|
Introduzione
Nella scorsa dispensa abbiamo visto che cos'è un suono
e abbiamo seguito il percorso che compie per giungere fino
al nostro orecchio. Un viaggio che inizia da un corpo oscillante,
per esempio la corda di una chitarra, e continua nell'aria
circostante, dove il suono si propaga sotto forma di un'onda
di pressione. Abbiamo anche visto quali sono i meccanismi
fisiologici che determinano il modo in cui noi siamo in grado
di percepire i suoni trasformandoli in segnali elettrici che
viaggiano tra i neuroni del cervello.
I suoni che ascoltiamo, però, non sempre provengono
dalla vibrazione di oggetti naturali, molto spesso infatti
sono generati dalla membrana di cartone di un altoparlante.
In effetti l'altoparlante è stato costruito proprio
per riuscire ad imitare la vibrazione di qualsiasi corpo e,
quindi, per essere in grado di generare qualsiasi tipo di
suono. L'altoparlante, però, non sarebbe in grado di
funzionare senza la possibilità di trasformare un suono
in un segnale elettrico, come abbiamo visto nella dispensa
precedente.
In questa dispensa continueremo il discorso parlando di un'altra
trasformazione molto importante che il suono subisce per poter
essere memorizzato, trasmesso, ed elaborato da un computer.
La conversione analogico digitale
Come sappiamo l'unico tipo di informazione che i computer
sono in grado di elaborare è quella composta da numeri
binari, ovvero lunghe sequenze di 0 e 1. Fortunatamente, al
contrario di quanto potrebbe sembrare a prima vista, questa
limitazione non impedisce al computer di utilizzare ed elaborare
i suoni, dato che, utilizzando dei dispositivi chiamati convertitori
analogico-digitali o più brevemente ADC, si possono
trasformare i suoni in sequenze di numeri.
Ma come avviene questa conversione di un'onda di pressione
in una sequenza di numeri? Se osserviamo la figura seguente
vediamo che, per effettuare questa conversione sono necessari
due passi: per prima cosa, usando un microfono, si deve trasformare
l'onda di pressione in un'onda di potenziale elettrico, ovvero
in un segnale analogico. Successivamente questo segnale verrà
filtrato e poi inviato all' ADC che lo convertirà in
una sequenza digitale di numeri binari.
Come vedremo questi numeri binari potranno essere utilizzati
da un computer o memorizzati su un supporto digitale, come
ad esempio un Hard Disc o un CD Rom. Una introduzione abbastanza
chiara e semplice per chi vuole approfondire questo argomento
si può trovare sul sito http://www.windoweb.it/edpstory_new/ev_binario.htm
Per produrre una sequenza di numeri binari da un segnale analogico
l'ADC procede in due passi.
Il primo passo consiste nel trasformare l'onda che arriva
al suo ingresso in un insieme di gradini. Questa trasformazione
corrisponde a prendere, o più precisamente campionare,
un solo valore dell'ampiezza del suono ad intervalli di tempo
regolari. E' un procedimento simile a quello che effettua
una cinepresa quando trasforma una immagine in movimento in
una sequenza di fotografie. La grossa differenza è
che per ricostruire un filmato sono necessarie circa 50 immagini
al secondo mentre per ricostruire un suono si utilizzano circa
40.000 valori di ampiezza al secondo.
Il numero di valori di ampiezza che l'ADC preleva dal segnale
analogico in un secondo si chiama Frequenza di Campionamento
ed è un parametro molto importante. Infatti si può
dimostrare che, se la nostra scheda audio campiona ad una
frequenza F la massima frequenza che possiamo rappresentare
in un suono sarà pari a F/2. Quindi, per esempio, se
usiamo come frequenza di campionamento 44100 Hz, come fa la
maggior parte dei dispositivi audio, preleviamo dal suono
44100 valori di ampiezza al secondo e la massima frequenza
che il nostro suono potrà contenere sarà di
22000 Hz. Se invece campioniamo un suono a 22500 Hz la massima
frequenza che può contenere il suono campionato scende
a 11000 Hz, e quindi perderemo le sfumature più acute
del suono.
