Como funciona?Como reconhecer uma pessoa pela voz com a ajuda

de um osciloscópio?

O que é e como funciona um osciloscópio?

O osciloscópio é um instrumento de medida destinado a visualizar um sinal

eléctrico. Como muitas grandezas físicas são medidas através de um sinal

eléctrico, e que o osciloscópio é um instrumento muito sensível à tensão,

permite obter os valores instantâneos de sinais eléctricos rápidos, a medição de

tensões e correntes eléctricas, e ainda frequências e diferenças de fase de

oscilações. Por tudo isto, este é um aparelho muito utilizado por cientistas,

médicos, mecânicos, etc.

Figura 1

Distinguem-se geralmente os osciloscópios analógicos, que utilizam

directamente um múltiplo da tensão de entrada para produzir o desvio do feixe

de electrões, dos osciloscópios digitais ou numéricos que, antes de tudo,

transformam a tensão de entrada em números, utilizando um código binário. Irei

então abordar primeiramente o osciloscópio analógico, e de seguida explicar em

que difere o osciloscópio numérico do primeiro.

Osciloscópios Analógicos:

O osciloscópio permite observar numa tela plana uma diferença de potencial

(ddp), ou tensão eléctrica, em função do tempo, ou em função de uma outra

ddp. O elemento sensor é um feixe de electrões que, devido ao baixo valor da

sua massa e por serem partículas carregadas electricamente, podem ser

facilmente aceleradas e deflectidas pela acção de um campo eléctrico ou

magnético.

A diferença de potencial é lida a partir da posição de uma mancha luminosa

numa tela rectangular graduada. A mancha resulta do impacto do feixe de

electrões num alvo revestido de um material fluorescente.

O funcionamento interno do osciloscópio é, no entanto, mais complexo; passo

agora à sua explicação, tendo em conta a figura 2:

Figura 2

Legenda:  1 – Eléctrodos que desviam o feixe  2 – Cátodo de electrões  3 – Feixe de electrões  4 – Bobina que converge o feixe  5 – Face interior do ecrã coberta por material fluorescente

Os raios catódicos são feixes de electrões (3) emitidos por um cátodo (eléctrodo,

fonte primária de electrões).

Este cátodo (2) encontra-se num tubo que contém um gás a baixa pressão, e no

qual os electrões, emitidos pelo cátodo, são acelerados por um campo eléctrico.

Este tubo tem o nome de tubo catódico, ou tubo de raios catódicos.

Este feixe de electrões (3) é orientado magneticamente pela bobina (4), que

converge o feixe para as placas electrónicas ou deflectoras (1), cuja função é

absorver a maior quantidade possível de electrões emitidos pelo cátodo.

Figura 3: Tubo catódico de um osciloscópio

A trajectória do feixe electrónico é agora rectilínea. Para se ter a possibilidade de

registar fenómenos variáveis no tempo o feixe terá de se deslocar de modo a

criar uma imagem do fenómeno a observar. Isso consegue-se através das placas

deflectoras que, graças ao seu campo eléctrico, “obrigam” o feixe a atravessar

uma região do espaço.

Figura 4

Imaginemos que temos então um feixe de electrões (materializado por um único

ponto no ecrã) que, depois de ter sido convergido pela bobina, passa entre as 4

placas electrónicas (1 e figura 4). Se aplicarmos uma tensão (ou diferença de

potencial) variável entre as placas P3 e P4 (perpendiculares às outras duas), o

nosso feixe será desviado para cima ou para baixo, dependendo da polaridade

da tensão. Se P3 é mais positivo que P4, o desvio será feito para cima; se for o

inverso, o desvio será feito para baixo. Podemos repetir a operação para P1 e P2;

segundo a polaridade da tensão o feixe dirigir-se-à para a direita ou para a

esquerda. Uma tensão fraca provoca um pequeno desvio, e uma tensão

excessiva fará desaparecer o ponto do ecrã; a intensidade do feixe é mantida

constante.

