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Resumos/Aplicações Informáticas B/Tipos de media dinâmicos: áudio
Resumos · Aplicações Informáticas BPT · Secundário

Tipos de media dinâmicos: áudio

Estuda-se o som digital: o som como onda (frequência e amplitude) e a sua digitalização por amostragem e quantização (PCM); o teorema da amostragem de Nyquist (fs ≥ 2·fmáx) e o aliasing; a profundidade de bits e o cálculo do tamanho de um ficheiro de áudio; e os formatos com e sem perdas (WAV, FLAC, MP3, AAC). Tópico da unidade de Multimédia de Aplicações Informáticas B (12.º ano), disciplina de opção sem Exame Nacional, avaliada internamente.

4 secções·~12 min de leitura·4 competências·Nível Padrão 2 · Aprofundamento 2

T·0777 / 9
Perfil de exame
Explicar a digitalização do som (amostragem e quantização)Aplicar o teorema de Nyquist e reconhecer o aliasingCalcular o tamanho de um ficheiro de áudioDistinguir formatos com e sem perdas e escolher o adequado
Operadores:explicaaplicacalculadistinguerelacionajustifica

nível básico

Reconhecer o som como onda e a sua digitalização, e distinguir formatos com e sem perdas.

nível avançado

Aplicar o teorema de Nyquist e calcular tamanhos de ficheiros de áudio.

Profundidade

Profundidade de leitura: Aprofundado

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Conteúdo · 4 secções▾
  1. Tipos de media dinâmicos: áudio
    • 01Som e som digital◐
    • 02Amostragem e teorema de Nyquist●
    • 03Profundidade de bits e tamanho do ficheiro●
    • 04Formatos de áudio◐
§ 01

Som e som digital#

●●○PadrãoLPAE-aplicacoes-informaticas-b-12-media-audio

Pontos-chave

O som é uma onda de pressão que se propaga num meio (o ar) e faz vibrar o tímpano. Duas grandezas caracterizam uma onda sonora simples (Fig. 1): a frequência, número de oscilações por segundo, em hertz (Hz), que determina a altura/tom (agudo ou grave — mais Hz, mais agudo); e a amplitude, a «altura» da onda, que determina a intensidade (volume). O ouvido humano típico ouve entre cerca de 20 Hz e 20 000 Hz (20 kHz); esta gama audível será decisiva para escolher a taxa de amostragem.

Onda sonora simples

Onda sonoraGráfico de onda sonora, zeros em x = 0, 3.142, 6.283, 9.425, 12.566, máximo em (1.571, 1), mínimo em (4.712, -1), máximo em (7.854, 1), mínimo em (10.996, -1), ordenada na origem y = 0, no intervalo x de 0 a 12.624681012−1−0.50.51amplitudeonda sonoraamplitude (pressão)tempo
Fig. 1Fig. 1 — Uma onda sonora simples: a frequência dá a altura (tom); a amplitude (o pico) dá a intensidade.
Um som real (analógico) é uma onda contínua; para o computador o guardar, tem de ser digitalizado pelas etapas já conhecidas: amostragem, quantização e codificação. Mede-se a amplitude da onda em instantes regulares (amostras), arredonda-se cada valor a um nível (quantização) e codifica-se em binário. A esta representação direta e não comprimida das amostras chama-se PCM (Pulse-Code Modulation) — é o que está, por exemplo, num CD ou num ficheiro WAV.
A digitalização do som tem, portanto, duas «resoluções», tal como a imagem: a taxa de amostragem (quantas amostras por segundo — resolução no tempo) e a profundidade de bits (quantos bits por amostra — resolução de amplitude). Aumentar qualquer uma melhora a fidelidade e aumenta o tamanho. Os dois parâmetros seguintes — o teorema de Nyquist e a profundidade de bits — dizem quanto de cada um é preciso para captar bem o som audível.
Um som complexo (uma voz, um instrumento) não é uma onda simples, mas soma-se de muitas frequências. O que importa reter é que toda essa riqueza está contida na gama audível (até ~20 kHz) e que a qualidade da versão digital depende de amostrar depressa o suficiente e com bits suficientes para reconstruir a onda com fidelidade percetível.
Exemplo resolvido

Frequência e amplitude

Um som A tem frequência 200 Hz e grande amplitude; um som B tem 5000 Hz e pequena amplitude. Compara-os quanto à altura e à intensidade e diz se são audíveis.

