O uso de efeitos via processamento de áudio nas músicas contemporâneas tem crescido nas últimas décadas desde a ascenção da eletrônica como também de alguns gêneros musicais, como os derivados do Rock, Blues e Jazz. Entre vários instrumentos, incluindo sintetizadores, um instrumento muito popular a usar esse tipo de recurso são as guitarras elétricas, como efeitos para distorcer o sinal eletroacústico para dar um carácter mais vivo a solistas com sons tão vivos como os violinos.
Para a construção desses filtros existem duas abordagem clássicas:
- Processamento de Áudio Analógico
- Processamento de Áudio Digital
Embora (1) seja muito poderoso e riquíssimo em qualidade, como amplificadores valvulados, nos últimos anos entre vários músicos tem-se tornado muito popular a versão digital desses filtros por conta da versatilidade de encontrar num único dispositivo computacional, como uma pedaleira digital [fn:1], uma vasta capacidade de incluir de simuladores de amplificadores valvulados e analógicos, como inúmeros efeitos de filtros de sinais. O que contribui positivamente para a versabilidade do músico, um custo menor e também portabilidade do equipamento.
O embasamento das técnicas envolvidas para tais projetos e produtos, tem coma a teoria conhecida por: Processamento Digital de Sinais – ou Digital Siginal Processing (DSP) em inglês.
Este relatório descreve os resultados de uma implementação de três filtros digitais usado comumente em guitarras elétricas usando a plataforma MATLAB. O código está disponível online livremente e pode ser conferido no apêndice.
[fn:1] uma pedaleira digital é um dispositivo de computação embarcada que engloba um conjunto de simuladores de amplificadores analógicos e filtros digitais para processamento de áudio, geralmente usado por guitarristas como uma solução integradora dos pedais analógicos individuais.
As técnicas apresentadas serão os filtros digitais usados para guitarras:
- Delay
- Distorção
- Flanger
Delay é uma palavra inglesa que em português significa atraso. Este atraso é um efeito acústico muito simples que consiste em reproduzir uma réplica de um pico de ondas sonoras com um determinado tempo de atraso do pico de ondas sonoras original. Isto funciona como que um eco no som.
A ideia por trás de um filtro delay é ter réplicas defasadas das mesmas amostras somadas ao sinal de origem. Dessa maneira, pode-se iludir a percepção que existe mais de uma pessoa tocando tal como criar melodias complexas com a ideia de delay. Um bom exemplo de música popular que usa Delay é o riff [fn:2] na música Welcome to The Jungle da banda americana Guns N’ Roses .
Em geral, o esquema relacionado de um filtro delay pode ser resumido de uma maneira simplória como a seguir:
[fn:2] Jargão geralmente usados por guitarristas para denotar um arranjo musical executado repetitivamente como uma chave de uma música.
Historicamente, a distorção de sinais ocorreu como um acidente ao sobrecarregar o ganho (volume) de um amplificador além do limite especificado. No entanto, músicos notaram que aquele som característico poderia ser de fato algo desejável e de 1942 até hoje, através principalmente do Blues, esse tipo de efeito em guitarras se tornou extremamente popular em diversos gêneros musicais.
A distorção de um sinal pode ocorrer de várias maneiras, no entanto, para preservarmos as frequências fundamentais do sinal como sua característica, algo especial ocorre nesse caso. Esse efeito é conhecido como Clipping, obstruindo o ganho de um sinal truncando sua magnitude. Ao sobrepor esse sinal no tempo, ainda temos as mesmas frequências, mas a amplitude está distorcida, o que dá esse carácter especial no áudio.
Em geral, o algoritmo implementado para realizar um efeito de distorção segue os seguintes passos:
- Normalizar o sinal pela energia ou potência
- Aplicar ganho
- Aplicar não-linearidade
- Modelar a tonalidade para enfatizar mais agudos ou graves
A respeito do (3) isso é usado diretamente através de amplificadores operacionais, transistores, no entanto nessa implementação apenas usei uma função não-linear qualquer como a função \(erf\) (função erro)
No passo (4) é usado um filtro passa-faixa de acordo com os parâmetros de tonalidade para enfatizar a distorção nas baixas frequências ou altas frequências.
Intuitivamente, Flanging é quando a distancia entre a fonte sonora, a área refletora e o ouvinte varia, o filtro pente desliza para cima e para baixo no espectro das frequências, produzindo um efeito característico. O exemplo mais comum é o da decolagem de um avião a jato.
O uso desse efeito em musica foi acidentalmente inventado durante uma gravação dos Beatles em 1967, quando um mesmo sinal de áudio estava sendo reproduzido por dois gravadores de fita mal sincronizados. Isso provocou atrasos variáveis entre eles e levou a descoberta da maneira de se obter o efeito. Na bateria da segunda parte de “Lucy in the Sky with Diamonds” isso pode ser conferido.
Tecnicamente, um Flanger é um efeito de áudio produzido por mixar dois sinais idênticos juntos, no entanto um dos sinais é atrasado por uma pequena e gradual mudança de período, usualmente menor que 20 milissegundos.
Nessa seção está descrito alguns gráficos demonstrando o uso dos três filtros em amostras de um mesmo som de guitarra com seu respectivo sinal no tempo e as suas Transformada de Fourier. Esses gráficos foram gerados a partir da aplicação com interface gráfica criada apenas para essa simulação.
Como pode-se perceber com essa mera simulação, o poder da aplicação de Processamento Digital de Sinais na música é muito relevante e o conhecimento teórico nessa área permite um arsenal de técnicas diferentes para criar muitos tipos de efeitos sonoros musicais.
Uma extensão para esse trabalho poderia ser feita em relação a adicionar mais filtros a aplicação, tal como planejar um sistema de tempo-real embarcado para o uso na vida prática, como sugestão usando Raspberry Pi e Arduino. Isso seria basicamente implementar, de fato, uma pedaleira digital.
- Rubin, D. (2007). Inside the Blues: 1942 to 1982. Hal Leonard
- Oppenheim, Alan V., Schafer, Ronald W. & Buck, John R. (1999). Discrete-time Signal Processing (2Nd Ed.). Prentice-Hall, Inc.
- Creating an Audio Chorus Effects, acesso em 6 de dezembro de 2017: http://www.danpprince.com/engineering/matlab-chorus/
- Guitar Effects project for Music & Engineering, Fall 2012 at Cooper Union, acesso em 6 de dezembro de 2017: https://github.com/luster/guitar-effects
Repositório online: https://github.com/ryukinix/audio-effects-matlab