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La envolvente acústica

¿Qué es la envolvente acústica?

La envolvente de una señal es la curva que une los picos de la misma polaridad y representa como evoluciona la amplitud de la señal en el tiempo.

Todo sonido nace (Ataque) decae, se sostiene durante un tiempo y se extingue (Relajación).

  • Ataque: (Attack) Tiempo que transcurre entre el comienzo del sonido y llegar a su amplitud máxima
  • Decaimiento: (Decay)Tiempo que transcurre desde el momento de máxima amplitud hasta el valor de sostenimiento.
  • Sostenimiento: (Sustain) Tiempo en que la amplitud se mantiene constante.
  • Relajación:(Release) Tiempo que transcurre desde que finaliza el sostenimiento y hasta que se reduce la amplitud a la inaudibilidad una vez que ha cesado la vibración que ha producido el sonido.

ADSR = Attack, Decay, Sustain, Release. Es el acronimo que se emplea para definir las fases por las que pasa cualquier sonido.

Importancia de la envolvente en las puertas de ruido

No podemos manejar los parámetros de ataque y release de una puerta de ruido ( o compresor) sin tener la envolvente (ADSR) en nuestra cabeza ya que es directamente sobre lo que estamos actuando.

El ADSR nos ayuda a visualizar las fases por las que pasa un sonido y el tratamiento que le damos.

El gráfico nos ayuda a entender que poner un umbral demasiado alto hace que perdamos bastante de la zona de ataque y relajación.

Logaritmos

¿Que es un logaritmo?

Es el exponente al que hay que elevar un número, llamado base, para obtener otro número determinado.
El logaritmo en base 10 de  100 es 2,  =  102   es decir 10 · 10 = 100
El logaritmo en base 10 de 1000 es 3,  =  103  es decir 10 · 10 · 10 = 1000

El decibelio es una décima parte (1/10) de un Belio (una unidad llamada así por Alexander Graham Bell, motivo porque la  «B» de dB es mayúscula). Ahora bien ¿Qué es un Belio?

Un Belio se define como el logaritmo de una relación de potencia eléctrica, acústica u otra. Ten en cuenta que el término ‘dB» puede tener distintos significados según el contexto en que se utilice y que no se trata de un valor fijo como el voltio, el watio, el metro, etc. Por lo tanto el decibelio es el resultado de la siguiente formula y en este caso de la relación entre dos potencias:

dB = 10 · log (P/ P2)

Donde Pes la potencia mayor y P la potencia menor, Para resolver dividimos  Pde  P y calculamos su logaritmo con la calculadora. Después multiplicamos el valor por 10 y tenemos el resultado en dB.

Por ejemplo, ¿Cuantos dB esta 100 vatios por encima de 1  vatio?

Resolvemos en el siguiente orden:

dB = 10 log (100 / 1) 

dB= 10  log 100

dB =10 · 2 = 20

El decibelio

Se han hecho muchos  intentos para explicar uno de los términos más comunes pero confusos en mundo del  audio, el «dB». «dB» es una abreviatura de «decibelio», y no tiene que ser difícil de entender si se explica con sencillez.

Definición matemática del decibelio

Un Belio se define como el logaritmo de una relación de potencia eléctrica, acústica u otra. Ten en cuenta que el término ‘dB» puede tener distintos significados según el contexto en que se utilice y que no se trata de un valor fijo como el voltio, el watio, el metro, etc. El decibelio es la décima parte del Belio.

El dB siempre describe una relación de dos cantidades. La razón por la que se utiliza el dB es que es logarítmica y, por lo tanto, se pueden usar números más pequeños para expresar valores que de otra manera requerirían más dígitos y serían más difíciles de manejar.

La capacidad de audición humana está entre 20 µPa (20 micro pascales = 0.000002 pascales) y 20 Pa (20 pascales.) Esto quiere decir que el sonido más fuerte que podemos escuchar (antes de sentir dolor insoportable) es alrededor de 1012 veces más potente que el sonido más suave que somos capaces de percibir. La variación entre el sonido mas tenue y el mas fuerte es de 1 a 1.000.000.000.000.

