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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Autor: Julio Pardo Carrillo Tutor: José Ramón Cerquides Bueno ANÁLISIS TECNOLÓGICO DE UN ESTUDIO DE GRABACIÓN Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación ANÁLISIS TECNOLÓGICO DE UN ESTUDIO DE GRABACIÓN Autor: Julio Pardo Carrillo Tutor: José Ramón Cerquides Bueno Profesor titular Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Proyecto Fin de Carrera: ANÁLISIS TECNOLÓGICO DE UN ESTUDIO DE GRABACIÓN Autor: Julio Pardo Carrillo Tutor: José Ramón Cerquides Bueno El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal A mi familia A la música Agradecimientos Antes de afrontar el último paso antes de convertirme en ingeniero, debo acordarme de mi familia y del duro esfuerzo que han realizado durante años para que su hijo mayor lograra su sueño. Igualmente quisiera agradecer al Colegio Mayor San Juan Bosco de Sevilla, y por ende a toda la comunidad Salesiana por haber sido mi hogar durante tantos años de duro esfuerzo y sacrificio. Gracias por inculcarme tantos y tan buenos valores. Y por último quiero agradecer a todos y cada uno de los profesores que dedicaron un solo minuto en inculcarme su conocimiento y su pasión por la ciencia, en especial a mi tutor y amigo José Ramón Cerquides Bueno. Julio Pardo Carrillo Sevilla, 2018 Resumen y objetivos En el presente trabajo trataremos de demostrar que la ingeniería de telecomunicaciones, y muchos de los conceptos que en ella se estudian, tienen una aplicación directa en el campo de la música y del audio profesional. Para ello se analizarán todos y cada uno de los procesos a los que se verá sometida la señal de audio, desde que se genera por parte del músico o el cantante hasta que el consumidor final la escuche en su equipo de audio casero. El campo de estudio del presente proyecto es el del tratamiento de señales, tanto analógicas como digitales. El trabajo ha sido dividido en seis capítulos que resumimos a continuación: 1. En este primer capítulo se estudian conceptos relacionados con las ondas en general, y con las ondas de sonido en particular, tales como sus parámetros básicos y las cualidades subjetivas que percibimos auditivamente. Tras una breve explicación de todas las unidades y magnitudes que utilizamos para medir y cuantificar el sonido, concluiremos estudiando la propagación del sonido y los fenómenos relacionados con ella. 2. El segundo capítulo está directamente relacionado con la acústica, y estudia el diseño y la construcción de un estudio de grabación profesional. Se explican las diferencias entre sonorizar e insonorizar, para terminar estudiando por separado las características que debe reunir cada sala de un estudio, haciendo un repaso histórico por los diseños más utilizados y reputados en el mundo del audio profesional. 3. El tercer capítulo estudia las especificaciones técnicas que describen el funcionamiento de cualquier equipo de audio profesional, tales como la respuesta en frecuencia, la distorsión, el rango dinámico, la relación señal a ruido y la diafonía. 4. En el cuarto capítulo se estudia todo lo relacionado con el micrófono. Se detallan los parámetros importantes, clasificándolos según el tipo de transductor que utilizan o según su diagrama polar. Se expondrán ejemplos prácticos para conocer la importancia de la correcta ubicación de los micrófonos durante una grabación, terminando por explicar cómo funcionan los preamplificadores de micrófono. 5. En el quinto capítulo se explicarán al detalle los distintos métodos de grabación analógica y de grabación digital, comenzando por explicar las características de cada tipo de señal. Finalizaremos explicando todos los métodos de grabación que se han utilizado a lo largo de la historia. 6. En el último capítulo afrontaremos el último paso de cualquier grabación de audio, el proceso de mezcla. Para ello introduciremos el concepto de mezcla, explicando cómo se relaciona la misma con el aspecto tridimensional del sonido. Tras profundizar en cada una de las dimensiones y en los parámetros que las definen, concluiremos explicando en qué consiste la masterización. Para la realización de este trabajo he tratado de aglutinar todos los conocimientos que me otorga mi experiencia profesional al frente de un estudio de grabación, apoyándome lógicamente en todo tipo de bibliografía relacionada con el audio profesional. Julio Pardo Carrillo Índice capítulo 1 - EL SONIDO ........................................................................................................................... 1 1.1 - Conceptos básicos sobre ondas ........................................................................................... 2 1.1.1 - Ondas transversales y longitudinales .................................................................... 2 1.1.2 - Parámetros básicos de una onda .......................................................................... 4 1.2 - El sonido y las ondas sonoras .............................................................................................. 5 1.2.1 - Sonidos audibles y no audibles ............................................................................ 6 1.2.2 - Diferencias entre sonido y ruido ........................................................................... 8 1.3 - Cualidades subjetivas del sonido ......................................................................................... 9 1.4 - La medida del sonido ......................................................................................................... 12 1.4.1 - Medida de magnitudes absolutas ....................................................................... 12 1.4.2 - Nivel de presión sonora (SPL) .............................................................................. 15 1.4.3 - La ponderación (dBA) .......................................................................................... 16 1.5 - La propagación del sonido ................................................................................................. 17 1.5.1 - Divergencia esférica ............................................................................................ 