SONIDO DIGITAL

Indice:

1.- Sonido digital, ¿qué es?

2.- Vídeo Prácticas: Tarjeta capturadora Audio Control 1 y grabadores digitales Marantz PDM 660 e iKey Plus.

3.- Sonido digital, lo que también debes saber.

4.- Conclusión.

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1.- Sonido digital, ¿qué es?

El sonido se genera por la variación de presión en un medio (aire usualmente), por lo tanto es analógico,  los equipos actuales trabajan de forma digital (ceros y unos), lo que obliga a traducir esta variación analógica (infinitos valores en el tiempo) a valores digitales, a estos datos digitales es a lo que se le llama sonido digital.

Los equipos que trabajan con sonido digital poseen un conversor A/D (Analógico/Digital) que convierte  la señal analógica a digital, este proceso requiere de tres pasos: muestreo, cuantificación y codificación.

Conversor Analógico/Digital - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 1. Conversor Analógico Digital (A/D)

Muestreador: Toma muestras de la señal analógica (señal en tiempo discreto), se debe cumplir que :

Fm  >  2  * BW     (teorema Nyquiest)

F: Frecuencia de muestreo (Hz)

BW (BandWidth): Ancho de banda de la señal a muestrear

Como ejemplo, el sonido grabado en un CD está muestreado a 44100 Hz, como el ancho de banda comúnmente adoptado para la música es de 20 a 20000 Hz, se cumple el teorema de Nyquiest. Hacer que se cumpla el teorema de Nyquiest en demasía (sobremuestreoNO aumenta la calidad de la señal, sólo aumenta la cantidad de datos generados. Como referencia las frecuencias de muestreo más usadas por las capturadoras de audio son 32KHz, 44,1KHz, 48KHz,  96 KHz, y 192,4 KHz.

Cuando la frecuencia de muestreo es inferior a la necesaria se produce la distorsión por aliasing, que impide recuperar fielmente la señal muestreada.

Muestreo de una señal - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 2. Muestreo de una señal.

Cuantificador: Cada muestra obtenida se hace corresponder con un valor (señal cuantificada). El número de valores posibles depende del número de bit del conversor (resolución).

Cuantificación y codificación - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 3. Cuantización y codificación

Por ejemplo, el sonido grabado en un CD utiliza un conversor A/D de 16 bits, lo que proporciona 216 = 65536 valores posibles para la cuantificación. Cuantos más valores se dispongan más precisa será la cuantificación, lo que reducirá el error de cuantificación.

Codificador: A cada valor cuantificado se le asigna un código binario; por ejemplo el sonido con calidad CD usa palabras binarias de 16 bits.

El flujo de datos binarios obtenidos en esta primera fase de codificación es muy elevado, es el formato PCM o sin compresión, por ejemplo, este formato es el que se utiliza en la grabación de CDs, que con una frecuencia de muestreo de 44,1 Khz y 16 bit, una hora de música ocupa unos 700 MB.

Cuando el destino del sonido digital es su transmisión y/o almacenamiento y no se requiere la máxima calidad, se aplica una  segunda codificación que reduce el tamaño a consta de la calidad,  un ejemplo es el formato mp3, donde se obtienen reducciones de 7 o 10 a 1 con una calidad aceptable (192  y 128 kbps).

Tras operar con los datos binarios, los equipos de sonido digital los transforman en una señal analógica, de esto se encarga el conversor D/A (Digital / Analógico), para finalmente, tras su amplificación, aplicarla a un altavoz que generará el sonido.

2.- Vídeo Práctica: Tarjetas capturadoras de sonido

VIDEO 1: Funciones y puesta en funcionamiento de una capturadora de sonido Audio control 1:

 

VIDEO 2: Funciones y puesta en funcionamiento de un grabador digital Marantz PMD 660:

 

VIDEO 3: Funciones y puesta en funcionamiento de un grabador digital de sonido iKEY PLUS:

 

3.- Sonido digital, lo que también debes saber

En la siguiente figura podemos observar, de forma genérica, los bloques de un equipo de sonido digital.

Equipo de sonido digital: diagrama de bloques - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 4. Bloques de un equipo de sonido digital.

Filtro antialiasing: Evita que se tomen muestras de señales de frecuencias superiores al ancho de banda deseado, esto elimina la distorsión por aliasing. La frecuencia de corte de este filtro depende de la frecuencia de muestreo, en el caso típico de equipos de CD-Audio, como la frecuencia de muestreo es 44100 Hz, se establece la frecuencia de corte en 20000Hz, un 10% aproximadamente menos que la frecuencia crítica que es 22500Hz, esto se hace así debido a que los filtros no son perfectos y tienen un pendiente de caída determinada tras su frecuencia de corte.

