Teoría del Sonido y Formatos de Audio

Sonido

El sonido es una sensación, en el órgano del oído, producida por el movimiento ondulatorio en un medio elástico (normalmente el aire), debido a rapidísimos cambios de presión, generados por el movimiento vibratorio de un cuerpo sonoro.

Cuando un material cualquiera vibra, se crean compresiones en el aire. En su forma más simple, la presión del aire vibra en forma de ondas sinusoidales. Ciertas fuentes sonoras son capaces de emitir sonidos puros de estas características.

La función del medio transmisor es fundamental, ya que el sonido no se propaga en el vacío. Por ello, para que exista el sonido, es necesaria una fuente de vibración mecánica y también un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) a través del cual se propague la perturbación. El aire es el medio transmisor más común del sonido. La velocidad de propagación del sonido en el aire es de aproximadamente 340 metros por segundo a una temperatura de 20 ºC (293 kelvin).
    
Cuando un objeto (emisor) vibra, hace vibrar también al aire que se encuentra alrededor de él. Esa vibración se transmite a la distancia y hace vibrar (por resonancia) una membrana que hay en el interior del oído, el tímpano, la vibración del tímpano provoca el movimiento de los tres huesecillos, martillo, yunque y estribo, este último impacta sobre la cóclea o caracol, y en un pequeño órgano, que se encuentra aquí, se produce la codificación de esa vibración en información eléctrica. Esta información se trasmite al cerebro por medio de las neuronas. El cerebro decodifica esa información y la convierte en una sensación. A esa sensación se le denomina "sonido".
    
La voz humana (los distintos sonidos que conforman el habla) también se consideran sonidos. Éstos se estudian en la fonética y en la fonología.

Algunas fuentes sonoras como el diapasón, la flauta o los osciladores pueden producir tonos puros. Pero la mayoría de las fuentes emiten sonidos complejos, que constan de una frecuencia fundamental acompañada de una mezcla de frecuencias múltiples llamadas armónicos.

Frecuencia fundamental

La frecuencia fundamental es la primera frecuencia de vibración de un cuerpo. Es decir, hablando de una cuerda de guitarra, cuando esta vibra en su frecuencia más baja. A la vez, se producen armónicos, que son frecuencias más altas, es decir, vibraciones de divisiones de la cuerda (1/2, 1/4, ...). La cuerda y la viga simplemente apoyada son los únicos cuerpos que tienen a sus frecuencias más altas como múltiplos de la fundamental, por esto se dice que el fenómeno de vibración es armónico.

Si tocamos una nota al aire en cualquier cuerda de la guitarra a la altura del traste nº12, es decir la mitad de la cuerda, ésta vibrará mayormente en su frecuencia fundamental. A medida que toquemos desplazándonos hacia uno de los extremos, la cuerda empezará a vibrar con más amplitud en frecuencias superiores y se escuchará un sonido más brillante, debido a las frecuencias más altas. Si apoyamos un dedo suavemente en el medio de la cuerda y tocamos una nota sobre el cuarto de la cuerda, se estará apagando la primera frecuencia y se escuchará la segunda sobre las demás y su frecuencia de vibración será la misma que tocar la nota una octava superior.

Armónicos

En acústica y telecomunicaciones, un armónico de una onda es un componente sinusoidal de una señal. Su frecuencia es un múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos más altos es mucho menor que la amplitud de la onda fundamental y tiende a cero; por este motivo los armónicos por encima del quinto o sexto generalmente son inaudibles. El concepto y la existencia de armónicos tiene su fundamento matemático en la teoría de las series de Fourier.

Magnitudes físicas del Sonido

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse por una curva ondulante, como por ejemplo una sinusoide y se pueden aplicar las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda. A saber:

• Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por tamaño de la onda, la distancia recorrida por la onda sonora entre el principio y el final cuando completa un ciclo de una onda completa.