Usando el decibelio, todo el rango dinámico de nuestro oído se reduce a un más manejable rango de 120 dB.

µPa (micropascales) Pa (Pascales) dB (Decibelios)
20 0,000002  0 dB
63,2455 0,00006324555 10 dB
200 0,0002 20 dB
632,4555 0.00063245553 30 dB
20000000 20 120 dB

Además, dado que la sensibilidad de nuestros oídos es «logarítmica», los valores de dB se relacionan con la forma en que escuchamos de una manera mas fácil de entender que con los números absolutos o con  relaciones simples. Por lo tanto, el dB estaba destinado a simplificar las cosas no a complicarlas.

Por otra parte, nuestro sistema auditivo responde de una manera exponencial al aumento de sonido. Un cambio exponencial en la potencia del sonido es percibido por nuestros oídos como un cambio lineal de volumen. Así que cuanto mas alto sea un nivel de sonido se necesitará mas potencia para que un cambio de volumen se perciba de igual forma. Un cambio de potencia de 1 a 10 vatios es percibido en volumen igual que un cambio de 10 a 100 vatios o uno de 100 a 1.000 vatios. En el segundo caso se necesitan 90 vatios para que el oído perciba el mismo cambio de volumen  que de 1 a 10 vatios.

En los dos casos la variación fue de 10:1 en el nivel de potencia. ( 10/1 = 10 y 100/10 = 10)  así que expresado en dB quedaría así usando la fórmula para el cálculo de dB    dB = 10 · log (P/ P2)

Donde Pes la potencia mayor y P la potencia menor, Para resolver dividimos  Pde  P y calculamos su logaritmo con la calculadora. Después multiplicamos el valor por 10 y tenemos el resultado en dB.

El logaritmo de 10 es 1  por tanto 10 · 1 = 10

Entenderemos mejor como el decibelio es mejor para representar la respuesta a las variaciones de niveles con la siguiente tabla. De un lado tenemos la potencia siendo 1 la potencia que representa el sonido mas débil que podemos oír y el mas fuerte esta representado por 1012

Potencia dB
1  0 dB
2 3 dB
4 6 dB
8 9  dB
16 12 dB
32 15 dB
64 18 dB
1024 30 dB
2048 33 dB
4056 36 dB
1000000 60 dB
2000000 63 dB
1012 120 dB

Analizando la tabla vemos que cuando la potencia varía de 1 a 2 la variación  en decibelios es de 3 dB. Para que después exista la misma variación en decibelios es necesario que la potencia aumente de 2 a 4. Si seguimos viendo la progresión en decibelios vemos que en general la potencia tiene que duplicarse para que haya una variación de 3 dB. Por ejemplo de 1 millón a 2 millones también se produce una variación de 3 dB. Esto es debido a la naturaleza exponencial de nuestro oído.

Por lo general se acepta que la variación de nivel más pequeña que podemos percibir es de unos 3 dB o 28,25 µPa. Si 3 dB es la variación de sonido mas pequeña que podemos percibir, nos damos cuenta que los valores de una escala lineal tienen poco sentido. Por ejemplo, todos los valores entre 1000000 y 2000000 representan variaciones de nivel que son imperceptibles al oído humano.

0 dB

Por otra parte 0 dB no significa ausencia de señal o silencio. Significa que en el nivel que provoca la lectura 0 dB no hay variación con respecto al nivel de referencia. En la tabla anterior se tomo el numero «1» como nivel de referencia y representa la potencia de sonido mas débil  audible ( 20 µPa de presión sonora) y su equivalencia es 0 dB porque 10 log (1/1) = 0 dB y también representa el nivel más débil audible.

Un potenciometro o fader situado a 0 dB no atenúa ni realza la señal. La señal pasa a la siguiente etapa con el mismo nivel que entra.

Decibelios referenciados

En muchas de las aplicaciones del decibelio se usan valores de referencia de la magnitud estudiada, para establecer un punto de comparación que tenga significado práctico. Los decibelios que usan una unidad comparativa se llaman referenciados.

