Curso de Sonido

Los parámetros del sonido: Amplitud y Frecuencia

El sonido es una interpretación que hace el cerebro humano de ciertas vibraciones o variaciones cíclicas de la presión en el aire y que llegan a presionar el tímpano. Los sonidos son ondas mecánicas: el aire trabaja como un resorte que se comprime y expande.

El sonido sólo se puede transmitir desde la fuente (por ejemplo, instrumento musical) al oído a través de un medio como puede ser el aire, el agua, la madera, etc. Al pulsar una cuerda en una guitarra vibra, se desplaza hacia adelante y hacia atrás como una banda elástica, transmite la vibración al cuerpo del instrumento y este hace vibrar el aire. Estos movimientos se propagan hasta llegar al oído.

No todas las vibraciones son interpretadas como sonido, sino sólo aquellas en las que el ciclo se repite entre 20 y 20000 veces por segundo.

La unidad que mide la cantidad de ciclos que se dan en un segundo se denomina Hertz y se abrevia Hz, es decir, 1Hz=1ciclo/s (un ciclo por segundo).

En la siguiente gráfica vemos la representación de una onda sonora (la de un piano en este caso). Esta gráfica nos señala, a medida que recorremos el eje horizontal del tiempo, los valores de presión o amplitud que toma el aire en un punto, representados en el eje vertical.

Forma de Onda Sonora

Los puntos por encima del eje horizontal del tiempo son valores positivos, es decir que la presión aumentará respecto de la que había en ausencia de sonido. Los puntos por debajo del eje tiempo, negativos, representan disminución de la presión.

Si este sonido de piano se reproduce a través de un altavoz (parlante) la membrana de este se irá moviendo hacia adelante o hacia atrás siguiendo los valores de la gráfica, hacia adelante para los valores positivos de amplitud, es decir los que están por encima del eje horizontal, y hacia atrás para los valores negativos.

A la forma que se repite se le denomina Ciclo y su duración en segundos es el Período (T).

La Frecuencia de la onda sonora es:

Entonces, el oído humano de una persona saludable puede percibir sonidos de frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20 kHz (k=kilo=1000 veces).

Las frecuencias altas corresponden a los sonidos agudos como ser el de un violín, mientras que las frecuencias bajas corresponden a los sonidos graves como el de un contrabajo.

Por otro lado, mayores valores máximos de amplitud significan un sonido más fuerte o con mayor volumen, potencia o energía.

Longitud de Onda

Otro parámetro (de cualquier onda) es la Longitud de Onda (l=lambda), que es la mínima distancia entre dos puntos en la trayectoria de propagación del sonido en los cuales la presión toma idénticos valores momento a momento. Para visualizar mejor esto recordemos la forma que toma la superficie del agua cuando arrojamos una piedra: se forman círculos concéntricos. La longitud de onda sería la distancia entre dos crestas de olas contiguas, es decir, entre dos círculos.

Velocidad

Es otro parámetro del sonido dado que el mismo no se propaga instantáneamente

Un sonido emitido por un instrumento en un escenario no se escuchará en la platea al mismo tiempo en que se toca sino que se escuchará un tiempo después y este lapso de tiempo será mayor cuanto mayor sea la distancia entre el oyente y el intérprete.

Este efecto puede notarse cuando en una tormenta eléctrica se produce un rayo: primero se verá el destello y un momento después se escuchará el sonido del trueno. Esto se debe a que la luz viaja mucho más rápido que el sonido.

Si en un recital ponemos un juego de altavoces sobre el escenario y otro juego a mitad de la sala o estadio, el sonido se escuchará con delay (eco).

La velocidad del sonido varía según el medio (material) en el que se propaga.

La relación entre velocidad, Longitud de onda y frecuencia es:

Fase

Un ciclo de una onda puede verse como el giro completo de un radar, entonces se le asigna un valor de cero grados al comienzo del ciclo y un valor de 360^o para el final.

Si dos ondas de un mismo sonido viajan por diferentes caminos, rebotando en obstáculos y llegando a un mismo punto, allí encontraremos que entre ellos están fuera de fase, es decir uno atrasado respecto del otro. Si el retraso es de exactamente 180^o el sonido se escuchará atenuado llegándose a anular en el caso de que ambas ondas tengan la misma amplitud (volumen). Esto se denomina Cancelación de fase y puede causar muchos problemas en un estudio de grabación.