• Frecuencia: Es el número de vibraciones (ondas completas o ciclos) que el sonido realiza por segundo. En el caso del sonido la unidad de tiempo es el segundo y la frecuencia se mide se mide en herzios por segundo (1 Hz = 1 ciclo/segundo).  

            - Ambos valores no tienen porqué coincidir debido al conocido efecto Doppler-

• Periodo: Es el tiempo que tarda cada ciclo en repetirse.

• Amplitud: Indica la cantidad de energía que contiene una señal sonora. No hay que confundir amplitud con volumen o potencia acústica.

• Fase: Es el desplazamiento en tiempo relativo entre dos sonidos u ondas sonoras (Se mide en grados; un ciclo equivale a 360º).

• Potencia: La potencia acústica es la cantidad de energía radiada en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La potencia acústica depende de la amplitud.    

Características o cualidades del Sonido

Las cualidades del sonido son:

• Tono: Viene determinado por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras (es lo que permite distinguir entre sonidos graves, agudos o medios) medida en ciclos por segundo o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanto más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.

• Intensidad: Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB).

• Timbre: Es la cualidad que confiere al sonido los armónicos que acompañan a la frecuencia fundamental. Esta cualidad es la que permite distinguir dos sonidos, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos, o reconocer el timbre de la voz de una persona.Los armónicos más altos son inaudibles, y lo que da diferentes timbres a diferentes instrumentos es la amplitud y la ubicación de los primeros armónicos y los parciales. Y las diferentes trayectorias de las ondas sonoras de dos instrumentos tocando al unísono es lo que permite al oyente percibirlos como dos instrumentos separados.Por ejemplo, si dos instrumentos ejecutaran la nota do4 (la tecla blanca central de un piano), la onda fundamental de ambos poseería la misma frecuencia (en este ejemplo 264 Hz o ciclos por segundo). Sus timbres son diferentes porque cada uno produce una altura de armónicos diferentes.

• Duración: Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc…

Como se produce un sonido

El sonido se produce por la vibración de las particulas. La frecuencia de vibración se mide en Hercios.

El rango de audición humano es de 20 a 20.000 Hz.

Velocidad del sonido

El sonido tiene una velocidad de 343 m/s en el aire a 20ºC, pero varía con la temperatura. En cambio depende muy poco de la presión del aire.

La velocidad depende del tipo de material, cuando el sonido se desplaza en los sólidos en los que tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las partículas en los sólidos están más cercanas.

No es necesario que la fuente en movimiento emita sonido para que produzca una onda de choque. Una vez que un objeto se mueve con más rapidez que el sonido, produce sonido.

NIVEL DE INTENSIDAD DE SONIDO (dB)

Para medir el nivel sonoro disponemos de los Sonómetros. Estos aparatos nos permiten conocer el Nivel de Presión sonora o SPL (Sound Presure Level). Normalmente suelen ser sistemas digitales y presentan en una pantalla de cristal líquido los valores medidos. Estos siempre se dan como decibelios dB y en referencia al valor antes señalado de (2E-5 Pa).

Gracias al sonómetro es posible además de hallar el valor (RMS) de la presión, también ver los picos máximos y niveles mínimos de la medida. Los sonómetros normalmente no dan la medida en dB lineales si no que dan ya con la ponderación y son dBA/dBC etc..

Ruido

El ruido es cualquier sonido no deseado, el cual puede interferir en la comunicación hablada, en el trabajo y en las actividades rutinarias; en ciertos casos, puede afectar a la conducta; puede producir una perdida temporal del oído y, si el nivel de ruido es suficientemente alto, puede ser responsable de un daño permanente en el mecanismo auditivo.

La intensidad de los distintos ruidos se mide en decibeles, unidad de medida de la presión sonora. El umbral de audición está en 0dB (Mínima intensidad del estímulo) y el umbral de dolor está en 120 dB. Para tener una aproximación de la percepción de la audición del oído humano, se creó una unidad basada en el dB que se denomina decibel A (dBA).

