Introdução

Entrar no mundo da produção áudio e musical profissional é relativamente fácil hoje em dia. Tudo o que precisa de fazer é descarregar uma estação de trabalho áudio digital (DAW) e começar a trabalhar no seu novo projecto. Muitas vezes, estes DAWs fazem eles próprios a maior parte do trabalho, criando o ambiente criativo perfeito para o seu projecto áudio.

No entanto, à medida que começa a aprofundar o potencial do seu software, aperceber-se-á de que existem definições de áudio que pode ajustar para melhorar a qualidade do seu conteúdo. Uma dessas definições é sem dúvida a taxa de amostragem.

Saber quais são as taxas de amostragem e qual a melhor taxa para o seu projecto é um aspecto fundamental da produção áudio. Uma taxa que pode mudar drasticamente a qualidade das suas criações. Não há uma resposta única quando se trata de taxas de amostragem. Dependendo do conteúdo que está a dar vida, terá de escolher as definições adequadas para garantir resultados óptimos.

Neste artigo, explicarei que taxa de amostragem é essencial. Também passarei em revista qual a taxa de amostragem que deve utilizar com base no facto de ser produtor musical, engenheiro de áudio a trabalhar em vídeo, ou actor de voz-off.

Seria impossível explicar a importância da taxa de amostragem sem dar uma visão geral da audição humana e como o áudio é convertido do analógico para o digital. Por isso, vou começar o artigo com uma breve introdução a esses tópicos.

Este é um tema complexo e bastante técnico. Vou tentar mantê-lo tão simples quanto possível. No entanto, uma compreensão básica das frequências de áudio e de como o som viaja pelo espaço ajudaria. Este artigo também pode ajudar um novato a escolher a configuração ideal para as suas sessões de gravação.

Vamos mergulhar!

Um Poucas Coisas sobre a Audição Humana

Antes de nos aprofundarmos nas complexidades das taxas de amostragem, quero esclarecer algumas coisas sobre como ouvimos e interpretamos os sons, o que nos ajuda a compreender como os sons são gravados e reproduzidos, o que nos dá a informação necessária para realçar a importância da taxa de amostragem.

O som viaja através do ar em ondas. Quando uma onda sonora entra no canal auditivo e chega ao tímpano, este vibra e envia estas vibrações para três ossos minúsculos chamados malleus, incus, e estribo.

O ouvido interno transforma as vibrações em energia eléctrica. O cérebro interpreta então o sinal. Cada som vibra a uma frequência de onda senoidal específica, tornando-o único como se fosse uma impressão digital sónica. A frequência de uma onda sonora determina o seu tom.

Os humanos percebem a frequência das ondas sonoras como breu. Podemos ouvir sons entre 20 e 20.000 Hz e somos mais sensíveis a frequências entre 2.000 e 5.000 Hz. À medida que envelhecemos, perdemos a capacidade de ouvir frequências mais elevadas. Alguns animais, como os golfinhos, podem ouvir frequências até 100.000 Hz; outros, como as baleias, podem ouvir sons infra-sónicos até 7 Hz.

Quanto maior for o comprimento de onda do som audível, menor será a frequência. Por exemplo, uma onda de baixa frequência com um comprimento de onda de até 17 metros pode corresponder a 20 Hz. Inversamente, as ondas de maior frequência, até 20.000 Hz, podem ser tão pequenas quanto 1,7 centímetros.

A gama de frequências audíveis pelos humanos é limitada e claramente definida. Por conseguinte, os dispositivos de gravação e reprodução de áudio concentram-se na captação de sons que os humanos podem ouvir. Todos os sons gravados que se ouvem, desde os seus CDs favoritos até às gravações de campo em documentários, são feitos usando dispositivos que captam e reproduzem com precisão os sons que os humanos podem ouvir.

A tecnologia evoluiu com base nas nossas capacidades e necessidades auditivas. Existe uma vasta gama de frequências que os nossos ouvidos e cérebros não registam, uma vez que a evolução decretou que não eram necessárias para a nossa sobrevivência. No entanto, temos hoje à nossa disposição ferramentas de gravação áudio que permitem captar sons que mesmo o ouvido humano mais treinado não seria capaz de reconhecer.

Como veremos abaixo, acontece que as frequências que não conseguimos ouvir ainda podem afectar as que estão dentro do nosso alcance audível. Por outro lado, se as frequências de gravação fora do nosso espectro audível têm um impacto na qualidade de áudio ainda é uma questão de debate.

A taxa de amostragem entra em jogo quando convertemos um sinal analógico (natural) de áudio em dados digitais, para que os nossos dispositivos electrónicos possam processá-lo e reproduzi-lo.

