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Sítio do Piropo

B. Piropo

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15/08/2005

< Como funcionam as placas controladoras de som >

I – O Som

Quem usa computador desde os anos oitenta provavelmente ainda lembra: tudo o que eles eram capazes de fazer em matéria de som era emitir tímidos bipes por um pequeno alto-falante cuja função era alertar o usuário sobre algum erro cometido. Nada além disso. Mas no início dos anos noventa começaram a aparecer os chamados "computadores multimídia", que além de exibir imagens multicoloridas, eram capazes de gerar efeitos sonoros complexos e até mesmo reproduzir CDs de áudio com razoável fidelidade. Foi nessa época que surgiram as primeiras controladoras (ou "placas") de som. Como elas funcionam?

Bem, para entender como um computador pode gerar e reproduzir sons, é preciso ter uma idéia sobre a natureza do som propriamente dito e conhecer suas principais características.

Som é uma forma de energia. Em linguagem técnica, e segundo a Wikipedia (veja a definição em inglês em sound), som "é uma variação da pressão, deslocamento de partículas ou velocidade de propagação de partículas em um material elástico ou uma série de compressões e rarefações mecânicas ou ondas longitudinais que se propagam sucessivamente através de meios que são pelo menos um pouco compressíveis". Parece uma coisa complicada, mas na verdade é muito simples quando "destrinchada".

Animação 1 – Geração de um som

Veja a Animação 1, que representa esquematicamente a geração de um som pela vibração da corda de um violino. Repare que a corda, quando tangida pelo arco, começa a vibrar nos dois sentidos, encurvando-se para a direita e para a esquerda. Quando ela se encurva para a esquerda, comprime o ar que está entre ela e o ouvido do observador. O ar é um meio elástico, como sabem todos os que já viram o rebote de uma bola de futebol quando violentamente arremessada contra uma parede: o ar nela contido é comprimido contra a parede e, sendo elástico, sua descompressão provoca uma força contra a parede que a faz dela se afastar. Pois bem: é essa elasticidade do ar que faz o aumento de pressão se propagar para adiante até o ouvido. Quando a corda retrocede, encurvando-se no sentido oposto, ela "suga" o ar, que se rarefaz, reduzindo a pressão. Essa redução de pressão também se propaga para adiante até atingir o ouvido do observador. Na medida que a corda continua a vibrar, essas compressões e rarefações se sucedem regularmente, provocando uma "onda sonora".

Quem acompanha esta coluna já tem uma idéia do que sejam ondas (quem não acompanha, pode passar a acompanhar recorrendo aos atalhos para as edições anteriores no pé da página, de onde terá acesso às colunas sobre telas de cristal líquido onde falamos sobre ondas). A diferença entre as ondas luminosas, por exemplo, e as sonoras, é que as primeiras vibram transversalmente à direção em que se propagam, enquanto as sonoras vibram na mesma direção, comprimindo e rarefazendo o meio. Por isso diz-se que elas são "longitudinais". Mas fora isso, elas são bastante semelhantes às ondas transversais e podem ser representadas da mesma maneira. No que toca à representação, a diferença é que a forma da onda sonora mostra a variação da pressão (do ar, no caso do som que se propaga no ar) ao longo do tempo.

Isso pode ser melhor entendido acompanhando a formação da onda representada do lado direito da animação pela linha marrom que se forma acompanhando o movimento da corda. Ela é formada sobre um gráfico cujo eixo vertical representa a intensidade da pressão do ar e o eixo horizontal o tempo decorrido. Note que enquanto a corda se movimenta para a esquerda, a pressão do ar entre ela e o ouvido do observador aumenta e a curva sobe, refletindo este aumento, até atingir o máximo quando a corda está completamente encurvada. A partir deste ponto, a corda começa a recuar e a pressão vai diminuindo até se tornar negativa, atingindo o valor mínimo quando a corda está completamente encurvada no sentido oposto ao do ouvido do observador, voltando a subir e a descer acompanhando o movimento da corda. A onda sobe e desce acompanhando esta variação de pressão.

Essa é a chamada "onda sonora" (que, evidentemente, prossegue para fora do desenho enquanto a corda se mantiver vibrando; na animação ela termina após duas oscilações completas e volta ao início apenas por conveniência de representação).

Essa sucessão de compressões e descompressões penetra no pavilhão auricular do ouvinte e alcança o tímpano, uma membrana muito sensível situada no fundo do ouvido médio, fazendo-o vibrar em consonância com as vibrações da corda. As vibrações do tímpano são transmitidas através do ouvido interno até terminações nervosas que as transmitem ao cérebro, que por sua vez as interpreta como aquilo que conhecemos como "som".