El oído humano tiene la capacidad de soportar cierta intensidad de los ruidos; si estos sobrepasan los niveles aceptables, provocan daños en el órgano de la audición. En la ciudad, los niveles de ruido oscilan entre 35 y 85 dBA, estableciéndose que entre 60 a 65 dBA se ubica el umbral del ruido diurno que comienza a ser molesto.

Por ejemplo: en una biblioteca se tienen 40 dBA, en una conversación en voz alta 70 dBA (1 m. de distancia), tráfico en una calle con mucho movimiento sobre 85 dBA y el despegue de un avión 120 dBA ( 70 mts. De distancia).

¿A partir de que niveles el sonido es perjudicial?

El nivel del sonido es perjudicial por encima de los 100 dBA es muy recomendable siempre que sea posible utilizar protectores para los oídos. Si la exposición es prolongada, por ejemplo en puestos de trabajos, se considera necesario el utilizar protectores en ambientes con niveles de 85 dBA, siempre y cuando la exposición sea prolongada. Los daños producidos en el oído por exposiciones a ruidos muy fuertes son acumulativos e irreversibles, por lo que se deben de extremar las precauciones. De la exposición prolongada a ruidos se observan trastornos nerviosos, cardiacos y mentales.

• 110 Decibeles: El estar expuesto con regularidad por más de 1 minuto podría resultar en la pérdida permanente del oído.

• 100 Decibeles: No se recomienda estar expuesto sin ninguna protección por más de 15 minutos.

• 90 Decibeles: El estar expuesto por períodos prolongados a cualquier ruido de más de 90 decibelios puede causar la pérdida gradual del oído

Para lo que una persona es volumen fuerte para otra es moderado. Lo que una persona percibe como calidad otra lo considera inferior. Por ello, los físicos deben tratar con definiciones mesurables explicitas; por tanto, intentan correlacionar los efectos sensoriales con las propiedades físicas de las ondas.

Acústica

La acústica es la rama de la física y de la técnica que estudia el sonido en toda la amplitud, ocupándose así de su producción y propagación, de su registro y reproducción, de la naturaleza del proceso de audición, de los instrumentos y aparatos para la medida, y del proyecto de salas de audición que reúnan cualidades idóneas para una perfecta audición.

Intensidad Acústica y Nivel de Intensidad Acústica

Se puede definir como la cantidad de energía sonora transmitida en una dirección determinada por unidad de arrea. Con buen oído se puede citar dentro de un rango de entre 0.000000000001 w por metro cuadrado, hasta 1 w.

Para realizar la medida de intensidades se utiliza actualmente analizadores de doble canal con posibilidad de espectro cruzado y una sonda que consiste en dos micrófonos separados a corta distancia.

Permite determinar la cantidad de energía sonora que radia una fuente dentro de un ambiente ruidoso. No es posible medirlo con un sonómetro. El nivel de intensidad sonora se mide en w/m2.

Potencia Acústica y Nivel de Potencia Acústica

La potencia acústica es la cantidad de energía radiada por una fuente determinada. El nivel de potencia Acústica es la cantidad de energía total radiada en un segundo y se mide en w. La referencia es 1pw = 1E-12 w.

Para determinar la potencia acústica que radia una fuente se utiliza un sistema de medición alrededor de la fuente sonora a fin de poder determinar la energía total irradiada.

La potencia acústica es un valor intrínseco de la fuente y no depende del local donde se halle. Es como una bombilla, puede tener 100 w y siempre tendrá 100 w la pongamos en nuestra habitación o la pongamos dentro de una nave enorme su potencia siempre Serra la misma. Con la potencia acústica ocurre lo mismo el valor no varia por estar en un local reverberante o en uno seco. Al contrario de la Presión Acústica que si que varia según varíe las características del local donde se halle la fuente, la distancia etc.