Cancelación de Fase de una Onda Sonora

Este fenómeno es útil para conectar correctamente en fase la polaridad de los cables de dos altavoces en un sistema estéreo: Se posicionan ambos canales enfrentados situándonos practicamente entre ellos; si al cambiar la polaridad (cambiar los cables entre los dos bornes de un parlante) notamos que el sonido se atenúa entonces anteriormente estaban conectados correctamente. Si, por el contrario, el sonido se escucha más fuerte significa que ahora sí están bien conectados.

En un estudio de grabación la cancelación de fase ocurre cuando el sonido de un instrumento además de ingresar a la consola de mezcla por su micrófono, es también tomado por el micrófono de otro instrumento (Leakage o Cross-bleed), que por estar a una distancia distinta tomará el sonido fuera de fase cancelándose en parte durante la mezcla.

El timbre de un sonido - Armónicas

Una nota musical tocada en un violín no suena igual a la misma nota tocada en un piano. Esto se debe a que sus ondas no tienen una única forma de onda senoidal pura sino que pueden verse como la suma de muchas ondas senoidales de distintas frecuencias. Esto se conoce en física como síntesis (obtención del sonido) por Transformada de Fourier (FFT) que descompone una forma de onda en la suma de múltiples ondas senoidales [fórmula matemática sen(x)].

La frecuencia que más notoriamente se percibe se denomina Frecuencia Fundamental. A esta senoide se le suman las denominadas Armónicas o sobretonos que para los sonidos armónicos como el de un violín, un piano o una guitarra son de una frecuencia que es múltiplo de la fundamental pero de amplitudes (volumen) muy inferiores a la misma.

Por ejemplo, la primera armónica podría ser de frecuencia igual al doble de la fundamental. Cuando un sonido tiene el doble de frecuencia que el otro se dice que está una octava por encima (por ejemplo de una nota do central a la nota do siguiente).

	Fundamental
	1ra armónica (intervalo de octava)
	2da armónica (intervalo de quinta octavada)

Espectro - Frecuencia Fundamental y Armónicas de una onda sonora

Espectro

Otra forma de mostrar el contenido armónico de un sonido es mediante una gráfica del espectro, cuyo eje horizontal representa los valores de frecuencia y el eje vertcal la amplitud. Para un sonido armónico como el de un piano o una guitarra la gráfica será una sucesión de barras:

Espectro de una onda sonora - Descomposición en frecuencia

Para el caso de un sonido inarmónico los sobretonos no son múltiplos de la fundamental, es decir que, si por ejemplo la frecuencia fundamental es de 440 Hz un sobretono podría ser de 980 Hz.

Para el caso de los ruidos que no tienen frecuencias definidas el espectro ya no se muestra como barras aisladas sino una curva que representa la suma de infinitas senoides de todas las frecuencias:

Espectro y Forma Onda de una onda sonora del tipo Ruido

Entonces, un ruido, como ser el soplido de una cinta de audio, se diferencia de otro, por ejemplo, el sonido del viento entre los árboles, por su contenido espectral. El primero tendrá mayor amplitud en las frecuencias altas mientras que el segundo tendrá mayores componentes en las frecuencias bajas.

Envolvente

Otra característica que diferencia un sonido de otro es la evolución de la amplitud, volumen o potencia del sonido a través del tiempo, es decir desde el ataque o aparición del sonido hasta que se extingue. A esto se lo denomina envolvente porque puede trazarse una curva uniendo todos los picos o valores máximos del sonido que envuelve a la forma de onda.

En la siguiente figura se aprecia la envolvente de un piano la cual tiene un ataque fuerte, no se mantiene el sonido sino que se extingue lentamente:

Envolvente de un sonidode Piano

La siguiente figura muestra la envolvente de un violín la cual tiene un ataque suave, luego se sostiene a un volumen mientras se frota la cuerda y finalmente al soltar el arco se extingue más rápido que el ataque:

Envolvente de un sonido de Violín

Para el caso de los sintetizadores la envolvente suele simplificarse en cuatro pasos: Atack, Decay, Sustain y Release (ataque, decaimiento, sostén y relajación). El ataque es el tiempo que tarda el sonido en alcanzar su máxima amplitud. El decaimiento es el tiempo que el sonido tarda en alcanzar el nivel de sostén al que se mantendrá mientras se mantenga presionada la tecla o se frote una cuerda o se sople un instrumento de viento. La relajación es el tiempo que tarda en apagarse completamente el sonido una vez que se suelta una tecla o cuerda.

Envolvente tipo ADSR - Attack Decay Sustain Release

El sonido analógico

Análogo significa similar, es decir que la corriente eléctrica que pasa por un circuito, como ser un amplificador de audio o una consola de mezcla, varía de forma similar a las variaciones de presión en el aire que representan el sonido.

En el caso de un disco de vinilo la forma del surco es similar a la forma de onda del sonido.

