La representación eléctrica del sonido

Cuando una onda sonora incide sobre un micrófono (o cualquier otro disposi- tivo de entrada de señal) se convierte de una onda de presión en el aire a una onda eléctrica, dependiente de las leyes de la electricidad (gracias a Thomas Edison). Es la existencia de estos principios eléctricos y nuestra manipulación de los mismos, lo que forma la base de los sistemas de sonido modernos y sus beneficios. Es muy importante conocer los conceptos básicos de la electricidad si queremos entender la producción de audio.

bi ta je y amplitud Una onda siempre será una onda (de no ser que sea una particula). Una señal de audio es la representación eléctrica de un sonido, en forma de

corriente fluctuante. Cuando una onda llega a un micrófono cambia su enti- dad-de acústica a eléctrica-pero sigue siendo una onda. Ocasionalmente, puede cambiar en sentido contrario-de energía eléctrica a acústica-. En este proceso, podremos aumentar su ganancia (la amplitud de la onda), o alterar de cualquier modo la onda, pero siempre seguirá siendo una onda.

Dentro de los limites del equipo de audio, el voltaje de señal, o la corriente, jiuctúan exactamente a la misma velocidad que la energía acústica que repre- senta, y la amplitud de la señal de audio-el nivel de señal-es proporcional a la amplitud de la onda sonora original.

hopiedades de la Hay cuatro propiedades básicas de la electricidad que es necesario conocer y d#bicidad entender. Son voltaje, corriente (intensidad), resistencia y potencia. Si hacemos

un viaje a través de estos términos entenderemos cómo se relacionan entre ellos.

El voltaje puede ser entendido como presión eléctrica. Es la fuerza que hace que la corriente fluya a través de un circuito eléctrico. La medida del voltaje es el Voltio.

Todo en el mundo está compuesto de átomos, y los átomos están compuestos de protones, neutrones y electrones. En algunos materiales, los electrones (que se mueven alrededor del núcleo del átomo) pueden saltar de un átomo a otro, creando lo que llamamos corriente. Los materiales con electrones sueltos (como la mayoría de los metales) se denominan conductores, porque permiten a la electricidad pasar fácilmente. Los electrones en otros materiales (la goma o la cerámica) están sujetos entre sí y no se mueven libremente (quizá se gusten más entre ellos). Estos materiales se llaman aislantes, y como habrás adivinado, son muy útiles cuando no quieres que pase la corriente.

La corriente se mide en Amperios, y existen dos tipos, según se muevan los electrones.

Corriente continua La corriente continua es un fenómeno realmente curioso. Los electrones fluyen en una sola dirección-del polo negativo al polo positivo. La corriente continua se mueve siempre en una dirección, sin mirar atrás, sin parar para contemplar el paisaje. Las baterías y las pilas funcionan con corriente continua.

Corriente alterna

Potencia

Resistencia/: Impedancia

Inversamente, la corriente alterna es el miembro esquizofrénico de la comuni- dad eléctrica. Alterna del polo positivo al negativo una serie de veces por segun- do. La corriente de nuestras casas, por ejemplo, alterna a 50 ciclos por segundo (60 en Estados Unidos). Esto significa que la corriente en los dos polos de un enchufe cambia de positivo a negativo 50 veces por segundo.

Lo importante de la corriente alterna es que tiene una particular similitud con uno de nuestros viejos amigos, las ondas senoidales. A medida que la corriente fluye en una dirección, crea un pico de voltaje, que se alterna con una bajada o valle del mismo tamaño. Este comportamiento hacia adelante y atrás, arriba y abajo, se asemeja a la naturaleza alternante de la compresión y el enrarecimien- to.

El voltaje y la corriente juntos (el voltaje multiplicado por la corriente) forman la potencia, que se mide en Vatios. El vatio es la media del trabajo realizado, la can- tidad de energía gastada.

Al igual que los frenos que impiden que un tren descarrile, la resistencia nos per- mite usar la corriente eléctrica.