Dependiendo el fenómeno que estemos estudiando: presión sonora, voltaje, potencia eléctrica, etc. vamos a usar distintas referencias en cada caso. Los valores de las referencias, provienen de una cantidad significativa para el fenómeno en cuestión.

Tipo de decibelio Nombre Cálculo Referencia
Presión acústica dB SPL 20 log (P/Pref) 20 x 10 -6 Pascales
Voltaje dBV 20 log (V/Vref) 1 Volt
Voltaje dBu 20 log (V/Vref) 0.775 Volts
Potencia eléctrica dBW 10 log(W/Wref) 1 Watt
Potencia eléctrica dBm 10 log(W/Wref) 1 x 10 -3 watt

 

Respuesta en frecuencia del oído humano

La audición Humana   

Todos los receptores de sonido, tienen un comportamiento que varía con la frecuencia. En el caso del oído humano, sucede lo mismo, ya que se trata el receptor más complicado y (aunque parezca extraño) más eficiente que existe. Encontrarás información al respecto en  dos estos artículos: El maravilloso sistema auditivo La asombrosa capacidad del oído.

El umbral de audición, para la media de los humanos, se fija en 20 µPa (20 micro pascales = 0.000002 pascales), para frecuencias entre 2KHz y 4KHz. Por encima y por debajo de estas frecuencias, la presión requerida para excitar el oído es mayor. Esto significa que nuestro oído no responde igual a todas las frecuencias (tiene una respuesta en frecuencia desigual). Un tono puro, a la frecuencia de 125 Hz y con 15 dB de nivel, sería prácticamente inaudible, mientras que si aumentamos la frecuencia, hasta 500 Hz, sin variar el nivel de presión, se obtendría un tono claramente audible.

Para medir el nivel de presión sonora no se suele utilizar el pascal, por el amplio margen que hay entre la sonoridad más intensa y la más débil (entre 200 Pa y 20 μPa es decir entre 200 Pascales y 20 micro Pascales). Para este tipo de mediciones se utiliza el dBSPL  . Aquí puedes encontrar una explicación sobre el decibelio para ampliar esta información. Tener un concepto claro sobre el decibelio  y sus diferentes escalas te ayudará a sacar el mejor provecho de tu equipo de audio.

GRAFICO PENDIENTE

Las líneas discontinuas marcan los niveles de presión necesarios a cada frecuencia, para que el oído detecte (subjetivamente) la misma sonoridad en todas. Esto quiere decir que si reproducimos un tono de 31.5 Hz a 100 dB (NPS), luego otro de 63 Hz a 90 dB y otro de 125 Hz a 80 dB, el oyente dirá que todos sonaban al mismo volumen. En 2 KHz el umbral de audición se fija en 0 dB y a 4 KHz es incluso menor de 0 dB, ya que a 3600 Hz se encuentra la frecuencia de resonancia del oído humano.Por debajo de 2000 Hz y según se va bajando en frecuencia, el oído se vuelve menos sensible.

Los umbrales de audición para frecuencias menores de 2 KHz son: 5 dB a 1 KHz, 7 dB a 500 Hz, 11 dB a 250 Hz, 21 dB a 125 Hz, 35 dB a 63 Hz, 55 dB a 31 Hz. Recuerda que estos dB’s son de nivel de presión sonora (SPL).Por encima de los 4 KHz, el oído es menos sensible, pero no tanto como en bajas frecuencias. Sin embargo, se producen fluctuaciones a frecuencias cercanas, debido a las perturbaciones que produce la cabeza del oyente en el campo sonoro.

Presión para diferentes frecuencias

Por debajo de 2000 Hz y según se va bajando en frecuencia, el oído se vuelve menos sensible. Los umbrales de audición para frecuencias menores de 2 kHz son:

3 dB 1 kHz
7 dB 500 Hz
11 dB 250 Hz
21 dB 125 Hz
35 dB 63 Hz
55 dB 31 Hz

El umbral de audición define la mínima presión requerida para excitar el oído. El límite máximo del nivel de presión sonora se sitúa generalmente alrededor de 130 dB.  En acústica, las frecuencias siempre se tratan de manera logarítmica.. El motivo principal es que el oído humano interpreta las frecuencias de manera casi logarítmica.