17 1.6 - Interacción de las ondas sonoras con una superficie límite .............................................. 18 1.6.1 - Reflexión y transmisión ....................................................................................... 18 1.6.2 - Difracción ............................................................................................................ 19 1.6.3 - Absorción ............................................................................................................ 20 1.6.4 - Reverberación y eco ............................................................................................ 21 capítulo 2 - DISEÑO ACÚSTICO DE UN ESTUDIO DE GRABACIÓN .......................................................... 23 2.1 - Conceptos de acústica .......................................................................................................... 24 2.1.1 - Comportamiento del sonido en un recinto .........................................................25 2.1.2 - Diferencias entre insonorizar y sonorizar............................................................ 26 2.2 - Insonorización (aislamiento acústico) .................................................................................. 27 2.2.1 - Aislamiento - principios físicos ............................................................................ 28 2.3 - Sonorización (acondicionamiento acústico) ......................................................................... 33 2.3.1 - Materiales reflectantes ....................................................................................... 34 2.3.2 - Materiales absorbentes ...................................................................................... 35 2.3.3 - Materiales difusores ............................................................................................ 39 2.3.4 - Los modos propios de sala .................................................................................. 43 2.3.5 - Tiempo de reverberación .................................................................................... 45 2.4 - La sala de control.................................................................................................................. 47 2.4.1 - Evolución histórica .............................................................................................. 48 2.4.2 - Salas tipo Non-environment ............................................................................... 53 2.4.3 - Salas tipo Lede ..................................................................................................... 54 2.5 - La sala de grabación ............................................................................................................. 55 capítulo 3 - ESPECIFICACIONES TÉCNICAS EN UN EQUIPO DE AUDIO ................................................... 57 3.1 - La cadena de audio ............................................................................................................... 58 3.2 - Respuesta en frecuencia ...................................................................................................... 59 3.2.1 - Curva de respuesta en frecuencia ....................................................................... 59 3.2.2 - Elaboración de la gráfica de respuesta en frecuencia ......................................... 60 3.3 - Distorsión ............................................................................................................................. 65 3.3.1 - Distorsión lineal de amplitud .............................................................................. 66 3.3.2 - Distorsión lineal de fase ...................................................................................... 67 3.3.3 - Distorsión armónica THD..................................................................................... 67 3.3.4 - Distorsión de intermodulación IMD .................................................................... 69 3.4 - Rango dinámico y relación señal a ruido .............................................................................. 71 3.4.1 - Rango dinámico ................................................................................................... 71 3.4.2 - Relación señal a ruido (SNR) ............................................................................... 72 3.5 - Diafonía o crosstalk .............................................................................................................. 74 capítulo 4 - GRABACIÓN DE SONIDOS Y MICROFONÍA ......................................................................... 77 4.1 - El micrófono - definición y características ............................................................................ 78 4.1.1 - Parámetros de un micrófono .............................................................................. 79 4.2 - Directividad y diagramas polares ......................................................................................... 86 4.2.1 - El diagrama polar ................................................................................................ 86 4.3 - Tipos de transductores ......................................................................................................... 89 4.3.1 - Micrófonos de bobina móvil o dinámicos ........................................................... 89 4.3.2 - Micrófonos de cinta ............................................................................................ 91 4.3.3 - Micrófonos de capacidad variable ...................................................................... 91 4.4 - Elección y ubicación de los micrófonos ................................................................................ 95 4.4.1 - La ubicación de los micrófonos ........................................................................... 95 4.4.2 - Ejemplos prácticos .............................................................................................. 98 4.5 - Preamplificadores de micrófono ........................................................................................ 