Filtro de reconstrucción: Asegura que la señal analógica de salida no contenga componentes de frecuencia superiores a la de la frecuencia máxima de trabajo.

Soluciones a problemas del sonido digital

Distorsión por Aliasing

Solución: Muestrear a una frecuencia un 10 % superior a la frecuencia máxima de la señal (frecuencia crítica). Esta frecuencia se establece con el software de grabación utilizado, en el caso de capturadoras de sonido o mediante el menú de configuración en los equipos. Lo normal es trabajar a 44100 Hz.

Error de cuantificación

Se pretende conseguir que el ruido generado por este error será inapreciable, para ello  su nivel debe ser menor que el ruido de la señal analógica a muestrear.

Solución: Aumentar el nº de bits del cuantificador. En las tarjetas capturadoras se puede ajustar con el software de grabación, en los equipos dedicados normalmente no. Lo normal es trabajar a 16 bits y con un frecuencia de muestreo de 44100 Hz con lo que se obtiene una relación S/N (Señal/Ruido) de 98,08 dB, superior a la relación S/N de la mayoría de las señales analógicas.

La ecuación que define la relación S/N a partir de los bits del conversor A/D es :

S/N(dB) = 20 log 2n  + 1,76

n = número de bits del cuantificador del conversor A/D

Saturación o clipping

Aparece cuando el nivel de la señal analógica de entrada es superior a la tensión de fondo de escala del convertidor A/D,  esto genera un recorte de la señal por su parte superior. Esta distorsión se puede ver fácilmente con programas de edición de audio como por ejemplo Adobe Audition o Audacity (gratuito), sólo hay que hacer zoom en un tramo sonoro dónde se aprecie que el nivel es excesivo, veremos las muestras tomadas y la imagen se parecerá a la de la figura siguiente.

Saturación en un convertidor Analógico/Digital - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 5. Saturación en un convertidor A/D.

Solución: Ajustar el nivel de entrada de grabación para que no se alcance el nivel de CLIP (0 dB usualmente).

Ejemplo de equipo de sonido digital

En la siguiente figura se aprecian los bloques de una  capturadora de sonido Audio Control 1, como la utilizada en la vídeo práctica.

Esquema de capturadora de sonido Audio Control 1 - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 6. Capturadora de sonido Audio Control 1. Esquema de bloques

Contiene un conversor A/D y dos conversores D/A, uno para cada dos salidas, también se  aprecia como el circuito para monitoreo puentea los conversores.

En la siguiente tabla vemos como el fabricante describe las características técnicas de esta capturadora.

Características de Capturadora Audio Control 1 - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO

Características de Capturadora Audio Control 1 - EL CAJÓN DEL ELECTRÓNICO
Fig. 7. Capturadora de sonido Audio Control 1. Características técnicas

 Es de destacar las siguientes siguientes características de esta capturadora:

  • Alta frecuencia de muestreo, dentro del ámbito profesional:  44.1, 48, 96 y 192 KHz 
  • Alta resolución de los convertidores: 16 y 24 bits
  • Relación S/N buena: 100 dB
  • Bajo ruido en la entrada de micrófono : -128 dBu

 

4.- Conclusión

A la hora de elegir un equipo de sonido digital debemos revisar las características de los conversores que posee. Algunos equipos de baja calidad poseen un conversor A/D de menos bits que el conversor D/A, publicitando que el equipo posee una resolución que se hace corresponder con los bits del convertidor D/A. Un equipo de calidad tiene la misma resolución en sus dos conversores.

La relación S/N es una característica que no se nos debe despistar, hay que exigir un mínimo de 95 dB, en caso contrario el equipo aplicará más ruido que el propio de la señal que manejamos.

Aunque dispongamos de una capturadora como la mostrada en este artículo, no conseguimos más calidad de sonido al sobremuestrear una señal, es decir, al sobrepasar el teorema de Nyquiest, sólo sobredimensionados el archivo obtenido, tampoco obtendremos más calidad aumentando la resolución de bits, si la señal analógica tiene una relación S/N inferior a la que nos proporciona la resolución adoptada.

Bueno, espero que esta pequeña incursión en los conceptos básicos del sonido digital os sea de utilidad.

Un Saludo.

LeandroGG68

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ECUALIZACIÓN


Ecualización
Indice:

1.- Ecualización, ¿qué es?

