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• Noé y Ruth

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Curso de Audio Digital Por Noé Pacheco.

I. Naturaleza del sonido A. Nociones fundamentales. Definición. El sonido es un fenómeno de transmisión de energía generado por un cuerpo en vibración, que se transmite por la vibración de las partículas de al menos un medio transmisor (normalmente el aire), y que llega a nosotros por presión que ejercen las moléculas del aire sobre nuestro sistema auditivo externo. Para que se produzca un sonido es necesaria la existencia de: - Un emisor o cuerpo vibrante. - Un medio elástico transmisor de esas vibraciones. - Un receptor que capte dichas vibraciones.

El sonido se propaga en forma de ondas, como las ondas que se generan al arrojar una piedra a un lago. Estas ondas tienen las siguientes características: -Las ondas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido. -El movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Es decir, las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido. -Las ondas que se propagan en tres direcciones. Sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones.

B. Propiedades del sonido. Vamos a ir analizando una representación sonora básica, que aunque no existe realmente en la naturaleza (solo la podemos obtener por medios electrónicos), nos es muy útil para comprender las características fundamentales del sonido: una onda sinusoidal.

Un sonido queda determinado por las siguientes cualidades:

Altura Indica lo grave o agudo que es un sonido. La característica que percibimos de la altura es lo que llamamos “tono” de un sonido. Cuanto más altura posee el sonido, mas agudo es su tono. Esta cualidad del sonido depende de la frecuencia con la que vibra el cuerpo emisor del sonido. A mayor frecuencia, el sonido es más alto o agudo, a menor frecuencia el sonido es mas bajo y grave. Definición: La frecuencia es el número de ciclos (ondas completas que se producen una unidad de tiempo. En el caso del sonido, la unidad de tiempo es el segundo y la frecuencia se mide en hercios (Hz).

Así un frecuencia de 1 Hertzio es lo mismo que decir que el sonido tiene una vibración por segundo (por cierto, un sonido de esta frecuencia sería imposible de percibir por el oído humano). Las frecuencias mas bajas se corresponden con lo que habitualmente llamamos sonidos "graves", son sonidos de vibraciones lentas. Las frecuencias más altas se corresponden con lo que llamamos sonidos "agudos" y son vibraciones muy rápidas.

El oído humano solo puede percibir los sonidos que se encuentran en el rango de los 20 Hz a los 20 Khz.

Intensidad Indica lo fuerte o débil que suena un sonido. Es la energía con la que un determinado sonido llega a nosotros. La intensidad de un sonido depende de la amplitud de la onda, a medida que esta aumenta también aumenta la intensidad. Definición: La amplitud de onda corresponde al desplazamiento máximo de las partículas del aire en su vibración sonora. Este desplazamiento está relacionado con la energía (las partículas de aire vibran con mas fuerza, llegan mas lejos y ejercen más presión sobre nuestro oído cuanta más energía lleve el sonido). Es decir, que la amplitud de una onda nos da información sobre la intensidad del sonido que nosotros percibimos (lo que normalmente llamamos el “volumen” del sonido).

Llamamos umbral de dolor al sonido a la intensidad máxima de sonido a partir de la cual el sonido produce en el oído sensación de dolor. Su valor medio se sitúa en torno a los 110-130 dB. Sonido

Medida en dB

Susurro 10/20 Tránsito 50/60 Motocicleta 90 Trueno 120 Bocina de auto a 1 metro 120 Tabla de referencia de intensidad de distintos sonidos.

II. Los armónicos A. Timbre Indica que “instrumento” está produciendo el sonido. La forma de onda es la característica que nos permitirá distinguir una nota de la misma frecuencia e intensidad producida por instrumentos diferentes. La forma de onda viene determinada por los armónicos. Normalmente, al hacer vibrar un cuerpo, no obtenemos un sonido puro, sino un sonido compuesto de sonidos de diferentes frecuencias. A estos se les llama armónicos. Los armónicos contribuyen a la percepción auditiva de la calidad de sonido o timbre. Cuando se ejecuta una nota en un instrumento musical se genera una onda de presión de aire. Esta onda sonora está acompañada por una serie de armónicos, todos prácticamente inaudibles, pero que le dan al instrumento su timbre particular.

Prácticamente todos los sonidos que escuchamos son la suma de muchos sonidos simples. Es decir, que la forma de onda que produce una guitarra, por ejemplo, no es más que la suma de una serie infinita de sonidos simples. A cada uno de estos sonidos, que son sinusoidales, les llamamos armónicos.

B. Suma de sonidos Las frecuencias más graves de un determinado sonido complejo son las que tienen mayor amplitud; es decir, que se escuchan sobre las demás. Concretamente, las frecuencia más graves de todas se llama frecuencia fundamental, y en el caso de los sonidos musicales esta frecuencia es la que determina la nota que escuchamos. Los demás armónicos solo sirven para enriquecer a este sonido fundamental, creando el efecto tímbrico característico de cada instrumento. En cualquier sonido “musical” las frecuencias de los armónicos, siempre están relacionados con la fundamental, y esta relación consiste en que las frecuencias de los armónicos son múltiplos enteros de esta frecuencia fundamental.