101 capítulo 5 - GRABACIÓN ANALÓGICA Y GRABACIÓN DIGITAL ............................................................ 103 5.1 - Señales analógicas y digitales ............................................................................................. 104 5.1.1 - Señales analógicas ............................................................................................. 104 5.1.2 - Señales digitales ................................................................................................ 105 5.2 - Tipos de grabación ............................................................................................................. 107 5.3 - Grabación analógica ........................................................................................................... 108 5.3.1 - Grabación mecánica analógica .......................................................................... 108 5.3.2 - Grabación magnética analógica ........................................................................ 114 5.3.3 - Grabación óptica analógica ............................................................................... 121 5.3.4 - Conclusiones sobre la grabación analógica ....................................................... 122 5.4 - Grabación digital ................................................................................................................ 124 5.4.1 - Conversión analógico/digital (A/D) ................................................................... 124 5.4.2 - Grabación magnética digital .............................................................................. 129 5.4.3 - Grabación óptica digital .................................................................................... 135 5.4.4 - Grabación magneto-óptica digital ..................................................................... 137 capítulo 6 - LA MEZCLA DE AUDIO ...................................................................................................... 139 6.1 - El proceso de mezcla .......................................................................................................... 140 6.2 - La mezcla analógica ............................................................................................................ 142 6.2.1 - La mesa de mezclas analógica ........................................................................... 142 6.2.2 - Conversión digital/analógico (D/A) ................................................................... 145 6.3 - La mezcla digital ................................................................................................................. 147 6.3.1 - La mesa de mezclas digital................................................................................ 147 6.3.2 - La mezcla en el DAW ......................................................................................... 148 6.3.3 - Ventajas e inconvenientes ................................................................................ 150 6.4 - Las tres dimensiones de la mezcla ..................................................................................... 153 6.5 - La primera dimensión - horizontal ..................................................................................... 154 6.6 - La segunda dimensión - vertical ......................................................................................... 157 6.6.1 - Las bandas del espectro audible ....................................................................... 157 6.6.2 - Tipos de filtros para la mezcla ........................................................................... 157 6.6.3 - La estrategia de ecualización ............................................................................ 161 6.6.4 - La compresión ................................................................................................... 162 6.7 - La tercera dimensión - profundidad ................................................................................... 164 6.8 - La masterización ................................................................................................................. 166 CONCLUSIONES .................................................................................................................................. 169 REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 171 capítulo 1 - El sonido 1 capítulo 1 - EL SONIDO Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.1 - CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ONDAS Utilizaremos este primer capítulo para introducir conceptos acerca del sonido que serán de vital importancia para el posterior análisis que haremos del estudio de grabación. Como bien sabemos, cuando hablamos de sonido nos estamos refiriendo a una onda, por eso vamos a comenzar definiendo qué es una onda y en qué consiste: "Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio (densidad, presión, campo eléctrico, campo magnético, etc.) a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como por ejemplo aire, agua, un trozo de metal o incluso inmaterial, como el vacío. En resumen, cuando se produce alguna perturbación en un material consecuencia de alguna variación esta se transmite o propaga al resto del sistema produciendo una onda" 1 En este primer apartado vamos a realizar un estudio de las ondas en general; los distintos tipos de onda que podemos encontrar en la naturaleza, las diferentes formas que pueden presentar, los distintos mecanismos de propagación y cuáles son sus parámetros básicos. Este estudio preliminar nos servirá después para analizar cómo es la onda sonora en particular, de qué tipo de onda se trata, cómo se propaga y cómo influyen cada uno de sus parámetros básicos en las diferentes características sonoras que finalmente percibimos. 