  1. 01Altura (frequência)

    B (5000 Hz) é muito mais agudo do que A (200 Hz), que é grave.

  2. 02Intensidade (amplitude)

    A tem grande amplitude → som forte; B tem pequena amplitude → som fraco.

  3. 03Audibilidade

    Ambos estão entre 20 Hz e 20 kHz, logo são audíveis.

Resultado: A: grave e forte; B: agudo e fraco; ambos na gama audível. Frequência ↔ altura; amplitude ↔ intensidade.

Foco no Exame Nacional

  • Relacionar frequência com a altura do som e amplitude com a intensidade, e indicar a gama audível (20 Hz–20 kHz).
  • Explicar a digitalização do som (amostragem + quantização) e o significado de PCM.

Erros frequentes

  • Confundir frequência (altura/tom, em Hz) com amplitude (intensidade/volume) — são grandezas diferentes da onda.
  • Pensar que o áudio digital guarda «a onda»: guarda amostras discretas da amplitude, das quais a onda é reconstruída.

Revisão ativa

Explica, para dois sons — um grave e forte, outro agudo e fraco — como diferem em frequência e amplitude. Indica se ambos estão na gama audível.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Aplicações Informáticas B — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 02

Amostragem e teorema de Nyquist#

●●●AprofundamentoLPAE-aplicacoes-informaticas-b-12-media-audio

Pontos-chave

Quantas amostras por segundo são precisas para captar bem um som? A resposta é o teorema da amostragem (Nyquist–Shannon): para representar sem perda uma onda cuja frequência máxima é «fmáx», a taxa de amostragem «fs» tem de ser, pelo menos, o dobro dessa frequência — «fs ≥ 2·fmáx». Ou seja, é preciso recolher no mínimo duas amostras por período da componente mais rápida (Fig. 2). Só assim as amostras contêm informação suficiente para reconstruir a onda original.

Amostragem no limite de Nyquist (2 amostras por período)

Amostragem mínima (Nyquist)Gráfico de onda, zeros em x = 0, 3.142, 6.283, 9.425, 12.566, máximo em (1.571, 1), mínimo em (4.712, -1), máximo em (7.854, 1), mínimo em (10.996, -1), ordenada na origem y = 0, no intervalo x de 0 a 12.624681012−1−0.50.51ondaamplitudetempo
Fig. 2Fig. 2 — Nyquist: são precisas, no mínimo, duas amostras por período da componente mais rápida (aqui, nos extremos).
Aplicando à gama audível: como o ouvido chega até cerca de 20 kHz, a taxa de amostragem tem de ser, no mínimo, 2 × 20 kHz = 40 kHz. É por isso que o CD áudio usa 44,1 kHz — um valor acima de 40 kHz, com uma pequena margem para os filtros. Com 44,1 kHz captam-se frequências até 44,1/2 = 22,05 kHz, cobrindo toda a gama audível. O vídeo profissional usa 48 kHz; a telefonia usa 8 kHz (basta para a voz, que vai até ~4 kHz).
Se a taxa de amostragem for inferior ao dobro da frequência máxima (subamostragem), ocorre o aliasing: as amostras são insuficientes e as frequências altas «disfarçam-se» de frequências baixas inexistentes, distorcendo o som (o análogo sonoro do efeito da roda que parece girar ao contrário no cinema). Para o evitar, aplica-se um filtro anti-aliasing que corta as frequências acima de fs/2 antes de amostrar.
A regra fs ≥ 2·fmáx é uma das poucas «leis» quantitativas do áudio digital e é matéria de avaliação frequente. Note-se a diferença clara entre os dois parâmetros: a taxa de amostragem (em Hz) resolve o tempo/frequência; a profundidade de bits (a seguir) resolve a amplitude. São independentes e respondem a perguntas diferentes.
fs≥2 fmaˊxf_s \ge 2\,f_{\text{máx}}fs​≥2fmaˊx​

Teorema da amostragem (Nyquist–Shannon)

A taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro da frequência máxima do sinal. Para a gama audível (20 kHz), fs ≥ 40 kHz — daí os 44,1 kHz do CD.