Efecto Doppler

Todos hemos notado que la altura (una de las características de un sonido) de la sirena de una ambulancia que se aproxima se reduce bruscamente cuando la ambulancia pasa al lado nuestro para alejarse. Esto es lo que se llama "Efecto Doppler". El fenómeno fue descrito por primera vez por el matemático y físico austriaco Christian Doppler (1803-1853). El cambio de altura se llama en Física "desplazamiento de la frecuencia" de las ondas sonoras. Cuando la ambulancia se acerca, las ondas provenientes de la sirena se comprimen es decir, el tamaño de las ondas disminuye, lo cual se traduce en la percepción d una frecuencia o altura mayor. Cuando la ambulancia se aleja, las ondas se separan en relación con el observador causando que la frecuencia observada sea menor que la de la fuente. Por el cambio en la altura de la sirena, se puede saber si la misma se esta alejando o acercando. Si se pudiera medir la velocidad de cambio de la altura, se podría también estimar la velocidad de la ambulancia.

Una fuente emisora de ondas sonoras que se aproxima, se acerca al observador durante el periodo de la onda. Y, dado la longitud de la onda se acorta y la y la velocidad de propagación de la onda permanece sin cambios, el sonido se percibe mas alto. Por esta misma razón , la altura de una fuente que se aleja, se reduce. El efecto Doppler se observa siempre que la fuente de ondas se mueve con respecto al observador. Es el efecto producido por una fuente de ondas móvil por el cual hay un aparente desplazamiento de la frecuencia hacia arriba para los observadores hacia los cuales se dirige la fuente y un aparente desplazamiento hacia debajo de la frecuencia para los observadores de los cuales la fuente se aleja

El efecto Doppler se origina cuando hay un movimiento relativo entre la fuente sonora y el oyente cuando cualquiera de los dos se mueven con respecto al medio en el que las ondas se propagan. El resultado es la aparente variación de la altura del sonido. Existe una variación en la frecuencia que percibimos con la frecuencia que la fuente origina.

El fenómeno no se restringe al movimiento de la fuente. Si la fuente de sonido está fija, un oyente que se mueva hacia la fuente observará un aumento similar en el tono. Un oyente que se aleja de la fuente de sonido escuchará un sonido de menor tono. El cambio en la frecuencia del sonido que resulta del movimiento relativo entre una fuente y un oyente se denomina efecto Doppler.

El efecto Doppler se refiere al cambio aparente en la frecuencia de una fuente de sonido cuando hay un movimiento relativo de la fuente y del oyente.

Efecto clásico: Mientras la onda avanza, el cuerpo se aleja del observador. El receptor capta tarde el próximo máximo y dirá que el periodo es mas largo, la frecuencia es menor y la longitud de onda mayor

Sistemas de Medida de los Niveles de Audio

Los VU-metros y PICO-metros nos indican el nivel de la señal de audio en relación con el rango dinámico tolerado por el sistema de audio.
Medidor de Volumen (VU-metro)
Un VU-metro sirve para ajustar niveles a partir de un tono patrón estable. La parte superior de la escala está calibrada en decibelios, y la parte inferior de la escala indica el porcentaje de modulación correspondiendo el 100% a la marca de límite máximo.
Medidor de Pico de Programa (PICO-metro) (usado en Europa)
El PICO-metro esta diseñado específicamente para indicar el volumen de las crestas de sonido. Su aguja tiene la capacidad de  subir  rápidamente y bajar lentamente; así pues, fluctúa menos que el VU-metro. Su escala logarítmica dividida en 7 secciones se lee fácilmente y tiene una respuesta muy parecida a la del oído. (no ocurre así con el VU-metro).