1.1.1 - ONDAS TRANSVERSALES Y LONGITUDINALES Como hemos explicado antes, una onda está originada por la vibración de alguna característica o magnitud del medio de propagación. Este medio puede ser material o no. Vamos a centrarnos en el caso de un medio material, ya que, como después comprobaremos, el sonido es una onda mecánica (su propagación depende del movimiento de las partículas del medio)2. Dependiendo de la dirección en la que se mueven las partículas y de la dirección de propagación de la onda, podemos clasificarlas en dos tipos: ONDAS TRANSVERSALES: En toda onda transversal, los movimientos de las partículas de materia del medio por el que se propaga la onda son perpendiculares a la dirección de propagación de la misma. Un claro ejemplo de ondas transversales son las que se forman cuando lanzamos un objeto a un estanque de agua en reposo. El movimiento de las partículas de agua es vertical (de arriba a abajo) mientras que la dirección de propagación de la onda es horizontal (alejándose del lugar de impacto). Si representamos gráficamente una 1 Definición extraída de los apuntes de la asignatura PROPAGACIÓN DE ONDAS 2 Existen otros tipos de ondas que no necesitan de un medio material para propagarse, como por ejemplo las ondas electromagnéticas (pueden propagarse en el vacío) capítulo 1 - El sonido 3 onda transversal, podemos distinguir dos regiones claramente diferenciadas: nodos y valles. Otro ejemplo de onda transversal es una onda electromagnética (aunque en este caso no se trata de una onda mecánica). ONDAS LONGITUDINALES: En toda onda longitudinal, el movimiento de las partículas del medio material que de propagación coincide con la dirección de propagación de la propia onda. Un claro ejemplo de onda longitudinal es el sonido. Cuando las representamos gráficamente, distinguimos dos regiones bien diferenciadas; compresiones y dilataciones. Para concluir, mostramos una última figura en la que se comparan los dos tipos de ondas. En las dos ondas mostradas la dirección de propagación es horizontal, de izquierda a derecha. Sin embargo, en la onda transversal vemos que el movimiento de las partículas es vertical (de arriba a abajo), mientras que en la onda longitudinal el movimiento de las mismas es horizontal (de izquierda a derecha), es decir, en la misma dirección en la que se propaga la onda. Fig. 3 - Comparación de una onda "transversal" con otra onda "longitudinal" Fig. 1 - ONDA TRANSVERSAL: En la imagen podemos observar las zonas antes mencionadas; "valles" y "crestas" Fig. 2 - ONDA LONGITUDINAL: Podemos distinguir las zonas de "compresión" y la de separación "enrarecimiento" Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.1.2 - PARÁMETROS BÁSICOS DE UNA ONDA No es la intención de este documento la de realizar un estudio exhaustivo sobre la teoría de ondas, por eso mismo solo se definen algunos conceptos elementales que serán de vital importancia para el posterior estudio de las ondas sonoras. Los parámetros matemáticos que definen una onda son la longitud de onda, la amplitud, el periodo, la frecuencia y la fase: LONGITUD DE ONDA (λ): Longitud mínima entre dos puntos con el mismo estado de perturbación (distancia entre dos pulsos consecutivos). La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia. Al ser una medida de longitud, la unidad utilizada es el metro. AMPLITUD (A): Distancia que separa a una partícula de su posición de equilibrio en el momento de máxima perturbación. La unidad utilizada dependerá de la naturaleza de la perturbación que origine la onda. PERIODO (T): Tiempo empleado por una partícula para volver a encontrarse en el mismo estado de alteración. También se le conoce como la duración de un ciclo. FRECUENCIA (f): Número de pulsos generados en la unidad de tiempo. Es inversamente proporcional al período, luego f=1/T. La unidad de frecuencia se llama Hertzio, la inversa de un segundo y se abrevia Hz. FASE (β): La fase nos indica la posición o avance de un punto de la onda durante un instante de su ciclo. En la práctica se comparan fases de ondas tomando dos posiciones, dos instantes o dos ondas. Hablamos entonces de desfase o diferencia entre fases midiéndose su valor como un ángulo, un tiempo o una distancia.Parámetros de la onda a(t): A0 = Amplitud T = Periodo β = Fase o desfase inicial f = 1/T Fig. 4 - Parámetros de una onda senoidal pura capítulo 1 - El sonido 5 1.2 - EL SONIDO Y LAS ONDAS SONORAS Según la física: "sonido 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 generado por el movimiento vibratorio de un cuerpo" 3 El sonido tal y como nosotros lo interpretamos (el sonido humanamente audible) consiste en "una vibración mecánica de las partículas de algún medio elástico (generando así una fluctuación de la presión) generada por la vibración de alguna fuente o foco, que en contacto con el tímpano, se transmite al oído. A través del oído interno y el nervio auditivo, el cerebro interpreta estas vibraciones siempre y cuando no sobrepasen ciertos límites frecuenciales. Lo que el cerebro interpreta es lo que oímos" 4 Tal y como hemos dicho, cualquier onda sonora es generada por la vibración a cierta frecuencia de algún cuerpo que actúa como fuente (un diapasón, la cuerda de una guitarra, la bocina de un altavoz, las cuerdas vocales, etc.). El movimiento de la fuente "empuja" las partículas que están a su alrededor, y estas a su vez hacen lo mismo con las que las rodean, generando así un "efecto dominó", o lo que es lo mismo, una serie de compresiones (zonas del medio donde las partículas se aproximan entre sí en un momento dado) y dilataciones (zonas del medio donde las partículas se encuentran separadas unas de otras en un momento dado). Podemos decir por lo tanto que la onda sonora es una onda de presión. Tal y como hemos mencionado en el apartado anterior, el movimiento de las partículas sucede en la misma dirección en que se propaga la onda, por lo tanto estamos hablando de ondas longitudinales. El medio elástico necesario para la propagación de las ondas sonoras puede ser de naturaleza gaseosa (el aire), líquida (el agua) o sólida. El vacío no es un medio elástico, por lo que es imposible la propagación del sonido. Por este motivo suele 3 Definición extraída del curso "Grabación profesional" impartido por la Escuela cinematográfica de Madrid 4 Definición extraída del curso "Grabación profesional" impartido por la Escuela cinematográfica de Madrid Fig. 5 - Interpretación de las ondas sonoras por