La resistencia se refiere a la cantidad de material, en un medio conductor, que resiste (se opone) al paso de la corriente cuando se le aplica un voltaje. Como hemos dicho antes, los conductores tienen poca resistencia, mientras que los ais- lante~ tienen mucha.

Para usar otra similitud, la defensa de un equipo de fútbol es la resistencia, intentando impedir el avance de la delantera del equipo contrario hacia la porte- ría.

El principio de la resistencia, que se aplica cuando se habla de corriente conti- nua, es muy similar al concepto de impedancia. Cuando se trabaja en audio, . vamos a encontrarnos con un principio un poco más complejo, que incorpora tanto la resistencia de la corriente como otra forma de oposición conocida como reactancia. Lo que hace a la reactancia más compleja es que depende de la fre- cuencia. A medida que la frecuencia de un circuito de audio cambia, la reactan- cia (igual que la impedancia) cambia con él.

La impedancia, al igual que la resistencia, se mide en Ohmios.

la ky de Ohm Existe una ley en la naturaleza que dice que el resultado final de un trabajo es igual a la cantidad de esfuerzo aplicado dividido por la oposición encontrada. Por ejemplo, la capacidad de alguien para aprender a tocar la guitarra es direc- tamente proporcional al tiempo que le dedique (algunos practican una hora al mes y otros ocho horas diarias) dividido por la cantidad de oposicifin que encuentran (jverdad que toca bien cariño..? o jsuelta ahora mismo ese trasto!).

Esto, en términos más serios, es la Ley de Ohm. En un sentido menos filosófico pero más útil, la Ley de Ohm establece que la

cantidad de corriente en amperios (1), es igual al potencial eléctrico en voltios (E), dividido por la resistencia en ohmios (R).

Podemos ver esta relación en el flujo de corriente del circuito aquí mostrado, donde el potencial eléctrico (E) de la fuente se mueve a través de la resistencia formando un flujo de corriente.

"1" Corriente

Resistencia

"R"

Para recordar la ley de Ohm es muy útil utilizar una regla nemotecnica como: El Erizo busca en la cueva del Ratón mientras le persigue un Indio (matemá-

ticamente I= EIR) .

De esta fórmula básica surgen otras posibilidades. La grandeza de la Ley de Ohm, es que si empezamos con la primera ecuación

fundamental, podemos deducir la otras necesarias para completar las relacio- nes eléctricas:

Como dijimos antes, cuando se habla de audio (con corriente alterna) traba- jaremos con un valor conocido como impedancia (simbólicamente representa- do por la letra Z) que se mide en ohmios igual que la resistencia. Por tanto, los cálculos con la impedancia utilizarán las mismas fórmulas de antes:

Cálculos de potencia

Si miramos el diagrama similar, veremos como esta relación con la impedancia en la corriente alterna se asimila a la corriente continua.

La Impedancia difiere de la resistencia en que toma en cuenta un factor basa- do en la frecuencia conocido como reactancia. Esto hace que el valor de impe- dancia de un circuito (y los cálculos consiguientes) cambien a medida que cam- bia la frecuencia de la señal. Esto significa que si el voltaje (E) permanece cons- tante, la impedancia (Z) y la corriente (1) cambiarán a medida que cambie la fre- cuencia.

Etapa de potencio

"F'

"I" ~eadoncia indudiva - - - - - -

Altovoz

Readancia capacitativa

La Ley de Ohm nos puede ayudar en un gran número de cálculos importantes que no son específicamente parte de la Ley de Ohm (son como apéndices de la Ley de Ohm), relaciones de potencia.

[P= E x 11 donde P es la potencia en vatios, E es el potencial eléctrico en voltios e 1 es la corriente en amperios.