Conversão de Áudio Analógico para Áudio Digital

A conversão de uma onda sonora do analógico para o digital requer um gravador que possa traduzir sons naturais em dados. Portanto, a transição entre formas de onda analógicas para informação digital é um passo necessário quando se grava áudio no PC através de uma estação de trabalho de áudio digital.

Ao gravar, traços específicos de uma onda sonora, como o seu alcance dinâmico e frequência, são traduzidos em pedaços de informação digital: algo que o nosso computador pode compreender e interpretar. Para transformar uma forma de onda original num sinal digital, precisamos de descrever matematicamente a forma de onda capturando uma grande quantidade de "instantâneos" desta forma de onda até conseguirmos descrever completamente a sua amplitude.

Estes instantâneos são chamados de taxas de amostragem. Eles ajudam-nos a identificar as características que definem a forma de onda, para que o computador possa recriar uma versão digital da onda sonora que soe precisamente (ou quase) como o original.

Este processo de conversão do sinal de áudio de analógico para digital pode ser feito através de uma interface de áudio. Eles ligam instrumentos musicais ao seu PC e DAW, recriando o áudio analógico como uma forma de onda digital.

Tal como a taxa de frames para vídeos, quanto mais informação tiver, melhor. Neste caso, quanto maior for a taxa de amostragem, mais informação temos sobre um conteúdo de frequência específico, que pode então ser convertido perfeitamente em bits de informação.

Agora que sabemos como utilizar as nossas estações de trabalho áudio digital para gravar e editar sons, é altura de analisar a importância da taxa de amostragem e ver como esta afecta a qualidade do áudio.

Taxa de amostragem: A Definição

Simplificando, a taxa de amostragem é o número de vezes por segundo em que se recolhe uma amostra de áudio. Por exemplo, a uma taxa de amostragem de 44,1 kHz, a forma de onda é capturada 44100 vezes por segundo.

De acordo com o teorema de Nyquist-Shannon, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência mais elevada que pretende captar para representar um sinal áudio com precisão. Espere, o quê?

Em resumo, se quiser medir a frequência de uma onda sonora, deve primeiro identificar o seu ciclo completo, o qual compreende uma fase positiva e uma fase negativa. Ambas as fases têm de ser detectadas e amostradas se quiser captar e recriar com precisão a frequência.

Ao utilizar a taxa de amostragem padrão de 44,1 kHz, irá gravar perfeitamente frequências ligeiramente superiores a 20.000 Hz, que é o nível de frequência mais elevado que os humanos podem ouvir. É também por isso que 44,1 kHz é ainda considerado a qualidade padrão para CDs. Toda a música que ouve em CD tem esta taxa de amostragem padrão.

Porquê 44,1 kHz e não 40 kHz, então? Porque, quando o sinal é convertido para digital, as frequências acima das audíveis pelos humanos filtram através de um filtro de baixa passagem. Os 4,1kHz adicionais dão ao filtro de baixa passagem espaço suficiente, de modo a não afectar o conteúdo de alta frequência.

A utilização de uma taxa de amostragem mais elevada de 96.000 Hz irá fornecer-lhe uma gama de frequências até 48.000 Hz, muito acima do espectro auditivo humano. Actualmente, um equipamento de gravação de música de boa qualidade permite gravar a uma taxa de amostragem ainda mais elevada de 192.000 Hz, capturando assim frequências de áudio até 96.000 Hz.

Porque é que temos a possibilidade de gravar frequências tão altas se não as conseguimos ouvir em primeiro lugar? Muitos profissionais e engenheiros de áudio concordam que as frequências acima do espectro audível ainda podem ter um impacto na qualidade sonora global de uma gravação. A interferência subtil destes sons ultra-sónicos, se não forem captados correctamente, pode criar uma distorção que interfere com as frequênciasdentro do espectro 20 Hz - 20.000 Hz.

Na minha opinião, o impacto negativo destas frequências ultra-sónicas na qualidade sonora global é insignificante. No entanto, vale a pena analisar a questão mais comum que poderá encontrar quando gravar sons. Ajudá-lo-á a decidir se o aumento da sua taxa de amostragem melhoraria a qualidade das suas gravações.

Aliasing

O aliasing é um fenómeno que ocorre sempre que o áudio não é reinterpretado correctamente pela taxa de amostragem que se está a utilizar. É uma preocupação significativa para os designers de som e engenheiros de áudio. É a razão pela qual muitos deles optam por uma taxa de amostragem mais elevada para evitar o problema.

Quando as frequências mais altas são demasiado altas para serem capturadas pela taxa de amostragem, podem ser reproduzidas como frequências mais baixas. Isto porque cada frequência acima do limite de frequência Nyquist (que, se estiver a gravar a 44,1 kHz, seria 2,050 Hz), o áudio reflectirá para trás, tornando-se um "pseudónimo" de frequências mais baixas.

