Cualidades del Sonido

Para entender con mayor claridad los conceptos que se expondrán a continuación se recomienda al lector la familiarización con las siguientes definiciones, sin embargo en la bibliografía y en los textos de lecturas recomendadas, se trata el tema mas a fondo. También en el wiki de parámetros de sonido.

• Amplitud y Volumen:
  
  

  El sonido viaje por el aire (o otros medios), en la forma de ondas. En la figura-3 se puede apreciar la representación gráfica de una onda. En esta gráfica la amplitud son los valores de la medida vertical de la onda y son medidos en términos de presión atmosférica. El punto mas alto o pico representa el máximo valor de amplitud, que en sonido es la mayor intensidad o volumen máximo de la señal. La intensidad de sonido se define como la potencia acústica transferida por una onda sonora por unidad de área normal a la dirección de propagación. Como el sonido son vibraciones periódicas, los picos son puntos de máxima energía. La amplitud de sonido se mide por la cantidad de presión en el aire aunque para sonido se utiliza el urllinkdecibelhttp://es.wikipedia.org/wiki/Decibelio.

  

  
  

  Figura No. 3: Vista con la amplitud de una onda sobre dos ejes. El eje vertical es la amplitud y el eje horizontal es el tiempo.

  
  

• Frecuencia y Altura:
  
  

  Otra cualidad indispensable en el sonido es la ``frecuencia'' o ``altura''. La melodía de una canción esta compuesta por notas con diferentes alturas en forma secuencial, una después de la otra. Cada altura obedece a una frecuencia especifica del sonido que se está produciendo. La frecuencia de un sonido se toma a partir de ciclos (o periodos) por segundo. El periodo en una onda es la duración para completar un ciclo antes de una repetición. Por ejemplo: si tomamos la nota de afinación de la orquesta, el ``LA,'' esta nota tiene una frecuencia de 440Hz. o 440 ciclos por segundo. Hertzios es la unidad para medir frecuencias o ciclos por segundo. Un sonido mas agudo posee mayor frecuencia y, un sonido mas grave posee menor frecuencia.

   
  

  

  
  

  Imagen No. 1: En esta imagen se aprecian diferentes ondas sinusoidales cada una con una frecuencia diferente. Las ondas de arriba tienen menor frecuencia que las ondas de bajo. En ondas que representan un sonido las de arriba son sonidos mas graves que los de abajo.

  
  

• Envolvente del tiempo:
  
  

  El uso de envolventes es un método para representar procesos que se desarrollan en el tiempo. En el caso de la envolvente de tiempo de un sonido, esta representa el desarrollo de un sonido. Hay sonidos cortos y hay otros mas largos. Hay sonidos que se demoran en aparecer y, hay sonidos que tardan mucho en desvanecerse. Las envolventes reflejan este tipo de comportamiento del sonido. La envolvente de tiempo de un sonido a veces denominada como ``ADSR'', consta de tres secciones denominadas tiempo de ataque, tiempo de sostenimiento y tiempo de desvanecimiento (ver figura-4). Sonidos de percusión (o staccatos), tienen ataques tiempos de ataque, sostenimiento y desvanecimientos relativamente cortos. En contraste sonidos de instrumentos de cuerda como el violín tienen, tiempos de ataque largos al igual que su sostenimiento y desvanecimiento.

  

  
  

  Figura No. 4: Esta figura representa una envolvente del tiempo en diferentes secciones: la sección de ataque, la seccion de sostenimiento y la seccion de desvanecimiento. Cada sección muestra la intensidad del sonido al transcurrir el tiempo. El ataque es la duración que toma un sonido para llegar a la máxima amplitud o volumen. El sostenimieto es la cantidad de tiempo que se utiliza para que le sonido se mantenga a su mayor intensidad. El desvaneciemiento es la duración para que el sonido se suspenda y baje su intensidad al mínimo de percepción.

  
  

• Espectro Sonoro
  
  

  La cualidad tímbrica o color en un sonido está dado por su espectro sonoro. Un sonido periódico (o temperado), esta compuesto por el fundamental y varios armónicos dependiendo del instrumento musical que lo está produciendo. Así púes cada instrumento en la orquesta tiene un timbre o color diferente y esto es dado por el espectro sonoro de cada instrumento o, mas genéricamente, por su ``forma de onda''. Sonidos que se asemejan la flauta poseen menos armónicos que sonidos que se parecen a los metales o a las cuerdas. El sonido de piano posee muchos armónicos. Además cada armónico posee su propia envolvente del tiempo.

• Formas de Onda
  
  

  Cada sonido posee su propia ``forma de onda''. Diferentes formas de onda se logran sumando las frecuencias y las amplitudes de cada uno de los armónicos de un sonido. Un armónico está compuesto de una onda sinuosidal a una determinada frecuencia y con una envolvente de tiempo determinada. Por esta razón los armónicos en sonidos complejos o en aplicaciones ajenas a la música o el sonido se denominan componentes sinuosidales o ``parciales''. Por lo tanto un sonido complejo y sin afinación posee el componente fundamental además de varios parciales.

  Tanto en sonidos afinados como en sonidos complejos se habla de que el sonido está compuesto por el fundamental más el segundo, tercero, etc. (en el caso de sonidos afinados) y, el fundamental más segundo parcial, tercero, etc. (en el caso de sonidos complejos no afinados). De esta forma se puede hablar de armónicos o, parciales pares o impares como componentes del espectro de un sonido. Por ejemplo si se habla de la nota ``LA-4'' en un piano, esto quiere decir que el fundamental, que es el armónico con mayor intensidad, tiene una frecuencia de 440Hz. Los otros armónicos en esta nota tienen intensidades y frecuencias proporcionales o múltiplos del fundamental.