Haciendo lo mismo que antes con la Ley de Ohm, podemos construir algunas ecuaciones que nos ayudarán a determinar la potencia cuando conocemos la impedancia (o la resistencia):

dl o no dB ... esa a b cuestión

Esto es un gráfico que puede ser considerado como La Familia de la Ley de Ohm. En el centro de la rueda están los cuatro cuadrantes de valores. En la parte exte- rior están las ecuaciones que se refieren a esos valores. Para resolver los valores específicos, hay que buscar en el centro de la rueda y hacer los cálculos en base a la información disponible.

Mientras los principios básicos de la electricidad y los cálculos de la Ley de Ohm nos llevan a entender qué es lo que está pasando en el interior del sistema, nosotros debemos volver a otro sitio para aprender más cosas sobre el increíble mundo del audio.

Desde el susurro más bajo a la carretera más ruidosa, los humanos tenemos un sorprendente rango auditivo. A menudo percibimos el sonido comparativa- mente, juzgamos un sonido en comparación con otros. Es esta relación de aspectos la que nos lleva al elemento más significativo en el cálculo de audio, el Decibelio.

Su nombre viene de Alexander Graham Be11 (sí.. .el del teléfono), el decibelio se utiliza en cálculos de audio para describir tanto valores eléctricos como acús- ticos.

Ahora las cosas empiezan a complicarse, pero si intentamos no pensar dema- siado, lo conseguiremos.

Realmente todo es tan sencillo como inventarnos los logaritmos.

Los logaritmos Un decibelio es 11 10 de un Bel, y un Be1 es el loguritmo de la mlacidn de potencia. Para expresar la relación entre dos valores de potencia, P1 y P2 en Bels: Bel= log (P1 lP2). Debido a que un decibelio es 11 10 de un Bel, se puede expresar mate- máticamente con la expresión dB= 10 log (PlIP2).

iQué son exactamente los logaritrnos?, asi me gusta, que lo preguntes. Como hemos dicho antes, el rango auditivo del ser humano es tremendo, y si

fuéramos a usar relación de potencia (como los vatios acústicos) para expresar este rango, los números serían incluso más tremendos que los logaritmos. Por ejemplo, el número de ceros que serían necesarios para expresar el umbral de sonido de un vatio acústico es 11 ~(0.000000000001)!. El sistema exponencial fue pensado para trabajar con esos números tan grandes. La expresión 10 elevado a la potencia de 11 (10") significa que hay 11 ceros a la derecha del 10. Inversamente, 10 elevado a -11 (10.") representa el número tan pequeño que hemos escrito antes. Aquí es donde entran en juego los logaritmos. Los logarit- mos son los exponentes.

En cualquier ecuación exponencial la base es el número sobre el que se eleva, y el logaritmo (log de ahora en adelante) es la potencia que se eleva, el antiloga- ritmo es el número resultante.

Por ejemplo: 5'=25

Cuando se trata con logaritmos en general, cualquier número puede ser utili- zado como base, pero en los cálculos con decibelios, la base estándar es 10 (recuerda, un dB es 1 1 10 de un Bel). Por tanto, con los cálculos de audio, cuando veas "log" probablemente se refiere a un logaritmo con base 10.

Intentemos algunos problemas en base 10 ... Por ejemplo:

1=10 a la potencia de O (lo0), luego log 1=0 10=10 a la potencia de 1 (lo1), luego log 10=1 100=10 a la potencia de 2 (lo2), luego log 100=2 1000=10 a la potencia de 3 (lo3), luego log 1000=3

Obviamente las cosas se complican si nos separamos de los números múltiplos de 10. Por ejemplo, jcómo sería el logaritmo de 50?

iA qué exponente hay que elevar el número 10 para que nos de 50?

log 50= 1.698970. iDe dónde ha salido?, !pensé que los algoritmos harían las cosas más sencillas!.

Una vez que nos apartamos de los múltiplos de 10 en un sistema de base 10 podemos tener algún problema, pero hay varias formas de solucionarlo. Puedes comprar un libro con tablas de logaritmos que te den la información, o puedes comprarte una calculadora con el botón "log" Cuando necesites saber el loga- ritmo de 655, teclea 655 en la calculadora y luego el botón "log" y obtendrás el resultado 2.8162413. Eleva 10 a la potencia de 2.8162413 y obtendrás 655 (el antilogaritmo).

