1 tema 1. introducción al audio 1.introducción. principios de acústica 2.audio digital
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TEMA 1.Introducción al audio
1. Introducción. Principios de acústica
2. Audio Digital.
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¿Qué es el sonido?
Una variación de presión que se propaga periódicamente.
Lo que se propaga no son la partículas sino la variación de presión
Lo hace a una velocidad 330m/s (en el aire a 0º)
Esta variación de presión debe oscilar periódicamente.
Para que se perciba por el oído humano, la frecuencia de oscilación debe estar entre 20 y 20.000 Hz.
1 . Introducción
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¿Qué es el sonido?1 . Introducción
Lo que las personas entendemos por sonido es el fruto de una interacción entre varios elementos: un objeto vibrante, un medio de transmisión (que suele ser el aire que nos
rodea), un medio receptor que es el oído y el cerebro.
Los objetos pueden entrar en vibración por diferentes causas: Golpe de percusión Frotamiento o excitación periódica sostenida. Guitarra La vibración de los conos de un altavoz producida por una señal eléctrica.
EMISOR MEDIO DE TRANSMISIÓN
RECEPTOR
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Propiedades
Para describir un sonido se utilizan tres términos frecuencia , timbre e intensidad, todo sonido tiene una duración y a lo largo de este, cualquiera de los tres parámetros pueden variar.
La sensación de altura se vincula tradicionalmente a la frecuencia o periodo de la fundamental. No todos los sonidos tienen una altura definida.
La intensidad, al flujo de energía o amplitud de la presión de oscilación de la onda. Envolvente.
El timbre, al espectro o proporción de intensidades de los armónicos. Es el color o la textura del sonido.
La reverberación indica el espacio donde esta el sonido.
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Frecuencia y altura
Es lo que caracteriza a un sonido como grave (frecuencias bajas) y agudo (frecuencias altas)
La altura es una magnitud psicoacústica relacionada con la frecuencia (que es una magnitud física).
Lo que hace que un sonido posea una altura clara es su perioricidad.
La medida de la frecuencia es el Hz que indica el número de veces por segundo que se repite un determinado fenómeno.
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Frecuencia y altura1 . Introducción
Representación gráfica de un sonido puro de 4Hz por segundo
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Frecuencia y altura
Los infrasonidos son sonidos cuya altura está por debajo de los 20 Hz, sino son puros se oyen los armónicos.
Los ultrasonidos son sonidos por encima de los 20.000Hz.
Los objetos y seres vivos tienen una un rango de frecuencias de resonancia. Cuando esa frecuencia suena vibran por sinpatía. Hay resonancia estrecha y amplia.
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Frecuencia y altura
Ejemplos sin altura definida Fritura Torrente
Sonido puro y complejo Sonido de altura constante o variable
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La octava y las notas
La altura está directamente relacionada con la frecuencia de la oscilación.
Si escuchamos dos sonidos cuyas frecuencias guardan relación 2:1, nos sonarán muy cercanos, entre los dos dista una octava.
En la música occidental la octava se divide en doce alturas o semitonos. Es lo que denominamos una escala.
Do Re Mi Fa Sol La Si
C D E F G A B
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Timbre
El timbre es lo que ayuda a caracterizar y distinguir diferentes tipos de instrumentos, o a reconocer a las personas por su voz.
La frecuencia de vibración más grave o baja es la que determina normalmente la altura y se denomina frecuencia fundamental, las restantes frecuencias que suelen ser múltiplos de la frecuencia fundamental se denominan armónicos.
Lo que diferencia un DO de una flauta de uno de un violín es el timbre, el número de armónicos.
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Ondas sinusoidales y armónicos
El sonido mas simple es la onda sinusoidal
El teorema de Fourier demuestra que cualquier onda sonora periódica se puede entender como suma de ondas sinusoidales de frecuencias diferentes, pero múltiplos de la fundamental, armónicos.
Los sonidos naturales no son nunca estacionarios, su forma varía en el tiempo, la amplitud de sus armónicos varía también. Esta variación de los armónicos en el tiempo, se denomina espectro de un sonido.
A partir del espectograma podemos deducir muchas cosas del sonido.
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1 . Introducción
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Análisis del espectro1 . Introducción
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Intensidad
La intensidad depende del cuadrado de la amplitud de estas oscilaciones, o de la diferencia entre las presiones máxima y mínima que la onda puede alcanzar.
Las intensidades de diferentes sonidos pueden variar en varios millones de órdenes de magnitud. La mínima detectable por el oído humano es de 10-12 W/m2 y la máxima de 105 W/m2. Por ello la intensidad se mide en escala logarítmica, los decibelios (dB) serán:
Nivel de intensidad en decibelios=10 X log en base 10 (Intensidad/Intensidad de referencia).
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1.- Introducción
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Intensidad
Cuando sumamos dos sonidos iguales, la intensidad aumenta en 3dB.
10*log(2I/I)=10*log2=3db Cuando duplicamos la distancia de la fuente, la intensidad
disminuye en 6db. La intensidad es una medida física, pero para nuestro
oído, la sensación de intensidad, varía en función de la frecuencia (es decir dos sonidos igual de intensos, tal vez no nos lo parezca).
La zona de mayor sonoridad esta entre los 2KHz y los 4KHz.
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Intensidad1 . Introducción
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Grabación de sonido
• El micrófono convierte la variación de la presión de aire ejercida sobre una membrana en una señal de voltaje variable en el tiempo.
• La variación de este voltaje se puede grabar analógicamente utilizando diferentes tecnologías, sobre una cinta magnética o sobre un disco de vinilo.