Teniendo en cuenta esta teoría, tradicionalmente distinguimos como ruido aquellos sonidos cuyas frecuencias parciales no tienen un relación de múltiplos enteros con la fundamental, si no que tienen otro tipo de relaciones, como por ejemplo f, 2/3 f, 5/6 f, etc.

III. Audio digital A. Audio analógico El método de grabación que utiliza al audio analógico consiste en la “traducción” de la onda sonora considerada como un fenómeno continuo, generando una señal eléctrica que luego se corresponderá con una serie de registros magnéticos sobre una cinta o surcos sobre un vinilo. Lo más importante es que el tratamiento de la señal se produce como algo continuo, sin perder ningún detalle de la señal sonora.

Grabación mecánica analógica Las vibraciones sonoras son transformadas mediante un transductor electroacústico o electromagnético en variaciones eléctricas o magnéticas. El transductor utilizado para recoger el sonido se conoce como bocina captora. La bocina captora era una pequeña bocina terminada en un diafragma alargado. Este diafragma flexible era el que vibraba conforme a la presión sonora ejercida por el sonido. Estas vibraciones resultantes (ya sean eléctricas o magnéticas, dependiendo de la naturaleza del transductor) proporcionaban, mediante un nuevo proceso de transducción, la energía mecánica necesaria para mover la aguja encargada de trazar el surco sobre el soporte. Así, el sonido quedaba registrado como surcos en la superficie del soporte.

Grabación magnética analógica La información se graba sobre el soporte cuando éste pasa delante del electroimán. El soporte puede ser un carrete de hilo, cinta de papel o cinta magnética. El electroimán actúa reorientando las partículas del material ferromagnético (óxidos de hierro o de cromo) que recubren el soporte. La reproducción del sonido recorre el camino opuesto. El soporte sobre el que se graba la señal de audio es cinta magnética de audio.

B. Audio digital El audio digital viene a ser lo mismo que una película de cine, que consiste de una serie de fotografías que pasadas a una determinada velocidad crean la ilusión de ser una imagen continua en movimiento. El audio digital recoge muestras de una señal sonora con una determinada frecuencia, que se denomina frecuencia de muestreo. Una muestra es una especie de instantánea sonora. Es decir; que una señal sonora continua se convierte en una sucesión de muestras suficientemente cercanas en el tiempo como para que nuestro sistema auditivo no perciba esa discontinuidad, aunque verdaderamente exista (igual que en le cine).

En el sistema de audio digital cada muestra se almacena como un dato independiente de los demás. El principal problema que surge al almacenar las muestras es el tamaño de éstas; es decir, cuanto espacio del soporte de grabación se va a dedicar a cada una. Al utilizar soportes de grabación digital, el tamaño de cada dato viene dado en bits. Si el tamaño de las muestras es demasiado grande, se reducirá el tiempo de audio real que cabe en el soporte. Sin embargo, si el tamaño de las muestras se reduce mucho, también se reducirá la cantidad de información sonora que contenga, y se perderá calidad de precisión de la muestra y de la grabación. En un principio se comenzó trabajando a 8 bits/muestra y después se ha trabajado muchísimo a 16 bits. En la actualidad ya existen grabaciones de alta calidad a 24 bits.

La frecuencia de muestreo indica el número de muestras que se van a tomar por cada unidad de tiempo; o sea, el número de muestras por segundo. Si esta frecuencia es muy baja, es decir, si pasa mucho tiempo entre una muestra y la siguiente, la cantidad de información entre muestra y muestra será demasiado grande como para engañar de verdad al oído. En realidad existe un estándar de grabación que son los 44100 Hz, que es lo que se llama generalmente calidad CD.

Teorema de Nyquits Con el fin de determinar la mínima frecuencia de muestreo necesaria para realizar grabaciones digitales de calidad, el ingeniero H. Nyquist formuló un teorema: Teorema de Nyquist: Para muestrear correctamente cualquier frecuencia sonora se debe elegir como mínimo una frecuencia de muestreo doble. Esto supone que para que nuestro oído pueda reconstruir con fidelidad una señal sonora a partir de unos cuantos fragmentos, necesitamos que por cada ciclo haya al menos dos muestras.

Teniendo en cuenta que los límites de audición de nuestro oído se encuentran en un rango de frecuencias de entre 20 y 20000Hz, para grabar cualquier sonido audible habría que garantizar una frecuencia de muestreo de, como mínimo, 2 x 20000 = 40000Hz. Por este motivo, a la hora de grabar CD la industria ha elegido como estándar una frecuencia de 44100 Hz.