Agora fica mais fácil entender a definição de som: ele nada mais é que uma sucessão de compressões e rarefações de um meio elástico (no caso mais comum, o ar) que pode ser fielmente representado por uma onda sonora.

Esta onda pode ser simples ou complexa. No caso da onda que se forma na Animação 1, ela corresponde a um som monótono, uma nota contínua que vibra com a mesma intensidade ao longo do tempo, como o som produzido por um diapasão. É a onda sonora mais simples.

Forma de onda de um som

Figura 1: Forma de onda de um som simples

Sons do mundo real costumam ter formas de onda mais complicadas, irregulares. Veja, na Figura 1, a forma de onda de um som relativamente simples, um dos sinais sonoros usados por Windows (se você usa Windows XP ele pode ser encontrado em seu disco rígido sob a forma do arquivo "Padrão do Windows XP. wav" na pasta WINDOWS ou em uma de suas sub-pastas, mas você pode ouvi-lo clicando sobre o ícone abaixo).

Som 1: "Padrão do Windows XP"

Como se vê, embora sendo um som relativamente simples, o formato da onda que o representa é razoavelmente complexo. Mas mesmo sons muito mais sofisticados podem ser representados por uma onda. Para ficarmos apenas nos sons de Windows, veja o exemplo da Figura 2.

onda de um som complexo

Figura 2: Forma de onda de um som complexo

Para quem usa Windows XP, o som cuja forma de onda está representada na Figura 2 também é familiar. É o acorde que soa quando Windows XP termina sua inicialização, carrega a "Área de trabalho" e se coloca à disposição do usuário (também se aboleta na mesma pasta, no arquivo "Inicialização de Windows XP. wav"). Se você não o conhece ou não se lembra dele, ouça-o clicando no ícone abaixo.

Som 2: "Inicialização do Windows XP"

Do que se viu até agora é fácil concluir que qualquer som, seja ele um simples gemido até a mais complexa sinfonia, pode ser representado fielmente por sua forma de onda.

Ondas sonoras apresentam dois parâmetros que correspondem às duas características fundamentais de qualquer som: intensidade e freqüência. A intensidade distingue o som "forte" do som "fraco". O som de um grito é mais intenso que o de um gemido. A freqüência distingue o som agudo do som grave. O trinado de um pássaro é mais agudo (tem freqüência maior) que o rugido de um leão.

Formas de ondas

Figura 3: Formas de ondas

No gráfico da Figura 3 estão representadas algumas formas de onda sonoras para que possamos distinguir suas intensidades e freqüências e como elas se refletem nas respectivas formas de onda. Como na Animação 1, o eixo vertical representa o valor da intensidade e o eixo horizontal representa o tempo. Toda onda é uma sucessão de oscilações, com picos no ponto mais alto (mais afastado para cima em relação ao eixo horizontal) e vales no ponto mais baixo (mais afastado para baixo em relação ao eixo horizontal). Um ciclo corresponde a uma oscilação completa e inclui um pico e um vale completos sucessivos. Na Figura 3 o ciclo corresponde ao trecho da onda representado entre os pontos "a" e "b". A freqüência de uma onda corresponde ao número de ciclos executados na unidade de tempo, em geral um segundo. Sua unidade é o Hertz, que se abrevia Hz e corresponde a uma onda que executa um ciclo em um segundo. Já a amplitude representa a distância vertical entre um pico e um vale sucessivos. Ela corresponde à distância entre os pontos "c" e "d" da Figura 3. A amplitude representa a intensidade do som.

Agora podemos comparar as demais formas de onda representadas na Figura 3. A primeira a partir da esquerda corresponde a um som de grande amplitude (grande distância entre picos e vales) e pequena freqüência (poucos ciclos ao longo do tempo), portanto forte e grave como um trovão. O segundo corresponde a um som de pequena amplitude e pequena freqüência, portanto fraco e grave como o rosnado de um cão. O terceiro corresponde a um som de grande amplitude e grande freqüência, portanto forte e agudo como guincho da freada de um carro. Finalmente o último corresponde a um som de pequena amplitude e grande freqüência, portanto a um som fraco e agudo como o pio de um pássaro.

Combinando diferentes intensidades e freqüências pode-se produzir qualquer som audível, ou seja, capaz de ser percebido pelo ouvido humano (cuja sensibilidade o limita a identificar apenas sons com freqüências entre 20 Hz e 20.000 Hz).

Resta agora ver como fazer para que eles sejam processados pelos computadores.