  Los cuatro tipos de formas de onda sencillas (porque son periódicas), además del ruido y de acuerdo con la figura que generan en un en un osciloscopio, se denominan: sinuosidal, cuadrada, triangular y diente de sierra. Cada una de estas formas está caracterizada por un timbre que es resultado de la suma del fundamental y varios de sus armónicos. En esta suma hay que tener en cuenta el múltiplo de la frecuencia y la amplitud en cada armónico. Estas formas de onda se generan de la siguiente manera:

  1. Sinuosidal:
     El fundamental es el único armónico en este tipo de forma de onda.
     $$A_{n=1}=A_{fundamental}$$

  2. Diente de Sierra:
     Formas de onda ``diente de sierra'' contienen todos las frecuencias en la serie de los armónicos y, la amplitud de cada armónico es el inverso de su posición en las serie.
     $$\omega_{n}= (n\omega_{f})$$
     donde $\omega_{n}$, es la frecuencia del armónico $n$, $\omega_{f}$, la frecuencia del fundamental y, $n = 1,2,3,\dots,N =$, la serie de los armónicos.
     $$A_{n}= (\frac{1}{n})$$
     donde $A_{n}$, es la amplitud del armónico $n.$
     $n = 1,2,3,\dots,N =$, la serie de los armónicos.

     De acuerdo a esto y por Fourier , la formula para crear el espectro una ``onda diente de sierra'' es:

     $$Y = \sum_{n=1}^{\infty}A_{n}\omega_{n}$$

  3. Cuadrada:
     Formas de onda ``cuadradas'' o del tipo rectangular o, pulsos, contienen todas las frecuencias de los armónicos impares. Al igual que formas de onda ``diente de sierra'', la amplitud relativa de cada armónico es el inverso de su posición en las serie.
     $$\omega_{n}= (n\omega_{f})$$
     donde $\omega_{n}$, es la frecuencia del armónico $n$, $\omega_{f}$, la frecuencia del fundamental y, $n = 1,3,5,\dots,N$ o, la serie de los armónicos impares.
     $$A_{n}= (\frac{1}{n})$$
     donde $A_{n}$, es la amplitud del armónico $n.$
     $n = 1,3,5,\dots,N =$ serie de armónicos impares.

     La formula para crear el espectro una ``onda cuadrada'' es:

     $$Y = \sum_{n=0}^{\infty}A_{(2n+1)}\omega_{(2n+1)}$$
     $\omega_{n}$, es la frecuencia del armónico $n$ y $A_{n}$, es la amplitud del armónico $n$.

  4. Triangular:
     Las formas de onda ``triangulares'' contienen también solo los armónicos impares pero su amplitud relativa es el cuadrado del inverso de su posición en las serie.
     $$A_{n}= (\frac{1}{n^{2}})$$
     donde $A_{n}$, es la amplitud del armónico $n.$
     $n = 1,3,5,\dots,N =$ serie de armónicos impares.

  5. Ruido Blanco:
     El ruido no tiene forma de onda debido a que en cualquier trozo que se analice el espectro de un sonido con estas cualidades, aparecerán múltiples o, todas las frecuencias disponibles en la unidad generadora de sonidos.

  NOTA: Una forma de realizar análisis de espectros es utilizando la ``Transformada de Fourier''. Hace unos años la forma de lograr espectros de sonidos era utilizando un osciloscopio de laboratorio. En la actualidad varios programas de computador realizan este tipo de análisis con bastante precisión.

  
  
  

• Filtros de Audio:
  
  Cualquier sonido musical que pase por algún tipo de medio se considera un sonido filtrado. Siendo el caso el medio, sin importar su estado o cualidades, en si mismo se considera como un filtro. Sin embargo generalmente se piensa sobre un filtro como algo que modifica el sonido de alguna manera. Un ejemplo de filtros fácil de entender puede ser la cavidad bucal en las personas. Al cambiar de posición la boca y los músculos se logran diferentes posiciones que filtran el sonido que están produciendo las cuerdas bucales. Con estos cambios se producen los diferentes sonidos de las vocales del alfabeto. Por otro lado los controles de tono (agudos y graves), en un amplificador de audio, son también filtros. Los ecualizadores, cámaras de reverberación §6.2, dispositivos de eco, desfasadores §6.6 y crossovers en altavoces, también son ejemplos de aplicaciones de filtros.

  Un ``filtro digital'' es simplemente un filtro que opera en el dominio de las señales digitales. Esta aplicación termina convirtiéndose en una función matemática que toma una sucesión de valores secuenciales y la convierte en una nueva sucesión de valores. Estas sucesiones se denominan señal de entrada y salida al filtro respectivamente.

  Algunos filtros de utilidad en tratamiento de señales de audio en música pueden ser:

  • Pasa-Bajos: A partir una frecuencia de corte, este filtro deja pasar todas las frecuencias del espectro (o armónicos) de un sonido por debajo a ésta.

  • Pasa-Altos: A partir una frecuencia de corte, este filtro deja pasar todas las frecuencias del espectro (o armónicos) de un sonido por encima a ésta.

  • Pasa-Bandas: Con este filtro se crea una banda de frecuencias de un sonido que pueden pasar y otras que son rechazadas. Los filtros pasa-bandas, son utilizados en bancos de filtros como ecualizadores gráficos.

  • Pasa-Todos: Sirve para ensanchar o adelgazar un ancho de bandas. Por lo tanto tiene dos frecuencias de corte por abajo y por encima de este ancho.