 

Por qué las especificaciones no son siempre lo que parecen

Con mucha frecuencia sucede que las especificaciones de los equipos de sonido no están suficientemente claras. Es posible que si los ingenieros de diseño fueran responsables de publicar todas las especificaciones e información de ventas, independientemente de como se vendan después los productos, las especificaciones serían mucho más fáciles de comprender, pero la realidad es que cada fabricante desea que su producto se venda lo mejor posible. Por esta razón, las especificaciones a menudo se enumeran de manera tal que enfatizan los puntos fuertes y pasan por alto los puntos más débiles de un producto.

 ¿Se pueden «retorcer o adornar» las especificaciones de un equipo para favorecerlo?

Sí, porque hay muchas formas de medir una especificación, y muchas formas de presentarla, todas las cuales pueden ser «precisas» pero no necesariamente útiles en el mejor de los casos, y engañosas en el peor de los casos. Eso sí, esto no siempre es así de manera intencionada. Algunas personas en ingeniería, ventas y marketing realmente no entienden los aspectos sutiles del diseño, rendimiento y especificación del producto.

En un anuncio  se especificó donde el nivel de salida de la consola como  «± 24 dBm». Dando al fabricante el beneficio de la duda, suponemos que la agencia publicitaria se equivocó, o tal vez hubo realmente un cambio para alternar el nivel máximo de salida de la consola entre 252 milivatios (+24 dBm) y aproximadamente 4 microvatios (-24 dBm). Espero que puedas aprender lo suficiente para evitar caer en tales riesgos.

Ejemplos de especificaciones que deberían hacerte dudar

Las siguientes especificaciones describen un equipo de proceso de señal imaginario . Estas especificaciones pueden ​​para parecer útiles, sin embargo, cada una de ellas es engañosa o carente de sentido. ¿Puedes decir por qué?

Parece que este es producto razonablemente bien hecho, haga lo que haga. Respuesta de frecuencia de todo el rango audible, distorsión bastante baja, niveles  típicos de un equipo pro, bajo ruido, montaje en rack tamaño estándar… Nada muy especial o llamativo.

Especificaciones de  un procesador de señal ficticio inadecuadas:

Frequency Response: 20 Hz to 20 kHz
Harmonic Distortion: Less than 1%
lntermodulation Distortion: Less than 1%
Output Noise: Better than -90 dB
Input Impedance: 600 ohms
Input Sensitivity: 0 dBV
Maximum Output Level: +24 dBm
Output Impedance: 10k ohms
Crosstalk: Under 60 dB
Dimensions: 19″Wx3-1h»Hx8″D
Weight: 10 pounds

Como norma general, cada especificación debe proporcionar la información suficiente para permitir que un  técnico competente, utilizando el equipo de prueba estándar, pueda verificar dicha  especificación por sus propios medios. Si se conectó una carga de prueba al amplificador para obtener una especificación, esa carga también debe expecificarse. Si el amplificador se midió a – 20º,  también se debe especificar  (después de todo, un técnico podría intentar hacerlo funcionar en un congelador para obtener la potencia indicada en la especificación). Para las especificaciones de ruido de entrada, hay que diferenciar si una entrada está en cortocircuito o conectada a una impedancia específica. Para especificaciones de nivel de salida, la carga es significativa. El ancho de banda es significativo para especificaciones de impedancia, ruido y nivel. Se entiende la idea … una especificación expresada de forma muy simple puede ser muy fácil de leer, y por su puesto es más fácil de burlar.

