FUNDAMENTOS DE SONIDO

y una introducción al audio digital

J. Pablo Aguilar Garduño

OBJETIVOS DEL CURSO

Objetivo General.

!

■ Presentar los principios fundamentales de la expresión sonora y los conceptos básicos necesarios para la post-producción digital de sonido.

OBJETIVOS DEL CURSO

Objetivos particulares. ■ Aprender a crear imágenes acústicas efectivas a partir de

elementos sonoros espaciales, temporales, tonales y rítmicos.

■ Favorecer la creación de paisajes sonoros a partir de experiencias sensoriales, emocionales y estéticas.

■ Presentar la producción de audio como una forma de expresión artística.

OBJETIVOS DEL CURSO

Objetivos específicos. ■ Aplicar con creatividad las diferentes herramientas tecnológicas

disponibles para la grabación, mezcla y masterización digital de audio.

■ Desarrollar el trabajo en equipo, rotando las diferentes responsabilidades que involucran una producción de audio, para obtener una visión desde una perspectiva amplia, y la experiencia para desarrollar la capacidad para tomar decisiones.

■ Adquirir estructuras de pensamiento flexibles que nos permitan adaptarnos a un entorno tecnológico en continua transformación.

LA CADENA SONORA

• El Emisor, que vibra emitiendo sonidos pues el sonido es una expresión de la acción de alguna forma de energía, aún invisible o inaudible.

• Medio Transmisor. Al vibrar, las moléculas de una fuente sonora empujan a las moléculas de aire con las que están en contacto, transmitiendo la energía original a ésta y sucesivas capas hasta agotarse, permitiendo que el sonido viaje.

• El Receptor por excelencia es el oído, que recibe el sonido. El cerebro procesa estas enormes cantidades de información que permiten que exista el lenguaje oral y la música.

SONIDO Y FÍSICA

■ Lo que nuestros oídos escuchan es el efecto de su interacción con una clase de energía llamada energía acústica.

■ Se manifiesta por medio de variaciones de la presión del aire que nos rodea, que varía en el tiempo con respecto a un punto de equilibrio.

SONIDO Y PSICOACÚSTICA

■ El análisis de lo que el fenómeno físico provoca en nosotros y cómo lo interpretamos, es atendido por la psicoacústica.

■ La psicoacústica es una disciplina que considera la percepción, el reconocimiento de patrones, la memoria y la acústica.

REPRESENTACIÓN ANALÓGICA DEL SONIDO COMO UNA ONDA.

Características de las ondas senoidales. o Amplitud [dB] o Frecuencia f [Hertz] o Periodo T = 1/f

[seg] o Velocidad v = d/t

[metros/seg] o Longitud de onda

= v/f [metros] o Fase.

AMPLITUD• La intensidad o volumen de un

sonido está determinada por su amplitud de onda, y se representa por los valores máximos positivos y negativos que alcanza.

• Es directamente proporcional a la intensidad de la fuerza que lo origina, así como sus dimensiones y forma.

• La intensidad de un sonido es posible medirla con precisión en decibeles, [dB], sin embargo, la percepción de volumen es subjetiva.

FRECUENCIA

• La frecuencia de un sonido corresponde a la velocidad con que vibra la fuente sonora, con respecto al punto de equilibrio.

• Al paso por todos valores positivos y negativos hasta regresar al equilibrio, le conocemos como ciclo.

• La frecuencia es el número de vibraciones por segundo, y lo medimos en Hertz [Hz], ciclos por segundo.

LONGITUD DE ONDA• La longitud de onda se define

como la distancia que recorre un sonido desde un punto arbitrario, al que llamaremos cero, pasando por sus valores máximos y mínimos, hasta volver a cero completando un ciclo.

• Se mide en metros y sus múltiplos.

• Mientras más pequeña es la longitud de onda, más ciclos caben, lo que significa que la frecuencia se eleva.

PERIODO

• El periodo es el tiempo necesario para que la vibración desarrolle un ciclo completo, y se mide en segundos [seg].

FASE

• La fase indica la posición relativa con respecto al punto de referencia del fenómeno sonoro, en tiempo o distancia.

• Tiene relevancia cuando interactúan ondas, ya que en la realidad se presenta una complicada suma y resta de fases. Lo que implica atenuación o intensificación de determinadas frecuencias de un mismo sonido.

• Afecta principalmente el “color” de los sonidos.

VELOCIDAD DEL SONIDO

• El sonido viaja en el aire a una velocidad aproximada de 343 metros por segundo a una temperatura ambiente de 20ºC.

• La afectan principalmente la temperatura y la humedad, pero es prácticamente igual para cualquier frecuencia e intensidad de sonido.