parte del oído humano http://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3meno http://es.wikipedia.org/wiki/Ondas_el%C3%A1sticas Análisis tecnológico de un estudio de grabación decirse que "el vacio es el reino del silencio". En definitiva, resumiendo todo lo dicho hasta ahora, podemos decir que las ondas sonoras poseen las siguientes características: SON ONDAS MECÁNICAS: Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además de la presencia de un medio material, se requiere que éste sea elástico. Un medio rígido no permite la transmisión del sonido, porque no permite las vibraciones. La propagación de la perturbación se produce por la compresión y expansión del medio por el que se propagan. La elasticidad del medio permite que cada partícula transmita la perturbación a la partícula adyacente, dando origen a un movimiento en cadena. SON ONDAS LONGITUDINALES: El movimiento de las partículas que transporta la onda se produce en la misma dirección de propagación de la onda. SON ONDAS ESFÉRICAS: Las ondas sonoras son ondas tridimensionales, es decir, se desplazan en tres direcciones y sus frentes de ondas son esferas radiales que salen de la fuente de perturbación en todas las direcciones. El principio de Huygens afirma que cada uno de los puntos de un frente de ondas esféricas puede ser considerado como un nuevo foco emisor de ondas secundarias también esféricas, que como la originaria, avanzarán en el sentido de la perturbación con la misma velocidad y frecuencia que la onda primaria. 1.2.1 - SONIDOS AUDIBLES Y NO AUDIBLES Tomando la definición de sonido, como "aquello que el oído humano es capaz de percibir", para el caso de un oído joven y sano, habría que limitarlo a las vibraciones de frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20.000 Hz5. Este margen puede variar en función del oído de cada persona, y va disminuyendo con la edad a causa de la presbiacusia6. Fuera del rango de frecuencias audibles, se llamarían infrasonidos a las vibraciones cuya frecuencia fuese menor de 20 Hz y ultrasonidos a las que oscilan por encima de los 20 KHz (kilo hertzios). El Espectro Audible puede a su vez ser subdividido en tres grandes regiones; graves, medios y agudos (representadas en la figura 6). El conocimiento de esta subdivisión será de vital importancia para comprender el concepto de mezcla, que posteriormente trataremos en otro capítulo. La división es aproximada, ya que no hay un criterio exacto que determine donde termina una y empieza la siguiente: 5 Hertzio: unidad de medida de la frecuencia que indica el número de ciclos completos por segundo 6 Presbiacusia es la pérdida progresiva de la capacidad para oír altas frecuencias por culpa de la edad capítulo 1 - El sonido 7 Tonos graves: Frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas (16 Hz - 256 Hz). Tonos medios: Frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta, sexta y séptima (256 Hz - 2 kHz). Tonos agudos: Frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas (2 kHz - 16 kHz). Si atendemos a un criterio mas "musical", sobre todo en Occidente, se divide el espectro audible en 11 secciones, a cada una de las cuales llamamos octavas. Para comprender mejor el concepto de octava acudimos a la teoría musical, según la cual "la octava es el intervalo comprendido entre dos sonidos que tienen una relación de frecuencias igual a 1:2. Dicho intervalo se corresponde a su vez con 8 notas de la escala musical" 7. Ejemplo: Al comenzar con una Nota: DO, la octava completa será: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI-DO. Si el primer LA estaba afinado en 440 Hz el segundo LA (octava siguiente) estará en 880 Hz. Ahí podemos comprobar que el valor máximo de las frecuencias de cada octava es el doble del de la anterior. La Primera y Segunda Octava: Los tonos más graves (16 Hz - 64 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona. La Tercera y Cuarta Octava: Tonos graves medios (64 Hz - 250 Hz). La Quinta, Sexta y Séptima octava: Tonos medios (250 Hz - 2 kHz). En este intervalo está contenido el tono fundamental (La - 440 Hz) y los primeros armónicos de la mayoría de las Fuentes Sonoras. La Octava Octava: Tonos agudos, (2 kHz - 4 kHz). Comprende el margen en que el oído humano tiene mayor sensibilidad. La Novena y Décima Octava: Tonos agudos de frecuencia alta (4 kHz - 16 kHz). La Undécima Octava: Los tonos más agudos del espectro audible (por encima de los 16 kHz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada uno. 7 Definición extraída del libro "Teoría Musical" editado por el conservatorio Manuel de Falla de Cádiz Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.2.2 - DIFERENCIAS ENTRE SONIDO Y RUIDO Por otro lado, y atendiendo a un criterio más subjetivo y psicológico, tenemos la costumbre de distinguir entre sonidos y ruido: SONIDOS: Se consideran sonidos aquellos que nos producen una sensación agradable, bien porque son sonidos musicales o porque son como las silabas que forman las palabras, es decir, sonidos armónicosque encierran cierto significado al tener el oído educado para interpretarlos. Desde el punto de vista gráfico, observamos que los sonidos poseen formas de onda periódicas, casi sinusoidales, aunque levemente alteradas por la presencia de sus armónicos. RUIDOS: Se consideran ruidos aquellas perturbaciones sonoras que resultan molestas al oído humano. La sensación cerebral resultante es desagradable, ya que el oído no les encuentra ningún significado conocido. Los ruidos presentan gráficas carentes de periodicidad, y esta es la peculiaridad que los hace desagradables. Asimismo, podemos distinguir dos tipos de ruido, atendiendo a su distribución en el tiempo: Ruido fluctuante: La intensidad del mismo varía a lo largo del tiempo. Ruido impulsivo: La duración es breve, solo se produce durante un determinado instante de tiempo, en el que la intensidad aumenta bruscamente. Fig. 6 - Espectro audible y sus diferentes regiones Fig. 7 - Comparación entre la forma de onda sonora (izquierda) y una onda de ruido (derecha) capítulo 1 - El sonido 9 1.3 - CUALIDADES SUBJETIVAS DEL SONIDO Generalmente se utilizan cuatro