Cuando el sonido presiona la membrana de un micrófono éste produce una corriente eléctrica alterna (que cambia permanentemente de polaridad o sentido de circulación por el conductor o cable). Si graficamos las variaciones de presión del sonido en función del tiempo dará una curva similar a la que obtenemos si graficamos las variaciones de corriente alterna. A su vez, el altavoz que reproduzca el sonido se moverá hacia adelante o hacia atrás siguiendo esa gráfica.

En un sistema de audio analógico no hay cálculos ni más procesos que la simple conversión de una energía mecánica (las ondas sonoras) a eléctrica y viceversa.

En una consola analógica de mezcla el sonido sufre procesos simples al atravesar circuitos que lo atenúan o lo amplifican, a lo sumo según cada frecuencia (ecualizadores o filtros), lo retardan, lo suman a otros sonidos, etc.

Los antiguos sintetizadores analógicos se llamaban de esta manera debido a que el sonido resultante seguía a las variaciones de voltage de unos osciladores electrónicos o las combinaciones de los mismos.

El sonido digital

Los sistemas digitales convierten la señal de audio en datos que puedan procesarse mediante cálculos numéricos.

Los números que se manejan no están dados en el sistema decimal comunmente usado sino en el sistema binario en el cual un número puede representarse como una sucesión de unos y ceros; un uno significa "hay tensión" (por ejemplo, más de 3 voltios), mientras que un cero significa "no hay tensión" (o es menor a, por ejemplo, 3 voltios).

Cuando una señal análogica de audio entra en un equipo digital se le mide el nivel o amplitud a intervalos pequeños de tiempo asignándosele un número binario a cada uno.

Esto lo hace el llamado Conversor Analógico/Digital (A/D).

Si se quiere recuperar la onda sonora un circuito llamado Conversor Digital/Analógico pondrá en su salida una tensión (voltage) que se irá correspondiendo con los números binarios que se habían medido. Esta señal de salida es filtrada para suavizar los cambios bruscos de niveles y acercarse más a la forma de onda original.

Cuando tenemos el sonido representado con números binarios podemos con estos hacer procesos de cálculos como lo hacen los procesadores de efectos DSP (Digital Signal Processor) para darle al sonido reverberancia, eco, chorus, etc.

La ventaja de trabajar con equipos digitales es que el ruido no afecta a la información pues su nivel (voltage) es muy inferior al de un dígito binario. Por el contrario, en un sistema analógico el ruido tiene un nivel muy cercano a los sonidos más suaves que se manejan, por ejemplo, en una consola de mezcla en la cual se suman ruidos de diferentes fuentes sonoras y circuitos.

Resolución

Es la cantidad de bits (dígitos binarios) que se usan para obtener cada número binario que corresponde a cada punto de la curva.

Con 8 bits podemos representar valores o niveles de 0 a 255. Con esto se obtiene una onda digital poco precisa y ruidosa, para nada fiel al sonido original.

Con 24 bits, la resolución más usada en sonido profesional, podemos representar la onda con valores comprendidos entre 0 y 16.777.215, con lo cual se obtiene una onda de sonido extremadamente precisa. También suele usarse la resolución de 32 bits.

Resolución en bits del Sonido Digital

Velocidad de muestreo (Sample Rate)

Es otro parámetro que determina la calidad del audio digital y mide la cantidad de muestras (medición del nivel) que se toman por segundo. A mayor velocidad de muestreo mayor es la calidad de audio debido a que transcurre menos tiempo entre una medición y otra permitiéndonos mayor precisión.

Se mide en Kbits/seg (kilobits por segundo - kilo=1000)

En calidad CD se toman 128 kbit/s

Rango dinámico

Si en un cassette de audio grabamos una sinfonía durante la cual haya pasajes muy suaves y otros muy estridentes, al reproducir la grabación los pasajes suaves casi no se escucharán, quedando tapados por el soplido (piso de ruido) de la cinta mientras que en los pasajes estridentes la grabación probablemente se saturará, escuchándose distorsionada. Esto se debe a que se ha superado la máxima orientación de los magnetos (imanes) de la cinta, con lo cual, para niveles superiores al nivel de saturación los valores de amplitud de la onda sonora se igualarán, produciéndose un achatamiento o recorte de la forma de onda.

El Rango Dinámico establece la diferencia en dB (decibeles - ver El dB) entre el piso de ruido y el nivel de saturación, es decir el rango de valores que puedo registrar en un medio de grabación/reproducción.

Los Compact Disc tienen un rango dinámico muy superior al de los cassettes. CD: 90dB; Cassette: 50dB.