Um exemplo deve ajudar a esclarecer este fenómeno. Se gravar áudio usando uma taxa de amostragem de 44.100 Hz e durante a fase de mistura, acrescenta alguns efeitos que empurram as frequências mais altas até 26.000 Hz. Por causa disto, os 3.950 Hz adicionais ricocheteariam e criariam um sinal de áudio de 18.100 Hz que interferiria com as frequências naturais.

A melhor maneira de evitar este problema é utilizar taxas de amostragem mais elevadas na sua estação de trabalho de áudio digital. Desta forma, fará com que certas frequências acima de 20.000 Hz sejam capturadas correctamente. Depois, poderá utilizá-las caso seja necessário.

Existem também filtros de baixa passagem que descartam frequências acima do limite de frequência Nyquist, impedindo assim a ocorrência de aliasing. Finalmente, o upsampling através de plug-ins dedicados é também uma opção válida. A utilização de CPU será muito mais elevada do que anteriormente, mas o aliasing terá menos probabilidades de ocorrer.

As taxas de amostragem mais comuns

Quanto maior for a taxa de amostragem, mais precisa será a representação de ondas sonoras. Taxas de amostragem mais baixas significam menos amostras por segundo. Com menos dados áudio, a representação de áudio será aproximada, até certo ponto.

Os valores mais comuns da taxa de amostragem são 44,1 kHz e 48 kHz. 44,1 kHz é a taxa padrão para CDs de áudio. Geralmente, os filmes usam 48 kHz de áudio. Embora ambas as taxas de amostragem possam capturar com precisão todo o espectro de frequências da audição humana, os produtores e engenheiros musicais optam frequentemente por utilizar taxas de amostragem mais elevadas para criar gravações em alta resolução.

Quando se trata de misturar e dominar música, por exemplo, é essencial ter o máximo de dados possível e captar todas as frequências, que os engenheiros podem utilizar para fornecer o som perfeito. Embora estas frequências ultra-sónicas não possam ser ouvidas, ainda assim interagem e criam uma distorção de intermodulação que é claramente audível.

Aqui estão as opções se quiser explorar taxas de amostragem elevadas:

• 88,2 kHz

  Como mencionei anteriormente, as frequências que os humanos não conseguem ouvir ainda manipulam e afectam as audíveis. Esta taxa de amostragem é uma excelente opção para misturar e dominar a música. Produz menos aliasing (sons que não podem ser representados correctamente dentro da taxa de amostragem utilizada) quando se converte de digital para analógico.

• 96 kHz

  Semelhante aos 88,2 kHz, gravar música a 96 kHz é ideal para mistura e masterização. No entanto, certifique-se de que o seu computador consegue lidar com isto, uma vez que cada gravação irá requerer mais poder de processamento e espaço de armazenamento.

• 192 kHz

  As modernas interfaces áudio de qualidade de estúdio suportam taxas de amostragem até 192KHz. Isto é quatro vezes a qualidade de CD padrão, o que pode parecer um pouco exagerado. Contudo, a utilização desta taxa de amostragem pode ser útil se estiver a planear abrandar significativamente as suas gravações, uma vez que manterão uma qualidade áudio em alta resolução mesmo a meia velocidade.

Mais uma vez, a diferença entre estas taxas de amostragem pode ser muito subtil. Embora muitos engenheiros de áudio acreditem que é fundamental obter o máximo de informação possível da gravação original, a fim de recriar áudio verdadeiramente autêntico.

Esta abordagem também é possível graças à vasta melhoria da tecnologia que experimentamos ao longo da última década. O espaço de armazenamento e as capacidades de processamento dos computadores domésticos aumentaram dramaticamente o potencial do que podemos fazer com eles. Então porque não aproveitar ao máximo o que temos à nossa disposição?

Aqui está o senão, há o risco de sobrecarregar o seu PC e acrescentar stress desnecessário ao uso da sua CPU. Portanto, a menos que ouça claramente uma diferença na qualidade das suas gravações, eu recomendaria que optasse pelas taxas de amostragem padrão que têm sido utilizadas há anos e que fornecesse resultados imaculados.

Que taxa de amostragem deve utilizar quando grava?

Há duas respostas a esta pergunta, uma simples e outra mais complicada. Comecemos pela primeira.

Globalmente, a gravação a 44,1kHz é uma opção segura que lhe proporcionará gravações de alta qualidade, independentemente do tipo de projecto áudio em que esteja a trabalhar. 44,1kHz é a taxa de amostragem mais comum para CDs de música. Capta com precisão todo o espectro de frequências audíveis.

Esta taxa de amostragem é ideal porque não utilizará muito espaço em disco ou mais energia de CPU. No entanto, continuará a fornecer o som autêntico de que necessita para as suas gravações profissionais.