cualidades subjetivas para describir en su totalidad un sonido musical: intensidad, tono, timbre y duración. Cada uno de estos atributos depende de uno o más parámetros físicos de la onda sonora, que pueden ser medidos objetivamente (frecuencia, amplitud, forma de onda, composición armónica, etc.). Veamos qué característica representa cada una de las cualidades del sonido y con qué parámetro físico está relacionada: INTENSIDAD O VOLUMEN: La intensidad o volumen es la cualidad que nos permite clasificar los sonidos en intensos o débiles y está relacionada directamente con la magnitud física Intensidad de la onda que es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad de tiempo. Esta magnitud a su vez depende de la amplitud de la onda sonora. La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad. En el caso de las ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual (como es el sonido), la intensidad percibida por el receptor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. TONO, ALTURA O ELEVACIÓN: El tono es una cualidad del sonido que nos permite distinguir entre sonidos altos (agudos) y sonidos bajos (graves), y está relacionada directamente con la magnitud física frecuencia. Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de frecuencia baja. Mientras que la frecuencia de un sonido, es una definición física cuantitativa de un parámetro de onda (que se puede medir con aparatos sin una referencia auditiva) la elevación es nuestra evaluación subjetiva de la frecuencia del sonido. La percepción puede ser diferente en distintas situaciones, así para una frecuencia específica no siempre tendremos la misma elevación. Fig. 8 - Intensidad y tono de un sonido Análisis tecnológico de un estudio de grabación TIMBRE: El timbre nos permite diferenciar entre dos sonidos diferentes que tengan la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín que están emitiendo la misma nota (misma frecuencia) con la misma intensidad. En definitiva, y desde el punto de vista musical, es la cualidad gracias a la cual podemos distinguir los sonidos emitidos por dos instrumentos diferentes, o la voz de dos personas distintas. En general, los sonidos no son de una sola frecuencia; los sonidos suelen tener una onda principal que va acompañada de otras ondas de menor amplitud llamadas armónicos8, cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia más baja (frecuencia fundamental o primer armónico). La suma de esas ondas da lugar a otra onda que tiene una forma determinada. El timbre está relacionado con la forma de esta última onda resultante. Ejemplo: Si se toca el La situado sobre el Do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 Hz. La componente principal de la nota producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 Hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 Hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320 o 1.760 Hz. Las intensidades concretas de esas otras componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de cada instrumento.. A continuación mostramos diferentes ondas, que aun teniendo la misma frecuencia principal se diferencian en su forma, es decir, tienen armónicos diferentes gracias a los cuales podríamos distinguir como diferentes los dos sonidos: 8 En acústica y telecomunicaciones, un armónico de una onda es una componente sinusoidal de una señal. Su frecuencia es un múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos más altos es mucho menor que la amplitud de la onda fundamental y tiende a cero; por este motivo los armónicos por encima del quinto o sexto generalmente son inaudibles. Fig. 9 - Los tres primeros armónicos y la onda resultante http://es.wikipedia.org/wiki/Ac%C3%BAstica http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaciones http://es.wikipedia.org/wiki/Sinusoide http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAltiplo http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_fundamental http://es.wikipedia.org/wiki/Amplitud_(sonido) http://es.wikipedia.org/wiki/Audici%C3%B3n capítulo 1 - El sonido 11 EVOLUCIÓN TEMPORAL: El otro aspecto de un sonido que participa en la conformación de su timbre característico es la variación temporal de su intensidad. El tiempo total de duración de un sonido (por ejemplo una nota tocada por un instrumento musical) puede ser dividido en tres periodos temporales; el ataque, el periodo de sonido sostenido y el decaimiento. El ataque (1) es el lapso de tiempo que tardan en establecerse las oscilaciones regulares. El final del ataque es llamado decaimiento (2), y coincide con el periodo de tiempo en el que la intensidad del sonido decrece hasta llegar al valor sostenido. El sonido emitido por un instrumento durante el ataque también incluye los ruidos anexos: en el piano, el ruido generado por el mecanismo que impulsa el macillo, en la flauta el ruido causado por el flujo del aire, etc. Desde el punto de vista físico, se corresponde con el régimen transitorio. El periodo de sonido sostenido (3) hace referencia al intervalo de tiempo durante el cual el sonido suena establemente. Que suene establemente no quiere decir que la intensidad no pueda variar. En este caso, desde un punto de vista físico nos estamos refiriendo al periodo de régimen estacionario. El desvanecimiento (4) del sonido indica cómo se disminuye su intensidad cuando se apaga su fuente primaria (cuando el flautista deja de soplar, el pianista suelta la tecla, el guitarrista apaga la cuerda con la yema de su dedo, etc.) hasta que finalmente dejamos de escucharlo. El ataque, el período de sonido sostenido y el decaimiento son características fundamentales que influyen en la percepción del timbre de un sonido. Si con un sintetizador de sonidos se desea emular el sonido de algún instrumento musical es indispensable, no sólo que se reproduzca la intensidad de los distintos armónicos, sino también la evolución temporal de su intensidad. 