El sonido, música, ingenieria del sonido

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ingenieria del sonido, efectos de sonido, teoria

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<p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.comTeora del sonido 1 Audio analgico. Definiciones y conceptos bsicos.El sonido es producido por las vibraciones de un cuerpo en un medio elstico, en el cual se propagan en forma de ondas sonoras. Estas ondas son captadas por nuestro sistema auditivo y transmitidas al cerebro, que es el encargado de decodificarlas. Por lo tanto utilizaremos el trmino Sonido para referirnos a la sensacin que se produce en nuestro cerebro. Propagacin La propagacin del sonido puede compararse a tirar una piedra al agua, en dnde a partir de una perturbacin inicial, cada molcula interacta con la molcula adyacente transmitiendo dicha perturbacin. A partir de ese conflicto molecular se generan dos efectos: </p> <p>Compresin: cuando las molculas son forzadas a estar juntas Descompresin: cuando el espacio entre las molculas es mayor que el normal</p> <p>A medida que se aleja de la fuente va perdiendo energa. El sonido se atena 6 dB a medida que se duplica la distancia (ley de la divergencia esfrica o ley de la inversa del cuadrado de la distancia); considerado en un ambiente libre. En el caso del sonido hablamos de ondas longitudinales, las cuales se mueven en la misma direccin que viaja la onda. Para que el sonido se propague requiere un medio (no se propaga en el vaco). Este medio puede ser lquido, slido o gaseoso. Dependiendo del medio en el cual se propaga, el sonido, tiene una determinada velocidad (tiene mayor velocidad en un medio denso, como el agua, metal, etc.). La temperatura del medio tambin influye en la velocidad, a mayor temperatura mayor velocidad. La velocidad del sonido en el aire, a una temperatura de 16C es de 340 m/seg. Ondas sonoras Cuando un objeto vibra o se mueve, desplaza las molculas de aire causando cambios de presin. La sucesin de esto provoca el movimiento de las molculas (vibraciones). Estas vibraciones son captadas por el odo a travs del tmpano, y convertidas en seales elctricas que el cerebro interpreta como sonido. Si tuviramos que graficar la presin del aire en el tmpano como una funcin temporal mientras escuchamos un sonido, la misma describira una forma sinusoidal.</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.comAspectos fsicos de la Onda Sonora Elongacin: es la distancia en que se encuentra el punto (o partcula de aire) que tomamos de referencia en un momento determinado hasta el llamado punto de reposo o equilibrio. Amplitud: es la mxima elongacin. La amplitud se refiere a la energa que tiene el movimiento (amplitud del movimiento molecular), cambio relativo por encima y por debajo de la presin atmosfrica causado por la presencia del sonido. Fsicamente, la amplitud de una onda sonora puede ser representada de varias formas: como voltaje, como la intensidad de un campo magntico (en una cinta) o numricamente (en audio digital). Ciclo: es un movimiento completo de ida y vuelta. El ciclo es la unidad formal de las seales acsticas peridicas. Perodo (T): es el tiempo que tarda en desarrollarse un ciclo. El mismo se mide en segundos. El periodo es la funcin inversa de la frecuencia (T: 1/f), si un movimiento tiene un perodo de 1/20 de segundo tiene una frecuencia de 20 Hz. Frecuencia (f): es la cantidad de ciclos que se producen en la cantidad de tiempo tomada como referencia. En acstica la unidad de tiempo es el segundo. Los ciclos/seg. se llaman HERTZ. Ej. 4 Hz. Quiere decir 4 ciclos/seg.; 20 kHz. quiere decir 20.000 ciclos/seg. El rango de frecuencias audibles va de 20 hz a 20 Khz. Las frecuencias por debajo de los 20 hz son infrasnicas o subsnicas. Las frecuencias por arriba de los 20 khz son llamadas