Mira el cuadro adjunto, y encontrarás una de las tablas de logaritmos más úti- les dentro del audio. El ecualizador gráfico de 113 de octava es una buena herra- mienta para recordar las relaciones logarítmicas cuando no se tiene un cuadro de logaritmos ni tampoco una calculadora.

MODEL SP3200 GRAPHIC EQUALlZEl 12- - - - - - - - - - - - - - - -+12

POWER -.-.-.-,-.-.-.-.-.-.-.-.-,-.-.-~ -------. - - - - - - - - - 1 2

i0 ELNI 12.5K 16K

Pero, ja qué viene todo esto?

1) Porque los logaritmos se parecen mucho a la forma en la que el oído perci- be el volumen.

2) Porque, incluso aunque los logaritmos parezcan complejos, son simple- mente números con los que podemos operar.

Todo queda en familia

3) Porque debido a esto, los logaritmos son más fáciles de manipular que multi- plicar y dividir grandes números, y los grandes números son muy usuales en los cálculos acústicos.

Cuando se trabaja en el terreno del audio y de la acústica, hay muchas relaciones de interacción con las que debemos enfrentarnos, y el decibelio proporciona una excelente forma de trabajar con relaciones (y ya sabemos lo dificil que esto es).

Debido a esto, los cálculos con dB se han adoptado para un gran número de áreas en audio y electrónica, y con todos esos tipos de decibelios rondando por ahí puede ser un poco confuso. Pero ánimo, una vez que lo comprendas te darás cuenta de que no lo puedes hacer de otro modo.

El término dBm es una medida de potencia eléctrica. Se refiere a 1 milivatio (o dBm= 1 milivatio).

Como otros términos de dB, el dBm se usó para trabajar con circuitos telefóni- cos. 1 milivatio es la cantidad de potencia usada cuando se aplica un voltaje de 0.775 voltios a un circuito de 600 ohmios (la línea telefónica sobre la que se hizo el cálculo, era de 600 ohmios). El término es más significativo cuando se trata con un gran tendido de cable en una sonorización.

Para la mayoría de los propósitos de audio, el dBu es más apropiado (y más usado) que el dBm. Mientras que el dBm es una medida de potencia, el dBu es una medida de voltaje. Sin embargo existe una similitud. iRecuerdas que 0.775 voltios creaban 1 milivatio como punto de referencia para el dBm?, pues 0.775 voltios es la referencia cero para el dBu.

Antes del nacimiento del dBu, el voltaje de referencia estándar era O dBV, lo que equivale a 1 voltio RMS. Para hacer las cosas un poco más fáciles (o más difíciles, según se mire) el dBv, teniendo como referencia 0.775 voltios (OdBv= 0.775 vol- tios), fue diseñado para reemplazar al dBu y unificar el análisis. Sin embargo, no pareció funcionar, y ahora tenemos las tres unidades. Lo importante es recordar que el dBv y el dBu son amigos (de hecho son hermanos gemelos), ambos referi- dos a 0.775 voltios, y la diferencia entre el dBv y el dBV son los 0.225 voltios que faltan para llegar al voltio sobre el que se fundamenta el dBV.

Ahora ... jmás dificil todavía!

Mientras que el dBm (referido a 1 milivatio) es útil en los cálcu- los de pequeñas p o t e n c i a s (como la salida de un micrófo- no) es poco práctico cuando se trabaja con grandes poten- cias (como la salida de un amplificador), de forma que se inventó otro nuevo decibelio, el dBW, referido a 1 vatio.