1 2 3 4Fig. 10 - Evolución temporal de un sonido Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.4 - LA MEDIDA DEL SONIDO Para poder adentrarnos de lleno en el estudio detallado de todo el equipamiento que conformará nuestro estudio de grabación, necesitaremos antes definir aquellas magnitudes y unidades de medida con las que habitualmente en el mundo del audio profesional, y a eso dedicaremos este apartado; a la medida del sonido y de todo lo referente a las señales acústicas. Cuando de audio se trata, estamos acostumbrados a ver magnitudes expresadas en decibelios (dB), unidad que definimos a continuación: " El decibelio es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar un nivel de potencia con otro llamado de referencia. El decibelio por tanto no mide una magnitud o variable, pero sí mide la ganancia o pérdida de un sistema, porque compara el valor de una magnitud a su salida y a su entrada. Un valor en dB no establece un valor concreto, sólo mide cuánto crece o decrece algo"9 El decibelio nace por la necesidad de expresar de una forma práctica la ganancia o pérdida que sufre la potencia de una señal al atravesar un sistema o un medio de transmisión (como por ejemplo la ganancia que sufre una señal al atravesar un amplificador, lo las pérdidas que sufre una señal al atravesar un cable de determinada longitud). Para expresar en dB la relación entre dos potencias (por ejemplo la ganancia de un amplificador), aplicamos la siguiente fórmula: Por lo tanto, queda claro que el decibelio no mide una magnitud sino la relación entre dos valores de igual unidad, y que se trata de una magnitud logarítmica. 1.4.1 - MEDIDA DE MAGNITUDES ABSOLUTAS Como ya hemos visto, el dB es una medida adimensional que no permite medir magnitudes absolutas de potencia, sino una relación entre dos medidas de tal magnitud. Pero en el mundo del audio profesional nos encontramos con la necesidad de poder medir magnitudes usando unidades en escala logarítmica. Para conseguir esto, sólo debemos aplicar la fórmula anterior pero usando siempre en el denominador un valor predeterminado y conocido que se toma como referencia: 9 Definición extraída del curso de acústica impartido por la empresa Silen&System Relación de potencias en decibelios capítulo 1 - El sonido 13 dBW Permite expresar magnitudes absolutas de potencia, usando como potencia de referencia 1 Watio. dBm Permite expresar magnitudes absolutas de potencia, usando como potencia de referencia 1 miliwatio. dBV Permite expresar magnitudes absolutas de voltaje, usando como voltaje de referencia 1 Voltio. El dBV se usa habitualmente en equipos de uso doméstico (no profesional), para expresar niveles de línea10. Al tratarse de voltajes muy pequeños, resulta mucho más cómodo hablar en términos de dBV. El nivel de línea estandarizado para equipos de audio doméstico es de -10 dBV (0,443 V). 10 Término usado para medir el nivel de una señal de audio utilizada para transmisiones analógicas entre diferentes equipos. Potencia expresada en dBW Potencia expresada en dBm Tensión expresada en dBV Análisis tecnológico de un estudio de grabación dBu Permite expresar magnitudes absolutas de voltaje, usando como voltaje de referencia 0,7746 Voltios. El dBu se usa habitualmente en equipos de uso profesional, para expresar niveles de línea. En este caso el estándar es el valor +4 dBu (Este voltaje de referencia corresponde a la tensión que aplicada a una impedancia de 600 Ω, desarrolla una potencia de 1 mW, o lo que es lo mismo, un voltaje de 1,74 V). Como hemos descrito anteriormente, en audio profesional se trabaja con señales 4 veces más potentes que en audio doméstico. Tensión expresada en dBV Fig. 11 - Amplificador doméstico, con entradas preparadas para -10 dBV de valor de línea Fig. 12 - Muchos equipos de audio profesional poseen conmutadores de entrada para la conexión de equipos pro o caseros. capítulo 1 - El sonido 15 1.4.2 - NIVEL DE PRESIÓN SONORA (SPL) Como hemos explicado antes, las perturbaciones creadas sobre el estado de reposo inicial de las partículas de aire, producidas por la vibración de algún cuerpo (fuente), se traducen en variaciones muy pequeñas de presión del medio. Esta variación de presión es lo que se mide. La unidad de medida de la presión es el Pascal (Pa). Sin embargo, las variaciones de presión producidas por las ondas sonoras son tan pequeñas que no podemos trabajar en pascales, porque habría que tratar con magnitudes muy pequeñas. Por este motivo se usa otra medida relativa: el Nivel de Presión Sonora (SPL)11, cuya unidad es el decibelio (dB)12. Como ya sabemos, el decibelio es una unidad de medida relativa, que expresa la relación existente entre dos magnitudes; compara la magnitud que queremos medir con otra magnitud de referencia. Este valor de referencia se expresa como Pref. Por lo tanto, el nivel de presión sonora (SPL), es el resultado de la siguiente operación matemática, expresado en decibelios: Donde: o Pref = 20·10-6 (el mínimo nivel de presión sonora que el oído humano es capaz de percibir) Si tenemos un Nivel de Presión Sonora = 0 dB SPL, diremos que hay silencio o ausencia de sonido. En documentos de habla hispana es posible que las medidas de presión sonora aparezcan expresadas como NPS (nivel de presión sonora). A continuación se muestra una tabla en la que podemos ver los niveles de presión sonora (SPL) típicos correspondientes a múltiples sonidos o ruidos que podemos escuchar habitualmente. SONIDOS CARACTERÍSTICOS NPS REACCIÓN HUMANA Despegue de un avión 140 dB SPL Dolorosamente fuerte Martillo neumático 110 dB SPL Extremadamente fuerte Petardos 90 dB SPL Muy molesto Conversación normal 60 dB SPL Intrusivo Oficina tranquila 40 dB SPL Silencio Biblioteca 20 dB SPL Muy silencioso 11 SPL = Sound presure level (Nivel de presión sonora) 12 Se suele expresar como "dB SPL", para denotar que hablamos de niveles de presión sonora, y no de potencias Nivel de presión sonora Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.4.3 - LA PONDERACIÓN A (dBA) El nivel de presión sonora nos da una medida exacta de la potencia de un sonido, pero la respuesta del oído humano ante una señal sonora no es lineal, el oído no percibe con la misma intensidad en todas las frecuencias. Al igual que sucederá con cualquier dispositivo de audio profesional, podemos decir que el oído humano tiene una curva de respuesta