Normalmente, a deflexão horizontal (resultante da aplicação de uma tensão nas

placas verticais P1 e P2) é proporcional ao tempo, e a deflexão vertical

(resultante da aplicação de uma tensão nas placas P3 e P4) é proporcional à

tensão.

O ecrã é a etapa final de todo processo executado pelo osciloscópio, pois é nele

que se visualizam as imagens que serão posteriormente analisadas. O material

utilizado é o vidro, e a sua face interior (5) é revestida por um material

fluorescente, como o fósforo ou o sulfato de zinco, que ao receberem o impacto

do feixe de electrões, emitem luz.

Figura 5

Osciloscópios Digitais:

A tensão de entrada (sinal eléctrico/analógico) é digitalizada (convertido para

números) por um conversor analógico-digital. A capacidade do aparelho de

traçar um sinal de frequência elevada sem distorção depende da qualidade

deste conversor. O sinal digital é agora utilizado para criar um conjunto de

informações que é armazenado na memória de um microprocessador. O

conjunto de informações é processado e então enviado para o ecrã. Nos

osciloscópios analógicos, isto dá-se através de um tubo de raios catódicos;

porém, nos osciloscópios digitais, pode também ser através de um ecrã LCD.

Osciloscópios com um ecrã LCD colorido são comuns.

O osciloscópio digital substitui o método utilizado no osciloscópio de

armazenamento analógico por uma memória digital, que é capaz de armazenar

as informações por quanto tempo forem necessárias sem degradação. Está

também equipado com filtros que, aplicados ao sinal digital, permitem aumentar

a visibilidade de detalhes. O próprio software de análise de sinal pode extrair

muitas características úteis como a frequência, o comprimento de onda e a

amplitude, espectros de frequência, histogramas e estatísticas, mapas de

persistência, e um grande número de parâmetros úteis para qualquer utilizador

de um osciloscópio.

Os osciloscópios digitais têm esta função, que pode revelar-se útil para

responder à questão mais abaixo: permitir a visualização de duas ondas em

simultâneo, facilitando assim a comparação de dois sinais diferentes.

Figura 6

Tem-se falado de formas de identificação alternativas à impressão digital. Uma

dessas formas poderia ser o registo da voz. 

Como reconhecer uma pessoa pela voz com a ajuda do

osciloscópio?

Antes de responder directamente a esta questão, há que esclarecer alguns

conceitos em torno do som, da onda sonora e das suas características.

O som tem origem na vibração de partículas ou corpos. A onda sonora é então

uma onda mecânica: necessita de um meio material para se propagar. Assim,

não há som no vácuo, visto não haverem partículas que possam vibrar.

Na origem de um som está sempre a vibração de um corpo. A vibração consiste

em movimentos do corpo, por vezes imperceptíveis, mas suficientes para causar

uma perturbação no meio em redor (normalmente, o ar). No caso da voz

humana, resulta das vibrações das cordas vocais, cujos músculos podem esticar

mais ou menos, o que lhes permite vibrar de formas diferentes – tanto em

frequência (nº de ondas por unidade de tempo) como em amplitude (oscilação

da onda relativamente à sua posição média) - quando o ar passa por elas. Além

das cordas vocais contribuem também para a produção da voz o nariz e a boca,

bem como os pulmões.

A intensidade do som é a característica que permite distinguir um som forte de

um som fraco. Um som forte, mais intenso, pode ser ouvido a maior distância

que um som fraco. Um som é tanto mais intenso quanto maior for a amplitude

da sua oscilação. No entanto, a intensidade depende também da frequência da

onda.

A altura do som está directamente relacionada com a frequência da onda

sonora: um som é tanto mais alto quanto maior for a sua frequência. Um som

alto, com maior frequência, será mais agudo que um som baixo, grave.

Logo, assim como a frequência e a amplitude da onda sonora são determinadas

pela frequência e a amplitude da fonte sonora, é também ela que determina a

intensidade e a altura da onda.