Exemplo resolvido

Taxa de amostragem para a gama audível

Qual é a taxa de amostragem mínima para captar sons até 20 kHz? Justifica os 44,1 kHz do CD e indica a frequência máxima que este capta.

  1. 01Aplicar Nyquist

    fs ≥ 2 × fmáx = 2 × 20 kHz = 40 kHz.

    fs≥2×20 kHz=40 kHzf_s \ge 2 \times 20\ \text{kHz} = 40\ \text{kHz}fs​≥2×20 kHz=40 kHz
  2. 02CD

    O CD usa 44,1 kHz, acima dos 40 kHz mínimos (margem para os filtros).

  3. 03fmáx do CD

    Com fs = 44,1 kHz, capta até 44,1/2 = 22,05 kHz — cobre toda a gama audível.

Resultado: Mínimo 40 kHz; o CD usa 44,1 kHz e capta até 22,05 kHz — suficiente para os 20 kHz audíveis.

Foco no Exame Nacional

  • Aplicar o teorema de Nyquist (fs ≥ 2·fmáx) e justificar a taxa de 44,1 kHz do CD.
  • Explicar o aliasing como consequência da subamostragem e o papel do filtro anti-aliasing.

Erros frequentes

  • Aplicar mal Nyquist — usar fs = fmáx em vez de fs ≥ 2·fmáx (o mínimo é o dobro da frequência máxima).
  • Confundir a taxa de amostragem (Hz, resolução no tempo) com a profundidade de bits (resolução de amplitude).

Revisão ativa

Um sinal tem componentes até 15 kHz. Qual é a taxa de amostragem mínima para o captar sem aliasing? A taxa do CD (44,1 kHz) seria suficiente?

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Aplicações Informáticas B — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 03

Profundidade de bits e tamanho do ficheiro#

●●●AprofundamentoLPAE-aplicacoes-informaticas-b-12-media-audio

Pontos-chave

A profundidade de bits (bit depth) é o número de bits usados para representar a amplitude de cada amostra; com «n» bits há «2^n» níveis de quantização possíveis (Fig. 3). O CD usa 16 bits, o que dá 2¹⁶ = 65 536 níveis de amplitude — suficientes para uma boa gama dinâmica; o áudio de estúdio usa 24 bits (mais de 16 milhões de níveis). Mais bits = escala de amplitude mais fina, menor ruído de quantização — e mais dados.

Profundidade de bits e níveis de amplitude

Profundidade de bitsTabela com 3 colunas e 3 linhas, Dados: Profundidade · Níveis (2^n) · Uso típico; 8 bit · 256 · voz simples, telefonia antiga; 16 bit · 65 536 · CD áudio; 24 bit · 16 777 216 · estúdio, produçãoPROFUNDIDADENÍVEIS (2^N)USO TÍPICO8 bit256voz simples, telefoniaantiga16 bit65 536CD áudio24 bit16 777 216estúdio, produção
Fig. 3Fig. 3 — Profundidade de bits e níveis de amplitude (2^n); o CD usa 16 bits (65 536 níveis).
O tamanho de áudio PCM (não comprimido) calcula-se multiplicando os fatores que o compõem: «tamanho = taxa de amostragem × profundidade de bits × nº de canais × duração». O número de canais é 1 para mono e 2 para estéreo. O resultado sai em bits (divide-se por 8 para bytes). Tal como no vídeo, os valores são grandes: um minuto de áudio de CD ocupa dezenas de megabytes.
Um exemplo de referência (calculado adiante): um segundo de áudio de CD (44,1 kHz, 16 bits, estéreo) ocupa cerca de 176 KB, ou seja, mais de 1,4 milhões de bits por segundo. Multiplicando pela duração, um minuto ronda os 10 MB e uma música de 3–4 minutos passa dos 30 MB — sem qualquer compressão. É por isso que surgiram os formatos comprimidos.
Recapitulando os dois parâmetros: a taxa de amostragem (Hz) fixa-se por Nyquist a partir da frequência máxima a captar; a profundidade de bits fixa a finura da amplitude. Ambos multiplicam o tamanho. Reduzi-los baixa o tamanho à custa da qualidade (menos fs perde agudos; menos bits aumenta o ruído) — o que motiva a compressão inteligente dos formatos de áudio.
T=fs×b×c×tT = f_s \times b \times c \times tT=fs​×b×c×t