ultrasnicas. Importante: lo dicho arriba, para f y T, es vlido para los movimientos peridicos es decir los que tienen PERIODO o dicho de otra manera los que TIENEN UNA FRECUENCIA ESTABLE. Fase: Es la distancia, expresada en grados, entre un punto de referencia de la seal y el origen del sistema coordenado. Envolvente Dinmica: Es la evolucin o forma en que vara la amplitud de una onda sonora en el tiempo. La envolvente dinmica une los puntos de amplitud de una onda sonora. El ataque es desencadenado por la accin del intrprete (por ejemplo, pulsacin de la tecla de un piano). Algn tiempo despus, el sonido disminuye su nivel hasta un umbral de sostenimiento, y luego finaliza cuando el mismo se extingue.</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.com</p> <p>Movimiento armnico En realidad no hay ningn objeto que pueda moverse en forma estrictamente sinusoidal (peridica) sino que sus perodos pueden variar ligeramente. El Movimiento Peridico tiene componentes armnicos. El Movimiento Aperidico tiene componentes inarmnicos. Teorema de Fourier: todo movimiento complejo peridico de frecuencia f se puede considerar como la suma de movimientos simples armnicos de esa frecuencia llamada fundamental o primer armnico. </p> <p>Concepto de Armnico: un movimiento oscilatorio es armnico de otro cuando su frecuencia es un nmero que es mltiplo entero (1, 2, 3, etc.) de la otra. Concepto de Serie Armnica: es el conjunto de sinusoides cuyas frecuencias estn relacionadas con un mltiplo entero de una considerada como base.</p> <p>Ejemplo: Serie armnica de 200 Hz 200 Hz 400 Hz 600 hz 800 Hz 1000 Hz 1200 Hz 1400 Hz Base 2 x 200 3 x 200 4 x 200 5 x 200 6 x 200 7 x 200</p> <p>Suma de Sinusoides </p> <p>La suma de sinusoides de igual frecuencia da otra sinusoide La suma de sinusoides de frecuencias distintas da como resultado una onda compleja (no sinusoidal)</p> <p>Intensidad, Altura y Timbre La amplitud de una onda sonora es percibida por el odo e interpretada por el cerebro, como SONORIDAD (aquello que comunmente se denomina volumen). Mientras que la frecuencia es percibida como altura, o lo que en msica llamamos tono o nota. Aquello que nos permite diferenciar un sonido de otro cuando ambos poseen la misma intensidad y altura, es lo que se denomina TIMBRE. El timbre depende muchos factores, pero en un sentido prctico, sin introducirnos en un extenso anlisis, se lo puede relacionar con la forma de onda que describe cada sonido. Nivel de Intensidad y Nivel de Presin Sonora Como se dijo anteriormente, la amplitud de las oscilaciones del tmpano conduce a la sensacin de sonoridad. Esta amplitud est directamente relacionada con las variaciones</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.comde presin de la onda sonora, y por lo tanto a la energa acstica o Intensidad que llega al odo. Existen dos lmites que determinan el rango de intensidades a las cuales el odo es sensitivo: 1. Un lmite inferior o umbral de la sensacin auditiva (que representa la intensidad mnima perceptible) 2. Un lmite superior, o umbral de dolor, el cual puede conducir a un dao fsico del mecanismo auditivo. Estos dos lmites varan de individuo a individuo y dependen de la frecuencia considerada. Dado el enorme rango de niveles de intensidades que el odo humano es capaz de diferenciar, se necesita una unidad de medida que pueda cumplir simultneamente con tres objetivos: 1. llevar la escala de intensidades audibles a un rango de valores mucho ms pequeo; 2. reemplazar el uso de valores absolutos por valores relativos (en este caso al umbral de audicin); 3. permitir la introduccin de una unidad conveniente, cuyo valor sea del orden del mnimo cambio perceptible de intensidad sonora 4. Los logaritmos decimales sirven para definir una magnitud ms apropiada para describir la intensidad del sonido. Por lo tanto la relacin es la siguiente: 5. IL=10 x log I/Ir 6. donde IL es el Nivel de Intensidad Sonora, I es la Intensidad (o potencia) del sonido en cuestin e Ir es la Intensidad de Referencia (o potencia de referencia). Podemos usar tambin una relacin para expresar la intensidad en trminos de presin sonora, que es la siguiente: 7. SPL=20 x log P/Pr 8. donde SPL es el Nivel de Presin Sonora (Sound Pressure Level), P es la Presin del sonido en cuestin y Pr es la Presin de Referencia. 