Se trabalha na indústria cinematográfica, então a melhor taxa de amostragem é de 48 kHz, pois é o padrão da indústria. Em termos de qualidade de áudio, não há diferença entre estas duas taxas de amostragem.

Agora vem a resposta mais complicada. Ao capturar todos os detalhes de uma gravação, irá assegurar que o áudio é idêntico ao som original. Se estiver a gravar um álbum, as frequências de áudio podem ser moduladas e ajustadas ao ponto em que as frequências ultra-sónicas podem afectar subtilmente as audíveis.

Se tiver experiência suficiente e o seu equipamento lhe permitir gravar a uma taxa de amostragem elevada sem problemas, deve tentar. A questão de saber se a qualidade de áudio melhora com taxas de amostragem mais elevadas é ainda discutível. Pode não ouvir qualquer diferença, ou pode perceber que a sua música é agora mais profunda e rica. Sugiro que tente todas as taxas de amostragem e ouça por si próprio se alguma coisa mudar.

Se está a planear abrandar significativamente as suas gravações, deve definitivamente tentar taxas de amostragem mais elevadas. Alguns engenheiros afirmam ouvir a diferença entre taxas de amostragem normais e mais elevadas. No entanto, mesmo que o fizessem, a diferença na qualidade é tão insignificante que 99,9% dos ouvintes não se aperceberão disso.

Como ajustar a taxa de amostragem no seu DAW

Cada DAW é diferente, mas os que oferecem a possibilidade de alterar a taxa de amostragem fazem-no de forma algo semelhante. Tanto quanto sei, é possível alterar a taxa de amostragem em todas as estações de trabalho de áudio digital mais populares, tais como Ableton, FL Studio, Studio One, Cubase, Pro Tools, e Reaper. Até o software gratuito Audacity permite alterar a taxa de amostragem.

Na maioria dos casos, poderá ajustar a taxa de amostragem do seu DAW nas preferências de áudio. A partir daí, pode alterar manualmente a taxa de amostragem e guardar as definições actualizadas. Alguns DAW detectam automaticamente a taxa de amostragem ideal, normalmente 44,1kHz ou 96 kHz.

Recomendo-lhe que faça alguns testes antes de começar a gravar. Aumentar a taxa de amostragem irá sem dúvida reduzir a latência e as hipóteses de aliasing. No entanto, irá também colocar um stress adicional no seu CPU. Também irá acabar com ficheiros de tamanho muito maior. A longo prazo, isto pode afectar o desempenho do seu computador ao reduzir o espaço em disco.

Se quiser baixar a taxa de amostragem, certifique-se de que não vai a lado nenhum abaixo dos 44,1kHz, de acordo com o teorema de frequência Nyquist discutido acima.

Tudo o resto tem um impacto mínimo no seu áudio ou pode ser fixado durante a pós-produção.

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Reflexões finais

Se tiver um estúdio de gravação em casa, escolher a taxa de amostragem é uma das primeiras decisões que terá de tomar antes de gravar sons.

Como músico, sugiro começar pela taxa mais fácil e mais comum: 44,1kHz. Esta taxa de amostragem capta todo o espectro auditivo humano, não ocupa muito espaço em disco e não sobrecarrega a sua CPU. Mas, por outro lado, gravar a 192KHz e ter o seu portátil a congelar de dois em dois minutos não faz sentido, não é verdade?

Os estúdios profissionais de gravação podem gravar a 96kHz ou mesmo a 192kHz. Depois, voltar a gravar a 44,1kHz para cumprir as normas da indústria. Mesmo as interfaces áudio utilizadas para gravação doméstica permitem taxas de amostragem até 192kHz. Além disso, a maioria dos DAWs oferecem a possibilidade de ajustar a taxa de amostragem em conformidade antes de começar a gravar.

À medida que a tecnologia avança, taxas de amostragem com maior resolução podem tornar-se mais populares. No entanto, a melhoria global em termos de qualidade de áudio continua a ser discutível. Basicamente, desde que não se vá a lugar nenhum inferior a 44,1kHz, estará absolutamente bem.

Se acabou de começar a trabalhar com áudio, recomendo que se mantenha com as taxas de amostragem mais comuns. Depois, à medida que avança e se torna mais confiante com o seu equipamento, tente taxas de amostragem mais elevadas. Veja se a sua utilização tem um impacto real e quantificável na qualidade de áudio.

Se não, poupe-se ao trabalho e vá para 44,1kHz. Se os padrões de qualidade de áudio mudarem, pode sempre fazer uma amostra do seu material de áudio no futuro. A amostragem é um processo maioritariamente automatizado que não tem um impacto negativo na qualidade geral do seu som.

Boa sorte!