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Grabación de sonido2 . Audio Digital
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Calidad del sonido analógico
Al contrario de lo que opina la mayoría de la gente, una grabación analógica no tiene por que sonar peor que una digital (en condiciones óptimas suena mucho mejor que una digital).
Sus inconvenientes radican en que la señal analógica se degrada mucho más rápidamente (las cintas magnéticas se desmagnetizan y los surcos de vinilo se desgastan),
y en cada nueva generación se produce una pequeña, pero inevitable pérdida, de forma que, a cada nueva copia, la señal se parece cada vez menos a la original.
Es por ello que el sonido digital ha sustituido al analógico, además de que este último aporta un sinfín de nuevas y excitantes posibilidades en la manipulación, creación y experimentación sonoras.
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El principio principal del audio digital consiste en discretizar señales continuas (como las emitidas por un micrófono) para convertirlas en secuencias de números.
La discretización de señales se realiza en dos niveles: el temporal y el de amplitud.
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Audio Digital
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Esquema de discretización2 .Audio Digital
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Muestreo en frecuencias
La palabra muestreo equivale a la palabra en inglés sampling, y se utiliza para indicar la acción de tomar muestras a intervalos de tiempo regulares.
Para digitalizar un sonido es necesario muestrearlo, pero ¿con que frecuencia?
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Teorema de Nyquist
Para muestrear correctamente una señal de XHz., se requiere como mínimo una frecuencia de muestreo de 2X Hz.
Cualquier señal digitalizada solo puede representar correctamente frecuencias inferiores a la mitad de la frecuencia de muestreo. Esta frecuencia mitad se denomina frecuencia de Nyquist.
El oído humano es capaz de detectar frecuencias de hasta 20.000 Hz., por lo que para muestrear correctamente cualquier sonido se necesitará una frecuencia de muestreo superior o igual a 40.000 Hz. ¡De aquí proceden los 44.100 Hz. empleados en los discos compactos!
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Teorema de Nyquist2 .Audio Digital
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Aliasing
El rango de la voz humana entre 400 y 4KHz. Se puede muestrar a frecuencias inferiores teniendo en
cuenta que sólo serán correctas frecuencias a la mitad de la frecuencia de muestreo. (2000-4000Hz zona de mayor enegía).
El aliasing inventa frecuencias de aprox. La diferencia entre la original y la de muestreo.
No todo el hardware permite elegir la frecuencia de muestreo.
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Cuantificación
El término resolución de un sonido digital indica el número de bits que se han utilizado para almacenar cada una de las muestras.
La resolución determina el número de posibles valores diferentes, o rango, que cada muestra puede tomar.
Así, un sonido digitalizado a 8 bits posee 256 niveles posibles, mientras que un sonido a 16 bits presenta 65536 posibles niveles.
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Cuantificación2 . Audio Digital
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Rango dinámico
El rango dinámico de una sistema de sonido (expresado en decibelios), depende del cociente entre la máxima y la mínima amplitud que el sistema puede producir
En un aparato electrónico, la relación señal/ruido indica la diferencia entre el nivel máximo que el dispositivo puede emitir, y el nivel de ruido existente cuando la señal es silencio (el ruido de fondo). Cuanto mayor sea esta diferencia, más limpio será el sonido del dispositivo
Una forma aproximada y rápida de calcular el rango dinámico de un sistema digital es mediante la fórmula: número de bits*6
La resolución en bits de un sonido digital incide directamente en el rango dinámico y en el ruido de fondo
Cuántos más bits utilicemos, más nítido y con menos ruido se percibirá el sonido
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Valores típicos2 . Audio Digital
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Grabación digital2 . Audio Digital
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¿Cuánto ocupa un segundo de sonido digital de 16 bits y 44.100 Hz?
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En un sonido de 16 bits, cada muestra ocupa dos bytes (un byte son ocho bits), y si la frecuencia de muestreo es de 44.100 Hz, significa que cada segundo requiere 44.100 muestras
Si el sonido es estéreo, utiliza dos canales, por lo que estas necesidades se ven duplicadas
2 bytes/muestra * 44.100 muestras/segundo * 2 (canales) = 176.400 bytes/segundo ó 172,2 Kb/s
Realizando una multiplicación más, se observa que un minuto de sonido digital estéreo de calidad CD (16 bits y 44.100 Hz) ocupa un valor muy cercano a los 10 Mb
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Compresión de audio
Al igual que ocurre con la imagen, existen técnicas sin pérdida y técnicas con pérdida
Un factor importante en los sistemas de compresión de audio es que interesa que sean capaces de comprimir y descomprimir en tiempo real.
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MP3
El formato mp3 utiliza algoritmos sofisticados inspirados en la psicoacústica y que tienen en cuenta la forma con la que los humanos percibimos ( o mejor dicho no percibimos ) determinados sonidos.
Con este método descubierto a mediados de los 80 en el Instituto Fraunhofer, se logran espectaculares compresiones del orden del 90%, y se consigue que un fragmento musical comprimido ocupe una décima parte de su tamaño original, con una perdida de calidad casi imperceptible.
Para conseguir esta reducción, el mp3, se basa en el fenómeno de enmascaramiento, de forma que ciertos sonidos dejan de percibirse enmascarados por otros .
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BIBLIOGRAFÍA APARTADOS 1 Y 2
Sergi Jordá Puig. Audio digital y midi. Anaya 1997. J. Watkinson. "Audio Digital". Ed. Paraninfo, 1996 http://www.iua.upf.es/~sergi/ http://www.monografias.com/trabajos7/sodi/sodi.shtml http://www.eumus.edu.uy/docentes/maggiolo/acuapu/