeça de gravação precisa dispor os pequenos ímãs em uma formação que reproduza o sinal de áudio correspondente.

Fazendo uma analogia bem grosseira, vamos imaginar o trabalho do funcionário de um aeroporto que acomoda as malas em uma esteira rolante. Se a velocidade da esteira fosse bem baixa (imaginemos algo como 1 metro por minuto), ele precisaria esperar demasiadamente para poder acomodar todas as malas, pois não podem ser empilhadas, causando um grande transtorno para os que querem pegar seus pertences.

Figura 04 - a esteira rolante

Voltando ao caso do gravador, a cabeça de gravação transfere o sinal elétrico recebido para a fita, orientando magneticamente os minúsculos cristais (os pequenos ímãs) e se o sinal for demasiadamente rápido, ou seja, um sinal de alta freqüência, a fita precisa acompanhá-lo.

Afinal, porque esta volta toda? Não era para falar de áudio digital?

O motivo desta volta toda é simples - um gravador, seja ele analógico ou digital, precisa guardar a informação sem que hajam perdas aceitáveis. No processo de digitalização, os bits podem ser comparados aos pequenos ímãs e se um único bit tem seu valor alterado, vira ruído, ou seja, ocorreu perda ou alteração da informação. O responsável pela digitalização, se você viu na primeira parte do artigo, é o conversor analógico-digital. Vamos então ver como isso tudo funciona.

CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL

O sinal de áudio é contínuo no tempo, ou seja, não é como uma informação quadro-a-quadro em um filme no cinema. Utiliza-se muito o termo "discretizado" para um sinal que foi digitalizado. O conversor analógico-digital  "tira fotos" do sinal de áudio em intervalos constantes. A cada "foto", na verdade, o conversor A/D mede o valor da intensidade do sinal e guarda o número em uma tabela organizada. Em outras palavras, dentro de um CD de música ou de um DVD só existem números.

A freqüência em que estas "fotos" são tiradas é denominada de "freqüência de amostragem". Para sons graves podemos usar freqüências de amostragem de valor pequeno, entretanto, para os agudos precisamos de freqüências de amostragem maiores. Para saber o valor adequado da freqüência de amostragem, tomamos o sinal, verificando qual é a freqüência mais alta e multiplicamos por dois. Se vamos gravar voz com qualidade telefônica, não precisamos de mais do que 5 KHz de espectro, portanto podemos utilizar a freqüência de amostragem de 10 KHz. Se vamos gravar uma orquestra, precisamos de um espectro bem mais amplo, como 16 KHZ ou 18 KHz, precisando portanto de freqüências de amostragem de 32 KHz e 36 KHz, respectivamente. Para facilitar, os fabricantes de placas de som de computador (que possuem internamente circuitos conversores A/D e D/A) estabeleceram alguns valores padronizando as freqüências de amostragem.

A figura 05 é correspondente à opção "Multimídia" do "Painel de controle" do Windows.

Figura 05 - Propriedades de Multimídia

Os valores padronizados de freqüência de amostragem tem nomes: "Qualidade de telefone", "Qualidade de rádio" e "Qualidade de CD", tudo para facilitar. Observe a tabela a seguir, para o formato PCM:

NOME

FREQÜÊNCIA DE AMOSTRAGEM

Qualidade de telefone

11.025 Hz, 8 bits, mono, 11 KB/s

Qualidade de rádio

22.050 Hz, 8 bits, mono, 22 KB/s

Qualidade de CD

44.100 Hz, 16 bits, stereo, 172 KB/s

As figuras 06, 07 e 08 mostram detalhadamente estas configurações.

Figuras 6, 7 e 8 - Qualidade de telefone, rádio e CD

Para a placa de som Sound Blaster 16, fabricada pela Criative Labs, encontramos outros valores normalizados como 8.000 Hz, 11.050 Hz, 12.000 Hz, 16.000 Hz, 22.050 Hz, 24.000 Hz, 32.000 Hz, 44.100 Hz e 48.000 Hz. Para placas de som de outros modelos e fabricantes, estes valores podem mudar. Entretanto, se você utiliza o programa SoundForge, assim que for iniciar uma nova digitalização, aparece um quadro (figura 09) onde pode ser digitado um valor qualquer de freqüência de amostragem (sample rate) entre 2.000 Hz e 96.000 Hz. Isso não tem nada a ver com o SoundForge e sim com sua placa de som. Algumas placa não permitem este tipo de configuração.