9. La unidad utilizada para medir tanto IL como SPL es el dB (decibel). Para el SPL tomamos como Presin de Referencia el umbral mnimo de audicin, que es 0 dB. De ah surge la siguiente tabla: 140 dB Turbina de avin 130 dB Sirena de 50 CV (a 30 m) 120 dB Umbral de dolor 110 dB Recital de Rock 100 dB 90 dB Trfico intenso (a 1,5 m) 80 dB 70 dB Timbre del telfono 60 dB Conversacin normal (a 1 m) 50 dB 40 dB Habitacin durante la noche</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.com30 dB 20 dB Estudio de grabacin (en silencio) 10 dB 0 dB Umbral de audicin 10. Importante: El decibel es un concepto relativo, por lo tanto se necesita siempre un punto de referencia. Todo trabajo que hagamos con decibeles se refiere a clculos de relaciones con respecto a la referencia de valores de cada unidad de dB. Esos valores de referencia son magnitudes seleccionadas arbitrariamente. 11. Hemos visto que el decibel es una funcin logartmica y por lo tanto debemos tener en cuenta que no podemos sumar en forma DIRECTA, dos o ms valores de Nivel de Intensidad o Nivel de Presin Sonora expresados en 12. La suma de dos Intensidades, por ejemplo: 30 dB + 30 dB no es igual a 60 dB sino a 33 dB como vamos a ver a continuacin. 13. La ecuacin debe expresarse de la siguiente manera: 14. I1 = I2 = 30 dB 15. entonces I1+2 = 10 log 2xI = 10 log I + 10 log 2 16. Iref. Iref. 17. = I1 + 10 x 0,3 18. = 30 dB + 3 19. = 33 dB 20. De una forma similar debe plantearse para duplicar el Nivel de Presin Sonora. 21. En este caso el resultado es equivalente a agregar 6 dB al Nivel de Presin Sonora original. 22. SPL1 = 30 dB 23. entonces SPL1 x2 = 20 log 2xP = 20 log P + 20 log 2 24. Pref. Pref. 25. = SPL1 + 20 x 0,3 26. = 30 dB + 6 27. = 36 dB Para tener en cuenta Un incremento o atenuacin de 1dB a 3dB en el Nivel de Presin Sonora es el mnimo cambio perceptible que la mayora de la gente puede apreciar. Un incremento de 6 dB SPL equivale a una relacin de 2 a 1 en la amplitud de la onda sonora. Un incremento de 10 dB SPL se percibe como el doble de SONORIDAD. Curvas de igual sonoridad La sonoridad es una magnitud psicoacstica, es decir, la sensacin que se genera en nuestro cerebro, a causa de las vibraciones captadas por el odo. La sensibilidad del odo no es igual para todas las frecuencias; de esta teora surgen las curvas de igual sonoridad (la mxima sensibilidad del odo est alrededor de los 2.800</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.comHz). Lo que se describe en estas curvas es qu Nivel de Presin Sonora (SPL) debe tener cada frecuencia para que se perciban todas con igual sonoridad. Enmascaramiento Se denomina enmascaramiento a la reduccin total o parcial de la sensibilidad de un oyente para percibir un determinado sonido, provocado por la presencia simultnea de otro. Cuando un sonido hace que otro sea menos audible, porque ambos se producen al mismo tiempo, se dice que se produjo un fenmeno de enmascaramiento. El sonido cuyo umbral de audibilidad se ha modificado se denomina sonido enmascarado y al otro, sonido enmascarante. La interaccin entre dos estmulos presentados al mismo tiempo depende en gran medida de las caractersticas de los sonidos. Existen algunos lineamientos que rigen el enmascaramiento: Un sonido posee mayor poder enmascarante, si intenta enmascarar a otro que tenga una frecuencia parecida. En cambio, resulta muy difcil de enmascarar