Respuesta de frecuencia

Aquí se detallarán  los medios adecuados para medir y evaluar la respuesta de frecuencia de varios equipos y el ancho de banda de potencia de los amplificadores.
Revisaremos rápidamente la diferencia entre el ancho de banda de potencia, la respuesta de frecuencia y el rango de frecuencia, y luego citaremos algunos inconvenientes en su medición y especificación.

lectura recomendada: Respuesta en frecuencia del oído humano

Distinguiendo entre respuesta de frecuencia, Rango de frecuencia y ancho de banda de potencia

En audio, para que sea un equipo de calidad debe cubrir al menos el margen de las audiofrecuencias (20 Hz-20.000 Hz). En principio, cuanto mayor sea la respuesta de frecuencia de un equipo, más calidad tendrá el sonido final.

El término respuesta de frecuencia es una descripción de la capacidad de un dispositivo para reproducir en su salida, con precisión  las señales que aparecen en su entrada. Con los micrófonos, esto describe la relación entre la presión acústica en el diafragma y la señal eléctrica en el conector de micrófono (es decir, dB SPL a dBV, dBu o dBm). Con preamplificadores, mezcladores y amplificadores de potencia, la respuesta de frecuencia describe la relación de amplitud de la forma de onda de potencia o voltaje entre los conectores de entrada y salida, y así sucesivamente. Hay al menos dos aspectos importantes para tal especificación:

A) Los extremos más allá de los cuales la respuesta cae inaceptablemente o se vuelve demasiado errática para ser considerada útil.
B) El grado de desviación (tolerancia) dentro de esos extremos.La respuesta en frecuencia de cualquier sistema debería ser plana, lo que significa que el sistema trata igual a todo el sonido entrante, con lo que nos lo devuelve igual.

No obstante, en la práctica, la respuesta en graves y agudos, normalmente no es la misma. Hecho que se nota más en unos equipos que en otros.

Para establecer la especificación de respuesta de frecuencia de un equipo los fabricantes analizan todo el margen de frecuencias y establecen la diferencia en dBs entre la frecuencia más baja y la más alta.

Así que sabiendo esto podemos comapar la especificación respuesta de frecuencia del equipo  equipo real (Etapas Crown XLS) con las de nuestro equipo ficticio:

En el primer caso tenemos la especificación aparentemente profesional pero la especificación nos dice mas bien poco acerca de la calidad de sonido que podemos obtener con este equipo.

Frequency Response: 20 Hz to 20 kHz

Esta especificación solo nos dice que el equipo trabajará entre las frecuencias de 20 Hz a 20 kHz. Con este dato de la especificación no podemos conocer como se verá afectado el sonido original al ser procesado por ese equipo.

Un caso real

En el caso de las etapas Crown XLS la especificación respuesta de frecuencia nos da la información necesaria para saber con precisión la respuesta de frecuencia de este equipo.

ESPECIFICACIONES DE ETAPAS CROWN XLS

Para que un técnico pueda medir dicha respuesta se proporcionan los datos necesarios en la especificación.

La prueba: 1W de potencia
Extremos entre los que se mide: 20 Hz a 20 kHz
Desviación de la respuesta: +0dB, -1db.

Con esta especificación podemos conocer  que la respuesta será plana en las frecuencias bajas y ligeramente menor en las frecuencias altas. Se trata de una respuesta prácticamente plana. Todas las frecuencias audibles (20 Hz – 20 kHz) tienen prácticamente el mismo nivel de salida. La fuente de sonido original se reproducirá sin cambios o «coloración» sobre el sonido original.

Dependiendo del uso de un equipo puede que nos interese obtener una respuesta plana o una respuesta personalizada. Ciertos micros tienen una respuesta de frecuencia personalizada para mejorar una fuente de sonido. Por ejemplo puede tener un pico en el rango de los 2 – 8 kHz para aumentar la inteligibilidad de las voces en directo.

En cambio un equipo con una respuesta de frecuencia inapropiada afectará al sonido final:

  • Si un equipo enfatiza los agudos, el sonido resultante será «vibrante y chillón», mientras que si, por el contrario, pierde agudos, todo lo que reproduzca tendrá un «matiz oscuro».
  • Si un equipo enfatiza los graves, el sonido resultante resulta «atronador», mientras que si, por el contrario, pierde graves, todo lo que reproduzca tendrá un «matiz metálico».
  • Si se acentúan las frecuencias medias se produce un sonido «nasal».

