Sonido
El sonido, en física, es
cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas
(sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio
elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que producen
oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en
el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es
similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de
presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones
del estado tensional del medio.
La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de
materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia
sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma
dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal.
Audio.
Un audio es una señal
analógica eléctricamente exacta a una señal sonora; normalmente está acotada al
rango de frecuencias audibles por los seres humanos que está entre los 20 y los
20.000 Hz, aproximadamente (el equivalente, casi exacto a 10 octavas).
Dado que el sonido es una onda de presión se requiere un transductor de presión
(un micrófono) que convierte las ondas de presión de aire (ondas sonoras) en
señales eléctricas (señales analógicas).
La conversión contraria se realiza mediante un altavoz —también llamado
altoparlante en algunos países latinoamericanos, por traducción directa del
inglés loudspeaker—, que convierte las señales eléctricas en ondas de presión
de aire.
Un sólo micrófono puede captar adecuadamente todo el rango audible de
frecuencias, en cambio para reproducir fidedignamente ese mismo rango de
frecuencias suelen requerirse dos altavoces (de agudos y graves) o más.
Una señal de audio se puede caracterizar, someramente, por su dinámica (valor
de pico, rango dinámico, potencia, relación señal-ruido) o por su composición
espectral (ancho de banda, frecuencia fundamental, armónicos, distorsión
armónica, etc.).
Así, por ejemplo, una señal
que represente voz humana (señal vocal) no suele tener información relevante
más allá de los 10 kHz, y de hecho en telefonía fija se toman sólo los primeros
3.8 kHz. Con 2 kHz basta para que la voz sea comprensible, pero no para
reconocer al hablante.
SISTEMAS DE REPRODUCCION DE SONIDO
Los sistemas de
reproducción de sonido se clasifican en varios tipos: monoaural, monofónico,
binaural, estereofónico, cuadrafónico y más recientemente el sistema llamado
"surround".
Cualquiera que sea
el sistema de reproducción escogido, cuatro condiciones fundamentales deben ser
satisfechas:
- El
rango de frecuencias debe ser tal que contenga sin discriminación de
frecuencias, todos los componentes audibles de los diferentes sonidos a
reproducir.
- El
rango de volumen debe ser tal que permita sin ruido ni distorsión, la
reproducción de todo el rango de intensidad asociado con los sonidos.
- Las
características de reverberación del sonido original deben ser aproximadas
en el sonido reproducido.
- El
patrón espacial del sonido original, debe ser preservado en el sonido
reproducido.
Sistema monoaural: Este sistema es
del tipo de circuito cerrado, consiste en uno o más micrófonos que recogen el
sonido, conectados a un solo canal de un amplificador el cual esta acoplado a
uno o dos auriculares utilizados por el escucha. Nótese que no hay altavoces
Involucrados. Este sistema satisface las condiciones 1 y 2 y parcialmente con
la condición 3, no así con la condición 4.
Sistema monofónico:
El sistema es del tipo abierto, en el cual uno o más micrófonos utilizados para
recoger el sonido, están conectados a un solo canal de un amplificador, el cual
está acoplado a un solo canal de un amplificador, el cual a su vez está
acoplado a uno o más altavoces. Al igual que el sistema monoaural, este sistema
satisface las condiciones 1 y 2, parcialmente la 3 y no así con la 4.
Sistema binaural o biaural:
Es del tipo de circuito cerrado, en el cual dos micrófonos utilizados para
recoger el sonido son conectados cada uno a un amplificador con dos canales
independientes y estos colectados a sus correspondientes auriculares,
utilizados por el escucha. Nótese, nuevamente que no hay altavoces involucrados
en el sistema. Este sistema está considerado por muchos lo más cercano a la
perfección. El verdadero sonido binaural, no se puede conseguir con altavoces,
solo con auriculares. (Al utilizar altavoces se convierte en sonido
estereofónico de dos canales). Este sistema satisface las cuatro condiciones.
Sistema estereofónico:
Utiliza dos o más micrófonos con amplificadores y altavoces separados para cada
amplificador. Este sistema es referido como de "perspectiva en
auditorio". Con este arreglo, el sonido viaja de un altavoz a otro con los
ejecutantes lo hacen de un lado al otro del escenario. Este sistema permite la
reproducción de una orquesta, lo más cercano a su perspectiva. El número de
canales puede ser de dos o más y satisface las condiciones 1, 2 y 4 y
parcialmente con la 3.