Il secondo passo, chiamato quantizzazione, consiste invece
nel trasformare l'altezza di ognuno di questi gradini in un
numero binario che potrà finalmente essere utilizzato
dal computer. Il numero che rappresenta un singolo gradino
di solito viene chiamato campione sonoro. Generalmente questo
numero viene rappresentato su 16 bit in modo tale da consentire
ben 65536 intervalli possibili di ampiezza. Se usassimo solo
8 bit per quantizzare il suono, i valori di ampiezza possibili
per ogni campione sarebbero 256, e questo implica che il suono
finale risulterebbe più rumoroso che utilizzando 16
bit. Per convincervene potete fare una prova voi stessi utilizzando
ad esempio un Wave Editor per cambiare questi parametri ed
ascoltare la differenza.
Ma in pratica, se vogliamo registrare un suono sul computer,
dove possiamo trovare l'applicazione che ci consente di scegliere
la frequenza di campionamento e il numero di bit per campione
che verranno utilizzati? Se andiamo sulla barra degli strumenti
di Windows, troviamo un altoparlantino giallo e se facciamo
un click con il tasto destro del mouse su questo altoparlante,
si apre la finestra che viene usata proprio per controllare
i parametri per la registrazione di suoni in Windows.
A questo punto siete pronti per registrare e, se non avete
ancora un Wave Editor a disposizione, potete sempre ricorrere
al registratore di suoni fornito da Windows, che si trova
nella cartella multimedia.
Per saperne di più sul suono digitale e sulle possibilità
che ci sono offerte dal suo trattamento con il computer vi
segnalo un ottimo corso on-line di Thomas Serafini dedicato
a questo argomento e che si trova all'indirizzo http://www.kultunderground.org/w9701/cmusic2.htm
. Il corso è stato sviluppato qualche anno fa ma,
a mio avviso, è ancora utile e sufficientemente attuale.
I file audio
Abbiamo visto che il convertitore analogico digitale trasforma
l'onda sonora in un flusso di bit che viene inviato al computer,
e questa operazione viene chiamata campionamento di un suono.
Ma quanti bit sono necessari per campionare un suono con una
qualità paragonabile a quella di un CD musicale? Vediamo
come calcolarlo: per prima cosa consideriamo che per descrivere
un suono stereo ci servono due onde sonore che corrispondono
al canale sinistro e destro. Da ognuna di queste due onde
vengono campionati 44100 valori al secondo, e per rappresentare
il valore numerico di ognuno di questi campioni sonori si
useranno 2 byte.
Date queste premesse, se fate due conti, vedrete che, per
campionare una canzone di tre minuti, un computer utilizza
circa 30 Megabyte che possono essere memorizzati sull'hard
disk sotto forma di un file.
Per descrivere questi file di suoni il computer può
usare molti formati differenti, ma il più utilizzato
è sicuramente quello standard di windows che viene
chiamato wave ed ha come estensione *.wav. Vi ricordo che
un formato di un file rappresenta una sorta di convenzione
che viene usata dal computer per distinguere tra loro e interpretare
in modo corretto le informazioni memorizzate. Ad esempio,
per memorizzare su di un file lo stesso testo scritto, possiamo
usare il formato di un programma come Word, che ha estensione
*.doc oppure il formato utilizzato dalla Notepad, che ha estensione
*.txt.
Per saperne di più sui formati con cui si campionano
i suoni potete andare all'indirizzo http://marte05.interfree.it/Formatiaudio.pdf
Se il computer si limitasse ad acquisire, memorizzare e riascoltare
i suoni però non sarebbe altro che un grosso e costoso
registratore musicale. In realtà, come vedremo, il
computer ha in serbo ben altre risorse, come, ad esempio,
la capacità di elaborare, ovvero di trasformare e combinare
questi suoni, in modo sorprendentemente facile e veloce. Queste
sue capacità sono tali da consentire a molti musicisti
di realizzare le loro canzoni utilizzando il computer come
un vero e proprio studio di registrazione. Ma per visualizzare
e trasformare i suoni servono degli appositi programmi che
sono chiamati wave editor, allo stesso modo in cui, per modificare
e visualizzare un testo scritto il computer usa un text editor
o un word processor.