Analicemos la respuesta en frecuencia del micrófono Shure SM-58

El gráfico de respuesta de frecuencias del SM58 muestra una respuesta  lineal entre  100 Hz  y 1.2 kHz. Es decir que cualquier frecuencia por debajo de 100 Hz la captará mas débilmente. Vemos un pico que comienza en 2 kHz y crece hasta +5dB a 6 mHz  y finalmente  se percibe una falta de respuesta debajo de 50 Hz y por encima de 15 kHz. Se trata de un micrófono cuya respuesta de frecuencia se ha diseñado para la voz humana con aumento de frecuencias medias y atenuación progresiva de bajas frecuencias. (ver reglas generales de uso de micrófonos)

El espectro sonoro

Una ayuda para conocer la ubicación de sonidos conocidos con respecto a su  frecuencia

Conocer el espectro sonoro y las bandas que lo componen es muy importante para conseguir una ecualización correcta. Por lo tanto es interesante para un técnico de sonido conocer el rango de frecuencias relativas de los sonidos mas habituales de nuestro entorno. Entender el concepto «octava» resulta fundamental para este propósito.

La octava

En el ámbito de la acústica la octava es el intervalo de frecuencias comprendido entre una frecuencia determinada y otra igual al doble de la anterior.

En el mundo de la música se usa la frecuencia 440 Hz como tono de afinación o pitch. Partiendo de esa frecuencia fundamental podemos definir otras octavas.

Por ejemplo  todas la frecuencias comprendidas entre 440 Hz y el doble de esta, es decir 880 Hz componen una octava. La siguiente octava será la incluya las frecuencias fundamentales comprendidas entre 880 Hz y 1660 Hz. De igual manera la siguiente octava será la que abarque las frecuencias entre 1660 Hz y 3320 Hz y así sucesivamente. De otra parte la octava anterior a la que parte de 440 Hz es la que abarca las frecuencias entre 220 Hz y 440 Hz.  Si seguimos dividiendo llegamos a los 27,5 Hz que es la frecuencia mas baja del tono fundamental que pueda dar un piano.

27.5 55 110 220 440 880 1660 3320 6640 13280 26560

Ejemplos de sonidos y su ubicación con respecto a su frecuencia:

1-20 Hz (Frecuencias subsónicas)

(Las frecuencias subsonicas abarcan aprox 4  primeras octavas )

Son frecuencias subsónicas aquellas que están por debajo del rango de frecuencias audibles para el ser humano. (20Hz). Estas frecuencias se pueden «sentir» mas bien que oír si tienen el suficiente nivel. Algunos órganos de tubos grandes y los terremotos producen frecuencias comprendidas en este rango.

20-40 Hz (Frecuencias muy bajas)

(1 octava)

Ejemplos de sonidos de este espectro de frecuencias son el viento, ruido ambiental, ruidos de aire acondicionado, el sonido de una tormenta distante. Órganos de tubo de tamaño medio, pianos y arpas pueden producir sonidos en torno a los 30 Hz

40-160 Hz (Frecuencias bajas)

(2 octavas)

La mayoría de las frecuencias producidas por tambores, piano,  órgano, instrumentos de cuerda o el bajo eléctrico caen dentro de este rango de frecuencias. En este rango en particular se encuentra la base de baja frecuencia de toda la estructura musical.

160 – 315 Hz (Frecuencias Medias – bajas)

(1 octava)

Esta octava comprende un rango de frecuencias que pueden ser percibidas como bajas y a las que se considera como tonos medios

315 – 2500 Hz (Frecuencias Medias)

(3 octavas)

 

2500 – 5000 Hz  (Frecuencias Medias – altas. Presencia)

(1octavas)

 

5000 – 10000 Hz  (Frecuencias altas. Brillo)

(1octava)

 

10000 – 20000 Hz  (Frecuencias muy altas)

(1octava)