• A mayor temperatura mayor velocidad de propagación, y a menor temperatura, menor velocidad, aproximadamente 0.6 m/seg por cada grado centígrado.

ARMÓNICOS

• Los armónicos son la causa de la consonancia o disonancia entre sonidos, así como del concepto de “afinado”.

• Al vibrar, los objetos tienen la capacidad de generar vibraciones en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

• Por ejemplo, si ésta es de 100 Hz, se generarán de manera natural, vibraciones de 200, 300, 400, 500 Hz,…, y así sucesivamente hasta el infinito, que decrecen en amplitud gradualmente.

• Lo que escuchamos al vibrar un objeto, es la suma de todas estas vibraciones, que constituyen una onda compleja.

CONSTRUCCIÓN DE ONDAS MÁS COMPLEJAS

■ Se construyen ondas más complejas a partir de ondas senoidales.

CARACTERÍSTICAS DE ONDAS MÁS COMPLEJAS

■ La aportación que realiza cada onda armónica, es diferente para cada sonido, constituyendo algo así como una huella digital que identifica al emisor del sonido.

DINÁMICA DE ONDAS MÁS COMPLEJAS

■ Su dinámica se describe por una curva envolvente. (ADSR) ■ ADSR: Ataque, Decaimiento, Sostenimiento, Relajación.

A D S R

GRABAR Y REPRODUCIR AUDIO ANÁLOGO

• Un micrófono responde a cambios en la presión del aire, formas de onda, con frecuencia y amplitud definidas que “construyen” un sonido, y lo transforman en una señal eléctrica que puede ser registrada.

• Esta señal eléctrica es continua y tiene la misma forma de onda, frecuencia y amplitud, que corresponden de manera análoga con la señal acústica original.

• De aquí proviene el término audio análogo.

CONVERSIÓN ANÁLOGO A DIGITAL

• Las señales análogas de audio que provienen de un micrófono, de la pastilla de una guitarra, o de una mezcladora de audio, deben ser convertidas en información numérica, en dígitos binarios, para poder ser almacenada, leída y manipulada por una computadora.

• Este proceso es conocido como conversión análogo a digital o CAD.

REPRESENTACIÓN DIGITAL DEL SONIDO.

Dos factores esenciales afectan el proceso de conversión a digital de una señal de audio análoga:

■ Frecuencia de muestreo (sampling frequency).

■ Profundidad de bits (bit depth).

FRECUENCIA DE MUESTREO■ El proceso de muestreo consiste en observar la señal análoga y tomar

lecturas de ella varias veces a lo largo del tiempo, cada lectura es una “muestra”, estas lecturas reproducidas sucesivamente, se aproximan a la señal original, como la serie de cuadros de un video o película.

FRECUENCIA DE MUESTREO

■ El teorema de Nyquist establece que para lograr una adecuada representación digital de una señal, debe realizarse un muestreo con una frecuencia al menos dos veces mayor a la frecuencia más alta a representar.

FRECUENCIA DE MUESTREO Y RESOLUCIÓN EN LA FRECUENCIA

• Ya que el rango de frecuencias sonoras que es capaz de escuchar el oído humano es de 20 Hz a 20 kHz, este teorema sugiere que la frecuencia de muestreo a aplicar para capturar el rango completo, debería ser de al menos 40 kHz.

• Por esta razón, los dispositivos actuales para grabación digital de audio, ofrecen frecuencias de muestreo de 44.1 kHz, 48 kHz y mayores.

• La frecuencia de muestreo de un disco compacto comercial es de 44.1 kHz.

PROFUNDIDAD DE BITS

• El rango dinámico de la voz y la música, generalmente se acepta que va de los 40 a los 105 dB, para capturar fielmente este rango, la conversión de análogo a digital, debe poder representar fielmente diferencias en amplitud, de al menos 65 dB. Es decir, su rango dinámico mínimo es de 65 dB.

• La amplitud relativa de una muestra se captura a través de un proceso llamado cuantificación, que simplemente significa asignarle el valor de amplitud más cercano posible, entre los que tenemos disponibles.

PROFUNDIDAD DE BITS Y RESOLUCIÓN EN LA AMPLITUD

• Las computadoras emplean dígitos binarios (bits) para cuantificar cada muestra que es tomada.

• El número de bits que se emplean para definir un valor numérico se conoce como longitud de palabra, (binary word length) o también como profundidad de bits (bit depth).

• El rango de valores que es posible asignar con el código binario, es igual a 2 elevado a la n potencia, donde n es la longitud de palabra en bits.