La conversione digitale analogica
Grazie alla conversione analogico-digitale un computer è
in grado di acquisire e memorizzare un suono trasformandolo
in una sequenza di numeri binari. Per ascoltare questa sequenza
di numeri però è necessario un ulteriore passaggio:
la conversione di questa sequenza digitale in un segnale analogico
che possa essere poi inviato ad un amplificatore e trasformato
in suono da un altoparlante.
Il componente che si occupa di questa trasformazione si chiama
DAC, Convertitore Digitale Analogico, e rappresenta la porta
di uscita del suono di un dispositivo digitale. Questo componente
infatti è presente non solo sulle schede audio dei
computer ma anche sui lettori di CD, sulle tastiere musicali
e in qualsiasi dispositivo digitale che emetta dei suoni a
partire da una sequenza digitale di numeri.
I DAC e gli ADC rappresentano quindi le porte attraverso cui
un suono entra ed esce da un computer. Purtroppo queste porte
non si comportano in modo del tutto trasparente nei confronti
del segnale che le attraversa ma hanno la antipatica tendenza
di aggiungere del rumore e di distorcere il segnale durante
la conversione. Per questo motivo il suono digitale non è
di per sé una garanzia di qualità e fedeltà
a meno che non si utilizzino dei convertitori adatti alle
nostre esigenze.
La scheda audio
I convertitori ADC e DAC in genere non sono integrati direttamente
sulla scheda madre di un computer ma si trovano su di una
apposito componente, chiamato scheda audio, che si inserisce
in uno degli slot di espansione del computer. Vi ricordo che,
alle volte, i convertitori della scheda vengono chiamati CODEC
ma questa sigla non rappresenta altro che degli ADC e DAC
di qualità non troppo elevata integrati in un unico
componente.
Come vedete nella figura 6, sul dorso della scheda appaiono
delle prese che servono per collegare l'ingresso degli ADC
ad un microfono o ad un qualsiasi altro strumento elettronico
e l'uscita dei DAC ad un amplificatore o ad un paio di casse
amplificate. Molte schede audio consentono anche di collegare
una tastiera musicale al computer usando una apposita presa
MIDI. Questo nome deriva dal fatto che questa presa non riceve
direttamente il suono ma dei codici particolari, chiamati
MIDI, che in pratica dicono al computer quale tasto o quale
pulsante è stato premuto sulla tastiera musicale. Del
MIDI comunque parleremo più in dettaglio nella prossima
dispensa.
Oltre ai convertitori, sulla scheda spesso è presente
anche un sintetizzatore che è in grado di riprodurre
il suono di moltissimi strumenti musicali e che, come vedremo
nella prossima dispensa, può essere usato per suonare
delle partiture o in collegamento con una tastiera musicale.
Qualsiasi altra informazione vogliate avere sulle schede audio
la potete trovare su questo sito.
Regolazione dei volumi su PC
Per regolare il volume degli ingressi e delle uscite del suono
sul computer esiste un apposito mixer software che si può
raggiungere facendo un doppio click sull'icona a forma di
altoparlante che si trova sulla barra delle applicazioni.
Ma a cosa serve questo mixer? Facciamo un esempio: abbiamo
appena inserito l'ultimo CD del nostro cantante preferito
nel lettore di CD Rom lo stiamo ascoltando mentre scriviamo
una mail. Ad un certo punto un suono del sistema, tipo "ding
!!", ci perfora le orecchie. Cosa possiamo fare per abbassare
il volume dei suoni del sistema operativo e ascoltare in pace
il CD? In casi come questo basterà andare sulla sezione
"Controllo dei Volumi", o "Volume Control"
in inglese, e alzare il livello del cursore "CD"
oppure abbassare il livello del cursore "Wave".
Se vogliamo alzare il volume di tutti i suoni che escono dal
computer invece alzeremo il cursore a sinistra che rappresenta
il livello generale di uscita audio.
Oltre alla sezione di uscita, il mixer del nostro PC contiene
anche una sezione di ingresso che si utilizza per scegliere
da quale sorgente vogliamo che il computer registri - o meglio
campioni - i suoni. Nella figura seguente vediamo, ad esempio,
che il mixer è stato impostato in modo tale da selezionare
il suono che proviene dal microfono per la registrazione.