Figura 09 - Freqüências de amostragem

NÚMERO DE BITS e FREQÜÊNCIA DE AMOSTRAGEM

Vamos fazer uma experiência prática? Se tiver o SoundForge instalado em seu computador, ótimo, porque é o meu favorito, porém o que faremos a seguir independe do programa de digitalização e você poderá utilizar o de sua preferência ou até mesmo o "gravador de som" que vem com o Windows.

Conecte um microfone na sua placa de som, e abra o programa de digitalização utilizando a configuração "Qualidade de telefone" (11.025 Hz como freqüência de amostragem, 8 bits, mono). Configure através do controle de gravação do Windows o volume adequado para não saturar (distorcer) a entrada e grave uma coisa qualquer. Depois disso, altere apenas a freqüência de amostragem para um valor bem maior - por exemplo, 44.100 Hz e grave novamente. Antes de analisar, vamos relembrar que a freqüência de amostragem é sempre o dobro da maior freqüência gravada, ou seja, na primeira gravação como usamos 11.025 Hz, a maior freqüência registrada será de 5.012 Hz e na segunda gravação será de 22.100 Hz. O.k.? Faça agora uma terceira gravação, mantendo 44.100 Hz e mudando apenas de 8 bits para 16 bits, gravando novamente. Ouça atentamente as três gravações.

Vamos para a análise: na primeira gravação a voz ficou meio rachada, um pouco ruidosa e sem nenhum brilho. Na segunda, ficou meio rachada, um pouco ruidosa e com brilho. Na terceira, sumiu o rachado e o ruído e a gravação da voz ficou excelente, não? O resultado mais importante que devemos extrair desta experiência é que o número de bits altera significamente a qualidade da gravação. É claro que a freqüência de amostragem têm influência, mas a qualidade se mantém apesar do corte nos agudos. E aí você deve estar se perguntando - para que serve então a opção de 8 bits, já que ela é tão ruim? A explicação é simples: Se você quer gravar música com qualidade e transformar seu trabalho em um CD, use sempre 44.100 Hz / 16 bits /  stereo. Porém, se precisar gravar uma palestra, um curso, uma reportagem ou voz telefônica, os aspectos mais importantes são a inteligibilidade e o tempo final de gravação, aí a opção do uso de 8 bits pode ser uma boa alternativa, pois se as três gravações tiveram apenas 1 segundo de duração, como mostra a figura 10, note que o tamanho dos arquivos cresce muito com a qualidade e conseqüentemente o espaço livre do seu disco rígido diminuirá rapidamente.

Figura 10 - Tamanho dos arquivos

Agora, finalmente, você tem elementos para entender o porquê do detalhamento analógico do início. Se vamos gravar música com qualidade em dois canais e podemos optar por dois tipos de equipamentos: um gravador analógico e um computador com placa de som, certamente o analógico precisa ser stereo, ter alta velocidade de transporte, fita larga e comprida, e a parte eletrônica bem calibrada para não ter nenhum ruído. Se usarmos o computador, usaremos o SoundForge, por exemplo, configurado com os parâmetros 44.100 Hz, 16 bits, stereo.

AS PLACAS DE SOM

 Creio que a mais famosa placa de som do mercado é a Sound Blaster, fabricada pela Criative Labs. Há muitos anos este nome é lembrado com um sinônimo de qualidade e estabilidade apesar de não ser tecnicamente a de maior precisão. Utilizo placas desta linha e os resultados obtidos são bons. Entretanto, gostaria de abrir um parêntesis sobre algumas placas "onboard".

 Estava na casa de um amigo meses atrás e ele pediu que o ensinasse a digitalizar uma fita cassete e transformar o conteúdo em um CD. É simples - disse para ele, conectando um cabo do gravador cassete até o conector de entrada de linha de seu computador. Instalei o SoundForge, regulei os níveis e aí percebi que algo estava acontecendo de muito estranho: mesmo com o gravador desligado, o indicador de nível de entrada do SoundForge estava marcando um nível sonoro alto. Troquei os cabos, verifiquei passo-a-passo se não fiz nenhuma bobagem e constatei que o problema não era operacional e sim, da placa de som. Infelizmente, o ruído interno da placa era muito alto devido à má qualidade da placa de som. Abri o computador e constatei que a placa de som fazia parte da placa-mãe e não havia nenhum outro slot disponível para acomodar uma outra placa. Digitalizamos assim mesmo, mas o ruído era fácil de perceber. Faça a seguinte experiência: ponha seu SoundForge para funcionar mas não ligue nenhum cabo à entrada da placa de som. Grave, reproduza e analise. Não é porque é digital que a qualidade é 100% garantida, ouviu?

 Curiosidade: você sabia que a grande maioria dos principais discos de rock de todos os tempos vieram de gravadores analógicos?

Até o próximo número! Não perca !