Tamanho de áudio PCM (não comprimido)

fs = taxa de amostragem (Hz), b = bits por amostra, c = nº de canais (1 mono, 2 estéreo), t = duração (s). Resultado em bits; ÷8 para bytes.

Exemplo resolvido

Tamanho de um segundo de áudio de CD

Calcula o tamanho de 1 segundo de áudio de CD (44 100 Hz, 16 bits, estéreo = 2 canais), em bits, bytes e KiB.

  1. 01Bits por segundo

    44 100 × 16 × 2 = 1 411 200 bits/s.

    44 100×16×2=1 411 200 bits/s44\,100 \times 16 \times 2 = 1\,411\,200\ \text{bits/s}44100×16×2=1411200 bits/s
  2. 02Para bytes

    1 411 200 ÷ 8 = 176 400 bytes/s.

  3. 03Para KiB

    176 400 ÷ 1024 ≈ 172,3 KiB por segundo.

Resultado: ≈ 176 400 bytes/s (≈ 172 KiB/s). Um minuto ≈ 10 MiB e uma música de 3 min ≈ 30 MiB — sem compressão.

Foco no Exame Nacional

  • Relacionar a profundidade de bits com o número de níveis (2^n) e a gama dinâmica.
  • Calcular o tamanho de áudio PCM (taxa × profundidade × canais × duração), em bits e bytes.

Erros frequentes

  • Esquecer o número de canais (×2 no estéreo) ou não converter bits em bytes (÷8) no cálculo do tamanho.
  • Confundir a profundidade de bits (níveis de amplitude) com a taxa de amostragem (amostras por segundo).

Revisão ativa

Calcula o tamanho, em MiB, de 30 segundos de áudio mono a 44,1 kHz e 16 bits. Como mudaria o resultado se fosse estéreo?

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Aplicações Informáticas B — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 04

Formatos de áudio#

●●○PadrãoLPAE-aplicacoes-informaticas-b-12-media-audio

Pontos-chave

Os formatos de áudio classificam-se pela compressão (Fig. 4). Sem compressão (PCM puro): o WAV e o AIFF guardam as amostras tal e qual — máxima fidelidade, ficheiros grandes; usados em edição e arquivo. Sem perdas comprimido (lossless): o FLAC e o ALAC comprimem sem perder informação (reconstroem o original bit a bit), reduzindo para cerca de metade — boa fidelidade com menos espaço.