Formatos de Audio

Esta es una descripción de los formatos de compresión de audio más usados hoy en día, sus ventajas, extensiones y principales  usos:


ADVANCED AUDIO CODING (Codificación de Audio Avanzada)

- Extensión: aac -

Codificación estándar para audio reconocida por ISO en el patrón  MPG-2. En teoría, almacena más que el MP3 en menos espacio, este  es el formato de Audio que utiliza Apple para los archivos de audio que reproduce  el IPED y que pueden comprarse a través de Internet.

WAV

- Extensión: wav -

Fue desarrollado por Microsoft e IBM y apareció por primera vez para  el ambiente Windows en el año 1995. Los archivos de audio guardados en  el formato de sonido Microsoft tienen esta extensión. Con el tiempo se  convirtió en un estándar de grabación para música  de Cd´s. Su soporte de reproducción es uno de los más importantes  pues funciona en cualquier aplicación Windows y en equipos domésticos  comunes con reproductor de Cds.

AU (Audio for Unix)

- Extensión: au -

Se utiliza en archivos de sonido con sistema Unix de Sun™ Microsystems  and NeXT™ , la extensión AU viene de Audio, y también funciona  como estándar acústico para el lenguaje de programación JAVA.

WMA (Windows Media Audio)

- Extensión: Wma -

Es la abreviación de Windows Media Audio. Es la Versión de Windows  para comprimir Audio, muy parecido a MP3. No solo reduce el tamaño de  archivo grandes, sino que también se adapta a diferentes velocidades  de conexión en caso de que se necesite reproducir en Internet en Tiempo  Real.

MIDI

- Extensión: midi -

Por sus siglas en ingles, quiere decir instrumento musical de interfaz digital,  y es considerado el estándar para industria de la música electrónica.  Es muy útil para trabajar con dispositivos como sintetizadores musicales  ó tarjetas de Sonido. Por el tamaño resultante que ofrece su compresión,  este formato es muy usado para reproductores que necesitan combinar archivos  de audio y video, como los karaoke.

MPEG Moving Pictures Experts Group (Grupo de Expertos  en Imágenes en Movimmiento)

- Extensión: mpeg, mpg, m1v, mp1, mp3, .mp2, .mpa, .mpe -

Es el formato más importante de todos. Creado por un grupo de desarrolladores,  cuyo fin era crear un sistema de compresión con la intención de  reducir los archivos de video y audio. Opera bajo el auspicio de la Organización  Internacional de Estandares (ISO). Por ejemplo, las películas en DVD,  las transmisiones de tv digital y las de tv satelital utilizan el sistema de  compresión MPEG, para llevar las señales audio y video en pequeños  espacios. Incluye un subsistema de compresión de sonido llamado MPEG  Layer 3, conocido por el mundo entero como MP3.

Descripción:

El mp3 (Mpeg layer 3) es un codec de audio muy extendido. Los archivos creados  con este codec tienen la extensión .mp3, por lo que también se  le llama formato mp3.

Su peculiaridad es su tamaño de compresión: 11 a 1, lo que quiere  decir, que si un CD de música normal contiene unas 13 canciones, en un  CD con mp3, tendríamos 143. Aparte del ahorro del espacio hay que añadir  que no se pierde apenas calidad de sonido en bitrates normales o incluso, en  un archivo mp3 del máximo bitrate sacado de un disco de vinilo, puede  tener mayor calidad de sonido que un archivo de CD.

Teoría:

Tal reducción de tamaño se realiza por eliminación de  sonidos que el oído humano no puede oír. Al eliminar escalas de  sonidos no audibles se reduce la cantidad de bytes necesarios en el archivo final. El mp3 tiene unas técnicas de compresión digital diferentes  al CD. Por ejemplo, en los archivos digitales de CD, si dos sonidos tienen la  misma frecuencia de onda, se elimina una de ellas. En cambio, hay otros parámetros  que influyen en los mp3, por ejemplo, si hay un ruido fuerte, se eliminan los  datos de los débiles, pues el oído humano solo escuchará  el fuerte. Existen muchas versiones del codec mp3. Cada una de ellas dictamina  que sonidos se han de eliminar y cuales no, por este motivo, no todas las versiones  y configuraciones son iguales.