BITS DE CUANTIFICACIÓN

bit depth Valores de cuantificación posibles

1 2

2 2x2 =4

4 2x2x2x2 =16

8 2x2x2x2x2x2x2x2 =256

16 2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2 =65,536

DECIBELES Y RANGO DINÁMICO• Teóricamente, el rango dinámico se

incrementa en 6 dB por cada bit que se agrega a la longitud de la palabra.

• Por ejemplo, un sistema de 8 bits, puede manejar un rango de 48 dB, mientras uno de 16 podría hasta con 96 dB, y uno de 24 bits puede manejar un rango dinámico de 144 dB.

• Sin embargo, una consecuencia de aumentar la profundidad de bits, es el mayor consumo de memoria. Cada minuto de audio estéreo a 16 bits/ 48 kHz ocupa 11.4 MB, mientras a 24 bits/ 48 kHz ocupa 17 MB de memoria en el disco duro del sistema.

EL SONIDO MUSICAL

■ Intensidad / Sonoridad, volumen, amplitud ■ Timbre / Estructura armónica, forma y color del sonido. ■ Tono / Frecuencia fundamental + contenido armónico + dinámica

interna. ■ Intensidad dinámica / envolvente. ■ Espectros sonoros: muestran la manera en que se distribuye la

energía entre los diferentes armónicos que construyen la señal.

EL COMPORTAMIENTO DEL SONIDO.

■ Reflexión. Al reflejarse el sonido en un obstáculo plano, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

■ Reflexión. Al reflejarse el sonido en un obstáculo plano, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

EL COMPORTAMIENTO DEL SONIDO.

■ Difracción. El sonido se “reconstruye” para rodear obstáculos.

EL COMPORTAMIENTO DEL SONIDO.

■ Refracción. Al cambiar el medio en que se transporta, cambia también de dirección.

EL OÍDO COMO TRANSDUCTOR

Umbral de la audición: 0 db SPL Umbral de la sensación: 118 db SPL Umbral del dolor : 140 db SPL !SPL: sound pressure level

PERCEPCIÓN DE LA SONORIDAD

■ La percepción auditiva según muestran los experimentos de Fletcher-Munson es no lineal.

PSICOACÚSTICA.

■ Batidos. Cuando escuchamos dos sonidos de frecuencias cercanas y cuya diferencia de amplitud es menor a 6 dB, el oído genera un “batido” cuya frecuencia baja mientras más se acercan, y se detiene cuando f1=f2

■ Tonos combinados o diferenciales. Si F1-f2 es menor o igual a 50 Hertz entonces se generan dos tonos: uno de frecuencia igual a la suma de las frecuencias originales, y el otro de frecuencia igual a la resta.

■ Enmascaramiento. Es un fenómeno que se presenta para sonidos de frecuencias cercanas y cuya diferencia de amplitud es mayor a 6 dB, el sonido de mayor potencia “enmascara” al de menor, por esto ecualizamos, pues el fenómeno incluye a los armónicos de la señal original.

PSICOACÚSTICA.■ Percepción de la dirección.

Diferencias de intensidad del sonido en cada oído. Diferencias en el tiempo de llegada. Efectos del oído externo.

■ Percepción del espacio. Sonido directo Reflexiones tempranas (t = 50 mseg). Reverberancia (t mayor a 50 mseg). RT60: tiempo para la disminución de la reverberancia en 60 dB.

■ Efecto Haas o efecto de precedencia.

Para t menores a 30 mseg. Hay una fusión de sonidos.

IMAGINANDO CON SONIDOS

El espacio estereofónico ■ Posición izquierda-derecha: Panorama ■ Posición frente-atrás: Volumen ■ Posición arriba-abajo: Frecuencia ■ Percepción del espacio: Reverberancia

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDABLE

Davis, Gary, Jones, Ralph. “Sound reinforcement handbook”. Second edition. U.S.A.,, 1990. Hal Leonard Corporation. Des Lyver. “ Principios básicos del sonido para vídeo”. 2003. GEDISA. ISBN: 8474326834. Greenwald, Ted. “The musician’s home recording handbook”. First edition. U.S.A., 1992. GPI Books. Iglesias Simón, Pablo. “Postproducción digital de sonido por computadora”. Primera edición. México, 2002. Alfaomega Grupo Editor. Larson Guerra, Samuel. “Pensar el sonido. una introducción a la teoría y la práctica del lenguaje sonoro cinematográfico”. Primera edición. México, 2010. Centro Universitario de Estudios Cinematográficos. López Roldán, Ricardo. “Edición de audio con Adobe Audition”. Primera edición. México, 2007. Alfaomega Grupo Editor. Valenzuela, José “Chilitos”. “Audio digital. Conceptos y aplicaciones”. 1996. U.S.A., Miller Freeman Books.