Formatos de áudio

Formatos de áudioTabela com 3 colunas e 4 linhas, Dados: Formato · Compressão · Uso típico; WAV / AIFF · sem compressão (PCM) · edição, arquivo, máxima fidelidade; FLAC / ALAC · sem perdas · arquivo comprimido, audiófilo; MP3 · com perdas · distribuição universal; AAC / OGG · com perdas · streaming, dispositivos móveisFORMATOCOMPRESSÃOUSO TÍPICOWAV / AIFFsem compressão (PCM)edição, arquivo, máximafidelidadeFLAC / ALACsem perdasarquivo comprimido,audiófiloMP3com perdasdistribuição universalAAC / OGGcom perdasstreaming, dispositivosmóveis
Fig. 4Fig. 4 — Formatos de áudio: sem compressão, sem perdas e com perdas.
Com perdas (lossy): o MP3, o AAC e o ogg Vorbis descartam informação pouco percetível (com base em modelos da audição humana — o que o ouvido «não nota») para reduções muito maiores, tipicamente de 10 para 1 ou mais. A qualidade depende do débito (bitrate): um MP3 a 128 kbps é aceitável, a 320 kbps é quase transparente. É a compressão que popularizou a música digital e o streaming, ao ponto de um álbum caber onde antes cabia uma música.
A escolha do formato é um compromisso qualidade/tamanho, guiado pelo uso: edição/arquivo → WAV/AIFF ou FLAC (sem perdas, para não degradar ao reprocessar); distribuição/streaming → MP3/AAC (com perdas, leves e universais). Tal como nas imagens, recomprimir repetidamente um formato com perdas degrada progressivamente o som — por isso se trabalha em sem perdas e só se exporta para com perdas no fim.
Comparando em números (Fig. 5): uma música de 3 minutos ocupa cerca de 30 MiB em CD/WAV, cerca de metade em FLAC, e apenas ~2,75 MiB em MP3 a 128 kbps — mais de dez vezes menor do que o original. Este ganho, à custa de uma perda de qualidade em geral impercetível em audição comum, é o que tornou viável carregar milhares de músicas num telemóvel.

Tamanho de 3 minutos de música

Tamanho por formato (3 min)Gráfico de barras: formato por MiB, Dados: Tamanho (MiB) · CD / WAV: 30.3; Tamanho (MiB) · FLAC: 15; Tamanho (MiB) · MP3 128 kbps: 2.75051015202530CD / WAVFLACMP3 128 kbps30.3152.75formatoMiB
Fig. 5Fig. 5 — Uma música de 3 min: ~30 MiB em CD/WAV, ~15 MiB em FLAC, ~2,75 MiB em MP3 128 kbps.
Exemplo resolvido

Tamanho de um MP3 e comparação

Calcula o tamanho de uma música de 3 minutos em MP3 a 128 kbps (kilobits por segundo) e compara com os ~30 MiB da versão de CD.

  1. 01Bits totais

    128 000 bits/s × 180 s = 23 040 000 bits.

  2. 02Para bytes e MiB

    23 040 000 ÷ 8 = 2 880 000 bytes; ÷ 1 048 576 ≈ 2,75 MiB.

  3. 03Comparação

    30,3 ÷ 2,75 ≈ 11 — o MP3 é cerca de 11 vezes menor do que o CD.

Resultado: ≈ 2,75 MiB (vs ~30 MiB em CD): ~11× menor. Para arquivar a masterização usa-se sem perdas (WAV/FLAC), não MP3 — evita degradar o original.

Foco no Exame Nacional

  • Classificar formatos de áudio (sem compressão, sem perdas, com perdas) e dar exemplos corretos.
  • Relacionar o débito (bitrate) com a qualidade e o tamanho, e escolher o formato conforme o uso.

Erros frequentes

  • Classificar mal os formatos: WAV é PCM não comprimido, FLAC é sem perdas, MP3/AAC são com perdas — trocá-los é erro comum.
  • Esperar recuperar a qualidade original de um MP3 convertendo-o de novo para WAV — a informação descartada não regressa.

Revisão ativa

Calcula o tamanho de uma música de 3 minutos em MP3 a 128 kbps e compara-o com a versão de CD (~30 MiB). Qual escolherias para arquivar a masterização e porquê?

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Aplicações Informáticas B — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Conteúdo

Secção -- / 04

    • 01Som e som digital◐
    • 02Amostragem e teorema de Nyquist●
    • 03Profundidade de bits e tamanho do ficheiro●
    • 04Formatos de áudio◐

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Dos resumos à prática

Tipos de media dinâmicos: áudio

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Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

  • Aprendizagens Essenciais de Aplicações Informáticas B — 12.º ano (DGE)

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