Sistema cuadrafónico:
Utiliza cuatro micrófonos acoplados a sus respectivos amplificadores y
altavoces colocados en forma geométrica en correspondencia a los micrófonos. La
disposición de los altavoces era : Izquierdo-frontal, Derecho-frontal,
Izquierdo-trasero y Derecho-trasero. Los altavoces frontales, tenían la señal
directa y los traseros la señal envolvente. Este sistema alcanzo mucho éxito en
los 70 y luego desapareció; sin embargo es el predecesor del sistema Surround.
Este sistema satisface las cuatro condiciones de reproducción del sonido.
Sistema surround: Es un sistema
con la misma idea del sistema cuadrafónico pero con otra técnica y disposición
de los altavoces. La variedad que está tomando más fuerza, es la de 5.1, que
utiliza un altavoz izquierdo delantero, un altavoz central delantero, un
altavoz derecho delantero, dos traseros a la izquierda y a la derecha y un
sub-bajo. Es utilizado principalmente en DVD. Satisface las condiciones 1, 2, 3
y 4.
Elementos que componen un
sistema de audio
1.- La fuente
2.- Transducción de la
entrada
3.- Procesamiento de señales
de entrada
4.-Procesamiento de señales
de salida
5.- Etapa de potencia
6.-Transducciòn de la salida
7.- Zona de percepción sonora
La fuente: En la naturaleza
existen muchos tipos de fuentes de sonido, las naturales propiamente dichas y
las creadas por el hombre mediante instrumentos, todas tienen diferentes rangos
de frecuencia, rangos de percusión, etc.
Transducción de entrada
Un
transductor es un dispositivo tal, capaz de recibir un determinado tipo de
energía y transformarla en otra forma diferente de energía, en virtud de
una relación fija entre las energías de entrada y salida. El nombre del
transductor indica cual es la transformación que realiza (p.e. electromecánica,
transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa), aunque no
necesariamente la dirección de la misma.
La base para la transducción parte de obtener la misma información de cualquier
secuencia similar de oscilaciones, ya sean ondas sonoras (aire vibrando),
vibraciones mecánicas de un sólido, corrientes y voltajes alternos en circuitos
eléctricos, vibraciones de ondas electromagnéticas radiadas en el espacio en
forma de ondas de radio o las marcas permanentes grabadas en un disco o una
cinta magnética.
RECIPROCIDAD DE LOS TRANSDUCTORES DIRECTOS
Para una transformación de energía de A a B, la conversión inversa, de B a A,
se consigue con el mismo transductor operando en sentido opuesto.
Ejm: “Transformación de energía sonora a energía eléctrica y viceversa”
Micrófono
==>
Sonido
Señal Eléctrica
⇐
Altavoz
Los
micrófonos y altavoces constituyen una única familia de transductores, los
transductores electro acústicos. Y son operados de forma inversa. Para cada
tipo particular de micrófono existe un altavoz que funciona, en sentido
inverso, con los mismos principios físicos; en otras palabras, un micrófono sería
un altavoz en miniatura, si fuera operado en sentido inverso.
TRANSDUCTORES ELECTROACÚSTICOS
El modelo teórico de un transductor electro acústico, se basa en un transductor
electromecánico y un transductor mecánico-acústico. Esto significa, que se
estudia por un lado la transformación de la energía eléctrica en mecánica, ya
que se genera un movimiento, y por otro lado se estudia la transformación de la
energía mecánica en acústica, ya que el movimiento genera energía acústica.
Existen
diferentes tipos de transductores electroacústicos que se basan en leyes y
propiedades físicas diferentes. A continuación vamos a describir los más
importantes.
ELECTROSTÁTICO O DE CONDENSADOR:
Cuando la separación entre las placas del condensador varia, también varía su
capacidad, lo que a su vez provoca una variación en voltaje entre las placas
(micrófono). A la inversa, cuando una de las placas recibe una cantidad
variable de carga eléctrica, la fuerza con la que atrae a la otra palca cambia,
y como consecuencia se genera una vibración (altavoz).
PIEZOELÉCTRICO:
Un transductor piezoeléctrico puede estar unido a un sólido o inmerso en un
líquido no conductor para captar señales sonoras. Además, el transductor
piezoeléctrico se puede usar fácilmente a frecuencias ultrasónicas, algunos
tipos se pueden usar hasta la región alta de los MHz. Todos los transductores
piezoeléctricos requieren un material cristalino en el cual los iones del
cristal estén desplazados de un modo asimétrico cuando el cristal se deforma.
La linealidad puede variar considerablemente según el tipo de material que se
use.