El bitrate

Uno de los aspectos técnicos mas conocidos del mp3 es el bitrate. Es  una especie de escala del tipo de compresión. A menor bitrate de compresión  de un archivo, más datos se eliminan y menos ocupa el archivo, pero naturalmente  peor se escucha.

Codec mp3 Lame

Existen varias versiones hechas por distintos programadores del codec mp3,  aunque actualmente la más rápida y la que ofrece mayor calidad  es la versión Lame. Versiones que siempre debes descartar son Fraunhofer,  Xing y QDesign MVP.

El Sistema operativo Windows, a partir de la versión 98SE, instala por  defecto el codec mp3 Fraunhofer. Otros programas como el Nero o el Musicbox  también usan esta versión de codec. Hay que procurar descartar  todos los programas que usan por defecto el codec mp3 de Windows, como el Windows  Media Player.

Si queremos mejorar la creación, conversión y reproducción  de los archivos mp3, debemos instalar y usar siempre la versión Lame.

Mejor Versión Lame:

Se dice que a pesar de no ser la ultima, la mejor versión es la 3.90.3.  Decimos se dice, pues para notar la diferencia has de tener un buen equipo de  música, unos buenos auriculares y tener un buen oído, aparte de  seleccionar los temas apropiados donde poder apreciar diferencias acústicas.  Cada cierto tiempo, ciertos grupos dedicados a este tema, hacen audiciones y  comparaciones de las diferentes versiones del codec mp3. Son estos grupos los  que recomiendan que actualmente (dic-2003) la mejor versión es 3.90.3

AC3 CODECS

- Extensión: ac3 -

Descripción:

Estos codecs son necesarios para poder reproducir y crear archivos de audio  en el sistema Dolby Digital AC3.

Teoría del audio AC3:

Dolby Surround o Dolby Prologic es un sistema de cuatro canales de audio que  se introdujo, en los años 70, en las principales salas de cine. El sistema,  con únicamente dos canales, codificaba las cuatro señales de los  cuatro altavoces.

El Dolby Dijital 5.1, llamado técnicamente AC3, es un sistema de audio  que nació en los años 90. Este sistema incorpora 5 o seis canales  independientes de sonido. Cada canal es independiente para cada altavoz y reproduce  todo tipo de frecuencias, menos el sexto, que solo se encarga de las más  bajas.

Novedades de la nueva versión 0.68b:

Esta nueva versión incluye novedosas características como soporte  de salida multicanal, soporte de compresión de rango dinámico  (DRC), control de nivel de ganancia, información de la cadena de bits,  descompresión de DolbySurround/ProLogic/ProLogicII para cada canal, etc.

REAL NETWORKS ™ RealAudio® and RealVideo®

- Extension: .ra, .ram, .rm, .rmm -

Soporte multimedia creado por la empresa Real Network, con una alta taza de  comprensión y algoritmos especiales que reducen considerablemente el  tamaño de de los archivos de sonido y video. No tan famoso como el MP3  su capacidad de streming lo hace ideal para trasmitirse en vivo a través  de la red.

OGG VORBIS

- Extensión: oog -

El funcionamiento de este formato de compresión es similar al de los  otros, pues también se utiliza para guardar y reproducir música  digital. Lo que diferencia a Ogg Vorbis del resto de grupo es que es gratuito,  abierto y no esta patentado. Su principal atractivo es la importante reducción  que hace de un archivo de audio sin restarle calidad. Así mismo, se distingue  por su versatilidad para reproducirse en prácticamente cualquier dispositivo  y por ocupar muy poco espacio.

ATRAC

Este formato se utiliza en tecnología de compresión y reproducción  para minidisc. Se emplea en el sector de audio y algunos dispositivos portátiles como PDA, y muy pronto, en teléfonos inteligentes.