2.- Vídeo Práctica: Ecualización de una Sala

3.- Ecualización de una Sala, lo que también debes saber

4.- Conclusión

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1.- Ecualización, ¿qué es?

La ecualización consiste en modificar la amplitud de la señal de sonido en determinadas frecuencias para conseguir que el sonido sea más real o se adapte a las preferencias del oyente.

La ecualización  se realiza tras la instalación de cualquier sistema de sonido en una ubicación : auditorios, salas de conciertos, discotecas, pub, cines, etc; es necesaria debido a que cuando sonorizamos un recinto, se produce un campo sonoro¹ ligado a las características constructivas del mismo y se generan realces y atenuaciones de determinadas bandas de frecuencia que modifican el sonido original.

campo sonoro en auditorio
Figura 1: Campo sonoro de un Auditorio

La ecualización  compensa las  variaciones de nivel en determinadas frecuencias que aparecen al crearse el campo sonoro y se puede hacer de dos formas:

1ª.- Mediante colocación de los elementos físicos:

  • Colocación de materiales porosos  como yesos, lanas de vidrio, lanas de roca, fieltros, etc; su absorción acústica varía con la frecuencia del sonido teniendo mayor coeficiente de absorción¹ en las frecuencias agudas. Si el material es más poroso y mas grueso aumenta el coeficiente de absorción en  frecuencias más bajas, no obstante su campo de utilización es en la absorción de sonidos medios y agudos (> 700 Hz)
materiales porosos
Figura 2: Coeficiente de absorción de materiales porosos
espumas material poroso
Figura 3: Esponja piramidal (como la instalada en el plató de TV de nuestro centro educativo)

 

  • Colocación de placas vibrantes. Suelen ser paneles de madera (contrachapada), apoyados sobre bastidores a una determinada distancia de la pared. El mayor problema que presenta este sistema es su selectividad en las frecuencias (entre 200 y 700 Hz).
placas vibrantes
Figura 4: Placas vibrantes colgadas de techo y fijadas a pared
  • Colocando paneles resonadores (resonadores de Helmholtz) con los que se realiza una absorción selectiva. Consisten  en un receptáculo en forma de celda, que separa el aire del resto a través de un pequeño cuello. Las frecuencias para las que se suele utilizar están en el rango de unos 200 a 4000 Hz.
paneles resonadores
Figura 5: Panel resonador

 

2ª.- Mediante equipos electrónicos:  Ecualizador gráfico (lo más usual), ecualizador paramétrico¹ (complementa al ecualizador gráfico) y ecualizador paragráfico (mezcla de gráfico y paramétrico)

2.- Vídeo Práctica: Ecualización de una Sala

En este video realizo la ecualización del plató de televisión de mi centro educativo. Utilizo un  sistema de sonido triamplificado con un ecualizador Behringer Ultragraph pro FBQ 3102, un filtro activo Behringer CX 3400 y etapas de potencia DAS E2,E4 y E8.

Tras realizar esta práctica mis alumnos de 2º de Sistemas de Telecomunicaciones e Informáticos, en la asignatura de Sistemas de Producción Audiovisual, destaco el buen trabajo realizado por este grupo:  Curso 17 18

 

3.- Ecualización de una sala, lo que también debes saber

Tras aplicar ruido rosa¹ a una sala, y mediante un analizador de espectro de sonido, se puede obtener la curva de respuesta en frecuencia  (color negro en la figura 6); se aprecia que hay una serie de ondulaciones (picos y valles) que aparecen debido al campo sonoro creado en la sala.

ecualización - ecualizador paragráfico
Figura 6: Modificación de curva de respuesta en frecuencia con un ecualizador

Lo que se pretende  es contrarestar esta variaciones, de forma que podamos obtener una curva como la de color púrpura (curva corregida) lo más plana posible.

Es este ejemplo se ha utilizado un ecualizador paragráfico que nos permite ajustar la frecuencia central del cada uno de los cortes dentro de un rango (potenciómetro ubicado bajo cada corte) no obstante lo habitual es usar un ecualizador gráfico de 1/3 de octava y en la mayoría de las veces es suficiente; de no ser así, se añade un ecualizador paramétrico que permite hacer las correcciones con más precisión.

No debemos obsesionarnos con lo plana que quede la curva, una variación de ±2dB no es apreciable y si lo que estamos ecualizando es una sala donde sólo se reproducirá voz una variación de ±5dB en el rango de 100 Hz a 10.000 Hz tampoco será apreciable.