con otro de frecuencia diferente, alejada en el espectro. El enmascaramiento podr realizarse, pero el nivel de presin sonora necesario tendr que ser ms importante que en el primer caso. Un sonido de determinada frecuencia tiene ms poder enmascarante sobre otro de frecuencia ms aguda, que sobre otro de frecuencia ms grave. La seal A es audible, puesto que sobrepasa el umbral de percepcin. Umbral de audibilidad en funcin de la frecuencia</p> <p>La figura representa este caso, donde la seal A, antes audible, es ahora enmascarada por la cercana seal B, ms potente que A. Este efecto recibe el nombre de enmascaramiento frecuencial. Enmascaramiento frecuencial (A enmascarado por B) Tambin existe un efecto de enmascaramiento temporal: un sonido de elevada amplitud enmascara igualmente los sonidos ms dbiles inmediatamente anteriores o posteriores. Sistemas de audio Audio: Pequea seal Preamplificadores, Ecualizadores, Mezcladores, Controles de tono y volumen, Filtros activos, Efectos y pedales. Audio: Gran seal Amplificadores de potencia en todas sus variantes: Vlvulas, Transistores, Integrados. Audio: Elementos de salida Bafles, Cajas Acsticas, Bocinas, Parlantes, Divisores pasivos, Sistema de Proteccin.</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.com</p> <p>Audio digital El audio digital es la codificacin digital de una seal elctrica que representa una onda sonora. Consiste en una secuencia de valores enteros y se obtienen de dos procesos: el muestreo y la cuantificacin digital de la seal elctrica.</p> <p>Muestreo digital de una seal de audio. El muestreo consiste en fijar la amplitud de la seal elctrica a intervalos regulares de tiempo (tasa de muestreo). Para cubrir el espectro audible (20 a 20000 Hz) suele bastar con tasas de muestreo de algo ms de 40000 Hz (el estndar CD-Audio emplea una tasa un 10% mayor con objeto de contemplar el uso de filtros no ideales), con 32000 muestras por segundo se tendra un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, es decir, permite registrar componentes de hasta 15 kHz, aproximadamente. Para reproducir un determinado intervalo de frecuencias se necesita una tasa de muestreo de poco ms del doble (Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon). Por ejemplo en los CDs, que reproducen hasta 20 kHz, emplean una tasa de muestreo de 44,1 kHz (frecuencia Nyquist de 22,05 kHz). La cuantificacin consiste en convertir el nivel de las muestra fijadas en el proceso de muestreo, normalmente, un nivel de tensin, en un valor entero de rango finito y predeterminado. Por ejemplo, utilizando cuantificacin lineal, una codificacin lineal de 8 bits discriminar entre 256 niveles de seal equidistantes (28). Tambin se pueden hacer cuantificaciones no lineales, como es el caso de cuantificadores logartmicos como la Ley Mu o la Ley A, que, a modo de ejemplo, an usando 8 bits funcionan perceptualmente como 10 bits lineales para seales de baja amplitud en promedio, como la voz humana por ejemplo. El formato ms usado de audio digital PCM lineal es el del CD de audio: 44,1 kHz de tasa de muestreo y cuantificacin lineal de 16 bits (que mide 65536 niveles de seal diferentes) y que, en la prctica, permite registrar seales analgicas con componentes hasta los 20 kHz y con relaciones seal a ruido de ms de 90 dB.</p> <p>Franklyn Garcia ::::franklygar@yahoo.comTasa de muestreo De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist, la tasa de muestreo, esto es, el nmero de muestras con las que se realiza el proceso de muestreo en una unidad de tiempo, determina exclusivamente la frecuencia mxima de los componentes armnicos que pueden formar parte del material a digitalizar. Satisfechos los requerimientos de Nyquist y un pequeo margen prctico, y al contrario de lo que es una creencia errnea muy extendida,] no existe relacin directa entre el...</p>