Por tanto, con O dBW= 1 vatio, un amplificador de 10 vatios sería de 10 dBW, uno de 100 vatios sería de 20 dBW, etc.

dBm O dBm = 1 milivotio la potencio que se mide cuando se aplican 0.775 voltios a una carga de 6OOR

dBu O dBu = 0.775V Un designador basado en voltage para sustituir al dBm

dBv O dBv = 0.775V Un intento de reemplazar al dBu como designador

dBV O dBV = 1 .OV Referencia 1 V RMS (1 V en oico es 0.775V RMSI

dBW O dBW = 1.OW Establecido para manejar altos niveles de ootencia

Niveles de Existen tres áreas de nivel de operación dentro del audio. La interrelación de operación estándar estas tres categorías es lo que compone el proceso de la reproducción y arnpli-

ficación modernas.

Kwel de micrófono El nivel de micrófono va desde la ausencia de señal hasta -20 dBu (0,775 voltios). Esto incluye las salidas de los micrófonos, las pastillas de las guitarras, las cintas de grabación y las cabezas de los casetes. Debido a que dichos dispositivos de bajo nivel están combinados con preamplificadores para aumentar su nivel a un rango más usable, es necesario recordar que estos son los niveles de dichos componentes, antes de la amplificación.

Bajo condiciones específicas (con los Who por ejemplo) algunos micrófonos pueden tener más nivel, y una guitarra puede registrar niveles de O dBu o inclu- so mayores, pero niveles de -20 dBu (o -20 dBm) se consideran normalmente "niveles de micrófono".

Ckel de línea El nivel de línea comienza donde termina el de micrófono y se extiende desde - 20 hasta +30 dBu (24.5 voltios). Incluye a los sintetizadores (y otros teclados electrónicos), las salidas de preamplificador, salidas de mesas de mezclas y entradas de amplificador, así como la mayoría de las entradas y salidas de los procesadores de señal (limitadores, reverbs, etc.). El nivel de línea es el terreno habitual del ingeniero de sonido. Incluye casi todo excepto los bajos niveles de los que ya hemos hablado, y el alto nivel al final de la cadena de audio.

Nivel de altavoz

Un vistazo de cómo funcionan juntos los niveles.

Voz humana 80 dB SPL

Micrófono 74 dB SPL entrado

- 20 dBm salida

1 Etapa de potencia t 4 dBv entrada t 24 dBW salida

Mesa de mezclas - 20 dBm entrada t 4 dBu salida

Oído humano Aprox. 230

Altavoz 225 W entrada 127 dB SPL@ l m

metros 80 dB SPL

Nivel típico de micrófono

- 20 dBu a O dBu

Nivel típico de línea - 20 dBu a t30 dBu

Nivel típico de altavoz t 30 dBu y más

Los niveles de altavoces cubren. todos los niveles operativos por encima de +30 dBu (24.5 voltios), concretamente, las salidas de altavoces de las etapas de poten- cia.

Habiendo considerado las definiciones generales de los niveles con los que vamos a trabajar, echemos un vistazo a la forma de operar conjuntamente.

El proceso comienza con las señales de nivel de micrófono provenientes de las pastillas de guitarra, micrófonos, etc. Como hemos dicho antes, estas fuentes proporcionan unas señales muy bajas y son extremadamente susceptibles de ruido e interferencia, necesitan ser protegidas por cables blindados y balancea- dos para reducir el efecto exterior.

Una vez que hemos alcanzado el primer punto (la entrada de la mesa de mez- clas), estas señales son aumentadas hasta el nivel de línea a través del uso de pre- amplificadores de micrófono (incorporados típicamente en las entradas de micrófono de las mesas). Dentro de la mesa de mezclas, la señal recorre un largo camino que permite un amplio campo de manipulación y creación (la parte divertida) antes de ser enviada a la salida de línea y al siguiente punto, la etapa de potencia.

El único propósito de la etapa de potencia es, una vez más, subir el nivel de la señal hasta que llegue al nivel de altavoz y poderlo enviar a las pantallas que hará que la señal resultante sea una combinación de sonido y calor (la mayoría, por cierto, se convierte en calor).