Para conseguir una buena ecualización, primero se debe reducir el tiempo de reverberación¹ de la sala, es decir, reducir las reflexiones al máximo, esto se consigue con la colocación de materiales absorbentes del sonido.

Los ecualizadores, por tanto, se utilizan para retocar los desajustes en el campo sonoro que no puedan realizarse con elementos absorbentes y conseguir finalmente una respuesta en frecuencia lo más plana posible.

A nivel doméstico,  puedes realizar la ecualización de tu habitación o estudio, sólo necesitarías un ecualizador, un micrófono, un teléfono móvil y un ordenador:

1º.- Descargas una pista de ruido rosa y lo guardas el móvil; mejor que sea en formato .wav, ya que el .mp3 pierde calidad.

2º.- Instalas un analizador de spectro de audio en tu pc, hay muchos gratuitos en internet,los llaman visualizadores de música (son las típicas barritas que suben y bajan con el audio).

3º.- Conectas un micro, que tenga la respuesta en frecuencia lo mas plana posible, a la entrada de micro (o USB) de tu PC y compruebas que al hablar suben y bajas las barritas del analizador de espectro.

4º.- Conectas tu móvil en la entrada del ecualizador y la salida de éste, al  amplificador (o altavoces autoamplificados) que tengas para reproducir la música.

5º.- Reproduces el ruido rosa de tu móvil y visualizas los niveles en el analizador del PC.

6º.- Modificas los cortes del ecualizador para que la curva de respuesta en el analizador quede los más plana posible.

7º.- Listo, ya lo tienes, sólo debes conectar el reproductor de música  (móvil, mp3, pc) a la entrada del ecualizador.

Si vas a reproducir siempre con el PC, puedes ahorrarte el ecualizador, usando uno tipo software, todo el proceso sería igual con las únicas diferencias:

  • La salida de audio del PC iría conectada al amplificador o altavoces autoamplificados
  • El móvil ya no hace falta para nada, se reproduce el ruido rosa con el PC
  • Para el analizador de espectro es mejor que utilices otro PC ( un portátil por ejemplo) ya que puedes tener problemas al reproducir el ruido rosa y visualizar los niveles captados por el micro en el mismo PC, si lo consigues hacer, pues perfecto, con un solo PC te apañas :).

 

Aclaraciones

Campo sonoro: es la composición de sonidos que se crea en una sala tras   las reflexiones en paredes, techo, suelo y objetos de la misma. Dependiendo de si la sala es más o menos absorbente del sonido tendrá una componente mayor de campo directo ( más ondas directas)  o de campo reverberante (más ondas reflejadas).

Coeficiente de absorción: es un número entre 0 y 1 que indica en qué porcentaje un material absorbe el sonido ( 1 sería  el 100%).  Se obtiene con el cociente entre la Energia  absorbida y la incidente.

coeficiente de absorción
Figura 7 :Distribución de energía sonora incidente (Ei) en un material

 

Ecualizador paramétrico: es un equipo que permite ajustar el nivel (volumen) de un rango de frecuencias (banda) determinado. Posee tres ajustes principales:

  • Frecuencia: para seleccionar la frecuencia central de la banda.
  • Q (factor Q): que permite ajustar el ancho de la banda (selectividad) a modificar. Un valor más alto indica más selectividad (menor ancho de banda).
  • Nivel: realza o atenúa la banda seleccionada.
ecualizador paramétrico
Figura 8: Ecualizador paramétrico

Ruido rosa: es un sonido que contiene todas las frecuencias de espectro audible desde 20 a 20.000Hz y el nivel de potencia por octava ( o tercio de octava ) es el mismo. Como la mayoría de los analizadores de espectro realizan la medida de nivel por octava (o tercio de octava), la curva de respuesta en frecuencia del ruido rosa aparece plana.

No debemos confundir este sonido con el Ruido Blanco que contiene también todo el espectro de audible pero el nivel potencia de cada uno de los tonos (frecuencias) es el mismo.

ruidos rosa y blanco
Figura 9 : Ruido rosa (izquierda) y ruido blanco (derecha)

Tiempo de reverberación: Es el tiempo que tarda en disminuir el sonido 60 dB tras dejar ser emitido por la fuente.

Tiempo-de-reverberación-t60
Figura 10 : Tiempo de reverberación

 

4.- Conclusión

Saber ecualizar una sala es fundamental para cualquier técnico de sonido; toda instalación profesional de sonido  finaliza con una ecualización. La calidad del sonido que se obtiene tras la ecualización es muy superior a cuando no se ha realizado.

Un Saludo.

leandrogg68

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