Cuando un material piezoeléctrico se comba, aparece una cierta cantidad de
carga positiva en uno de sus lados, y la misma cantidad de carga negativa en
lado opuesto. Esta polarización puede ser recogida por un circuito eléctrico
(micrófono). A la inversa, cuando el material piezoeléctrico es polarizado por
un circuito externo, se deforma (altavoz).
DINÁMICO:
El micrófono de bobina móvil usa un circuito de flujo magnético constante en el
cual la salida eléctrica esta generada por el movimiento de una bobina de
alambre pequeña en el circuito magnético. La bobina es enganchada a un
diafragma y la disposición es normalmente en forma de cápsula.
La salida máxima ocurre cuando la bobina alcanza la máxima velocidad
entre los picos de la onda de sonido así que la salida eléctrica está a 90
grados en fase a la onda de sonido.
La bobina es normalmente pequeña y su rango de movimiento muy pequeño, así que
la linealidad es excelente para este tipo de micrófonos. La bobina tiene una
impedancia baja y la salida es correspondientemente baja, pero no tan baja como
para competir con el nivel de ruido de un amplificador. La inductancia baja de
la bobina hace mucho menos susceptible a zumbidos desde el campo magnético y es
posible el uso de bobinas compensadoras de zumbidos conocidas como “Humbuckers”
(escudos de zumbidos) en la estructura del micrófono reduciendo el
zumbido, sumándole una señal de zumbido contra fase a la Salida de la
bobina.
Cuando una corriente alterna recorre una bobina, un campo magnético externo
ejerce sobre ella una fuerza, que también es alterna (micrófono). Cuando una
espira conductora se mueve en el seno de un campo magnético externo, de forma
que el flujo del campo magnético varíe con el tiempo, en la espira se induce
una fuerza electromotriz (altavoz).
MAGNÉTICO
Es similar al dinámico; existe una pieza de material magnético (armadura) que
se mueve mientras que la espira o arrollamiento permanece en reposo.
Un imán potente contiene una armadura de hierro maleable en su circuito
magnético y esta armadura es sujetada a un diafragma. La reluctancia magnética
del circuito se altera cuando la armadura se mueve y esto altera el flujo
magnético total en el circuito magnético.
Una bobina enrollada alrededor del circuito magnético proporciona una Fuerza
Electromotriz Autoinducida en cada variación de la intensidad de corriente, así
que la onda eléctrica desde el micrófono estará 90 grados desfasada con
relación a la amplitud de la onda de sonido proporcional a la aceleración del
diafragma.
La linealidad de la conversión puede ser razonable para amplitudes pequeñas del
mecanismo de la armadura, muy pobre para grandes amplitudes. El nivel de salida
desde un micrófono de hierro móvil puede ser alto del orden de 50 mV y la
impedancia de salida es también alta, típicamente de muchos cientos de ohmios.
Como el camino del flujo en el transductor está casi cerrado los cambios
externos en el campo magnético serán muy eficientemente capturados y el resultado
es que la componente magnética del zumbido principal esta superpuesto en la
salida. Esto puede ser reducido por protección del circuito magnético, usando
mu-metal ó aleaciones similares.
DE CARBÓN
Se utiliza un recipiente lleno de gránulos de carbón. Cuando se aplica una
presión en una de las paredes del recipiente, el área de contacto entre los
gránulos de carbón y sus vecinos también aumenta, favoreciendo el paso de
corriente eléctrica de uno a otro (micrófono).
El tipo de micrófono de carbón granulado fue el primer tipo de micrófono que se
utilizó para el uso del teléfono, pero hoy en día se ha remplazado por el tipo
capacitor.
El principio usa gránulos sueltos de carbón sujetados entre un diafragma y una lámina.
Cuando los gránulos se comprimen, la resistencia entre el diafragma y la lámina
cae considerablemente y la vibración del diafragma puede por lo tanto
convertirse en variaciones de resistencia de los gránulos. El micrófono por lo
tanto no genera un voltaje y requiere de una fuente externa para ser usada.
La única ventaja del micrófono de carbón granulado es que proporciona una
salida la cual es colosal para micrófonos estándar, con salidas de 1V de pico a
pico. La linealidad es muy pobre, la estructura causa múltiples resonancias en
el rango audible y la resistencia de los gránulos altera en un camino aleatorio
cada uno sin presencia de sonido, causando un alto nivel de ruido. La
predominación del micrófono de carbón en los inicios de telefonía, era
debido a
su alta salida, dado que no era posible la amplificación; más tarde los
amplificadores de transistor generaron la rápida desaparición del micrófono de
carbón para usos en audio.