Figura 7

No entanto, existe outra característica da onda sonora que é extremamente

importante: havendo dois instrumentos diferentes que tocam a mesma nota

(emitem um som com a mesma frequência), como nos é possível distingui-los

pelo som? Os dois instrumentos têm timbres diferentes. O timbre resulta da

combinação de um som fundamental e dos seus harmónicos. Um som

fundamental ou simples é emitido, por exemplo, pelo diapasão. Ao vibrar, ele

emite uma onda harmónica, isto é, com um só comprimento de onda e com uma

frequência bem definida. Porém, quase todos os outros sons não são simples,

mas sim complexos: a onda que emitem não tem uma frequência bem definida.

Aquilo que confere características particulares ao som de um instrumento

musical ou de uma voz humana é então o número de harmónicos (som puro cuja

frequência seja um múltiplo inteiro de uma dada frequência) que intervêm e a

proporção com que cada um entra no som resultante.

É então esta a característica que pode permitir um sistema de reconhecimento

por voz: o timbre, graças ao qual todos temos vozes diferentes, e únicas, tal

como as nossas impressões digitais.

Este sistema de reconhecimento por voz implica, antes de tudo, um microfone,

que irá converter o nosso sinal sonoro num sinal eléctrico com a mesma

informação. O sinal eléctrico é de seguida transmitido para um osciloscópio

digital, no qual o sinal eléctrico é digitalizado por um conversor analógico-digital.

O sinal digital forma agora um conjunto de informações que serão processadas

por um microprocessador, e comparadas com outras informações do mesmo tipo

que se encontram na memória digital do osciloscópio, ou num computador a ele

ligado. Essas informações consistem noutras gravações de voz, entre as quais se

encontra, possivelmente, a nossa. A comparação é feita ao nível do som emitido,

e também pode ser feita ao nível de uma frase ou palavra específica a ser dita

pela pessoa a identificar. Ao encontrar uma gravação cujo código binário seja

semelhante ao nosso, um determinado sistema ligado ao osciloscópio irá dar-nos

acesso àquilo que pretendíamos, e que não conseguiríamos obter sem este

sistema de identificação.

Ao contrário daquilo que se possa pensar, este sistema é fiável, e pequenas

alterações na nossa voz não nos impedem de o utilizar. A voz humana é

constituída por sons nasais e por sons vocálicos. Mesmo que a pessoa a ser

identificada esteja constipada, ou rouca, verificou-se em sistemas deste tipo que

as altas frequências sofrem poucas variações, não interferindo no

reconhecimento da voz. É necessário também que a gravação de voz que está

na memória digital do osciloscópio/computador tenha sido repetida e gravada

várias vezes, para que o aparelho possa eliminar pequenos erros, por meio da

comparação, que poderiam dificultar a identificação da voz.

 

Fígura 8 - A figura de Lissajous num osciloscópio

Bibliografia:

Ventura, G.;  Fiolhais, M.; Fiolhais, C.; Paiva, J.; Ferreira, A. J.; 11 F, Física A –

Bloco 2; 1ª edição; 2005; Texto Editores; Lisboa.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Oscilosc%C3%B3pio

http://piano.dsi.uminho.pt/disciplinas/LECOMLI1/material/osciloscopio.pdf

http://perso.orange.fr/f6crp/elec/index.htm

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tube_cathodique

http://www.del.ufms.br/tutoriais/oscilosc/oscilosc.htm

http://inventabrasilnet.t5.com.br/soria.htm

(sites consultados em Janeiro 2007)

Imagens:

Figura 1: http://www.geol.lsu.edu/Faculty/Juan/Educational%20S...

Figura 2: http://fr.wikipedia.org/wiki/Tube_cathodique

Figura 3: http://dnpro.free.fr/oscilloscope/images/canon0.jpg

Figura 4: http://perso.orange.fr/f6crp/elec/index.htm

Figura 5: http://tboivin.free.fr/mpi/oscilloscope/page05.htm

Figura 6: http://perso.orange.fr/e-lektronik/LEKTRONIK/M4.htm#Oscilloscope

Figura 7: http://www.oceanexplorer.noaa.gov/

Figura 8: http://www.commons.wikimedia.org/wiki/Image:Lissajous_fi...

Figura da capa: http://superpositioned.com/files/instek.jpg