Gli Editor di Suoni
Come abbiamo visto con il computer è possibile campionare
e memorizzare su Hard Disk un suono che proviene da un CD
audio, da un microfono e perfino da uno strumento elettronico
come, ad esempio, una chitarra elettrica. Ma non è
finita! Con dei programmi chiamati Wave Editor, o Editor di
Suoni, infatti è possibile visualizzare e trasformare
a nostro piacimento qualsiasi file sonoro. La figura seguente
mostra proprio un esempio di Wave Editor, che si chiama Goldwave
e che si può scaricare liberamente da Internet all'indirizzo
http://www.goldwave.com.
Riassumendo in poche parole, comunque, si può dire
che un Wave Editor è l'equivalente per i suoni di quello
che rappresenta un Word Processor per le parole: con entrambi
i programmi infatti noi siamo in grado di modificare i file
di partenza nel modo più profondo e completo. Ad esempio
possiamo tagliare un suono, filtrarlo per togliere componenti
troppo basse o troppo acute, aggiungere un riverbero per simulare
l'effetto di una sala da concerto e così via.
Il formato MP3
Abbiamo visto che un suono digitale ha bisogno di molti bit
per essere rappresentato. Per avere un idea di quanto questo
sia vero, considerate che su un dischetto possiamo memorizzare
appena 8 secondi di musica ad alta qualità. Questa
ingordigia di bit purtroppo comporta molti svantaggi: il primo,
e più importante, è che per far viaggiare un
suono campionato su Internet occorre molto tempo; il secondo
è che, se ci appassioniamo alla registrazione musicale,
possiamo facilmente riempire il nostro Hard Disk di suoni
campionati.
Per ovviare a questo problema è si è pensato
di comprimere i suoni digitali e quindi di togliere dal suono
tutto quelle caratteristiche che non siamo in grado di percepire.
Per applicare questa strategia però occorre però
prima capire a fondo come funzionano i meccanismi percettivi
dell'orecchio.
L'apparato uditivo, in effetti, non percepisce direttamente
il suono ma il suo spettro, ovvero l'insieme delle componenti
armoniche - delle frequenze - che lo compongono. Inoltre il
nostro ricevitore naturale, la coclea, è strutturato
in modo che le frequenze più forti presenti nello spettro
del suono tendono a mascherare le frequenze vicine e quindi
queste ultime non vengono percepite e possono essere eliminate
dal suono. Nella figura seguente si vede lo spettro di un
suono con evidenziate le armoniche più intense (in
verde) e la curva di mascheramento dell'orecchio.
Un programma di compressione per il suono quindi si comporta
come una sorta di orecchio informatico che trasforma prima
il suono nel suo spettro e successivamente toglie dallo spettro
tutte le armoniche che non vengono percepite. Se consideriamo
che si può eliminare oltre il novanta per cento delle
frequenze presenti in un suono ci rendiamo conto della potenza
di questo metodo: un suono che in origine occupava undici
megabyte, dopo la compressione di tipo percettivo ne occupa
solo uno e la perdita di qualità tra queste due rappresentazioni
del suono è quasi indistinguibile.
Se volete provare ad ascoltare musica compressa potete, ad
esempio, utilizzare un programma chiamato Windows Media Player.
Windows Media Player, come molti altri programmi simili che
potete trovare in rete, utilizza uno standard di compressione
audio chiamato MP3. Lo standard MP3 rappresenta la sezione
audio di uno standard più completo, chiamato MPEG layer
3, che viene utilizzato per la codifica dei film in formato
digitale negli attuali DVD. Per trovare musica in questo formato
potete iniziare la vostra ricerca dal sito http://www.mp3.com
Come avrete capito, il motivo principale della diffusione
e della fama dell'MP3 risiede nel fatto che questo standard,
rendendo i file di suoni molto più compatti, ha consentito
finalmente la diffusione e lo scambio della musica su Internet.
Per finire, se volete conoscere meglio come funziona questo
sistema di compressione del suono e le sue applicazioni pratiche,
vi consiglio di andare a vedere la pagina http://www.xelenio.com/basica.
a cura di MediaMente - Rai Educational
un grazie ad Andrea Paladin per averci accordato la pubblicazione
di questa serie di dispense.
*estratto da
www.xelenio.com
|