en frecuencia. Ejemplo: Imaginemos que podemos generar un tono de 20 dB que vaya recorriendo todo el espectro de frecuencias audibles (comenzando en 20 Hz y terminando en 20 KHz). Si el oído tuviera una respuesta plana, escucharíamos todas las frecuencias con la misma intensidad, pero en la práctica podemos comprobar que esto no es así; el oído percibirá con más intensidad las frecuencias medias, con algo menos de intensidad las frecuencias agudas, y con poca intensidad las frecuencias graves. En teoría el tono tiene la misma intensidad sonora en todas las frecuencias, pero el oído percibe unas frecuencias más fuerte que otras. Como vemos es necesario encontrar una forma de ajustar los niveles de presión sonora que hemos medido con la percepciónque el oído tiene de los mismos según cada frecuencia. Esta corrección se realiza ponderando los dB medidos mediante una tabla de ponderación ya especificada y que se llama tabla "A". Los decibelios ya ponderados en "A" se representan como dBA y los no ponderados, llamados lineales, como dB. De este modo obtendremos una medida real de cómo nuestro oído percibe la intensidad sonora en función de la frecuencia. Fig. 13 - Gráficas de ponderación A, B y C capítulo 1 - El sonido 17 1.5 - LA PROPAGACIÓN DEL SONIDO El sonido es una vibración, que, como tal, se puede propagar en cualquier medio material, sólido, líquido o gaseoso (como por ejemplo el aire). En cada medio, se propaga a una velocidad diferente, principalmente en función de la densidad del mismo. Cuanto más denso sea el medio, mayor será la velocidad de propagación del sonido (a mayor densidad, mayor concentración de partículas y por lo tanto mejores condiciones de "transmisión"). En el vacío, el sonido no se propaga, al no existir partículas que puedan vibrar. En este caso tenemos una muestra del clásico error de las películas de ciencia ficción: el sonido de las explosiones en el espacio. En el aire, el sonido se propaga a una velocidad aproximada de 343 m/s (metros por segundo). Esta velocidad puede variar con la densidad del aire, afectada por factores como la temperatura o la humedad relativa. En cualquier caso, para distancias de decenas de metros las variaciones son mínimas. En el agua, un valor típico de velocidad del sonido son 1500 m/s (el agua es más densa que el aire). En el agua, la densidad varía mucho en función de factores como la profundidad, la temperatura o la salinidad. La propagación del sonido en el agua, es el fundamento de los sistemas de sonar utilizados en barcos y submarinos para detectar obstáculos u objetivos y para enviar datos codificados. Para aplicaciones sonar las frecuencias que se utilizan corresponden a los ultrasonidos (frecuencias por encima de 20 KHz). En materiales metálicos, el sonido se propaga a velocidades superiores a las anteriores, por ejemplo, en el acero el sonido se propaga a una velocidad en torno a 5000 m/s. En materiales sólidos se utiliza el sonido y las propiedades de reflexión para detectar fallas estructurales y grietas, sin necesidad de tener acceso a toda la estructura. Por ejemplo en una viga, bastará con acceder a una de sus terminaciones para poder conocer su estado, empleando ultrasonidos y ecogramas. 1.5.1 - DIVERGENCIA ESFÉRICA Se conoce como divergencia esférica al fenómeno por el cual el nivel de presión sonora disminuye conforme el sonido se propaga (a medida que nos alejamos de la fuente sonora percibimos menos intensidad de sonido). Cuando el frente de onda es esférico, en la mayoría de los casos, el nivel de presión cae 6 dB SPL por cada vez que se duplica la distancia. Estas son las llamadas pérdidas por divergencia esférica. Si por ejemplo se mide el nivel NPS que produce una excavadora a 5 metros y este es de 100 dB SPL, podremos decir que a 20 metros el NPS será de 88 dB SPL, y a 40 metros serán 82 dB SPL. Cuando el frente de onda es plano, no hay pérdidas por divergencia. Un ejemplo de este tipo de propagación se da en la propagación del sonido por el interior de una tubería (el frente de onda es cuasi-plano, y por lo tanto las pérdidas son mínimas). Análisis tecnológico de un estudio de grabación 1.6 - INTERACCIÓN DE LAS ONDAS SONORAS CON UNA SUPERFICIE Estudiaremos detalladamente a continuación una serie de fenómenos que suceden cuando la onda sonora se topa en su trayectoria con algún cambio de medio u obstáculo. Estos fenómenos son comunes a cualquier tipo de onda, sea cual sea su naturaleza, pero nos centraremos en el caso particular de una onda sonora. El estudio de dichos fenómenos resultará de vital importancia a la hora de diseñar la acústica de nuestro estudio (diseño arquitectónico, materiales utilizados, ubicación de los equipos, etc.). Estos fenómenos son la reflexión, transmisión, difracción y absorción. 1.6.1 - REFLEXIÓN Y TRANSMISIÓN Cuando una onda acústica incide sobre una superficie plana que separa dos medios, se producen dos ondas: una onda transmitida y una onda reflejada. Cuando la inclinación de la onda incidente es superior a un ángulo dado (ángulo crítico13), sólo se produce onda reflejada (toda la energía incidente se refleja). Si el ángulo de incidencia es menor, aparecerá además otra onda, que se propaga en el mismo sentido que la onda incidente; la onda transmitida (parte de la energía incidente se refleja y otra parte penetra en el segundo medio). Cuanta energía pasa a formar parte de la onda reflejada y cuanta pasa ser parte de la onda transmitida, dependerá de la relación de impedancias acústicas entre el primer y el segundo medio. La impedancia es la oposición que hace el medio al avance de la onda, algo así como la "dureza" del medio. 13 El ángulo crítico dependerá de la relación existente entre los índices de refracción de ambos medios (n1 y n2) Fig. 14 - Reflexión capítulo 1 - El sonido 19 Ejemplos: Cuando se pasa del medio aéreo al acuático, casi toda la energía se refleja, debido a que las impedancias son muy dispares. Entre una capa de aire frío y otra de aire caliente, casi toda la energía de la onda acústica pasa a formar la onda transmitida, ya que la impedancia acústica es parecida. Tal y como vemos en la imagen, el ángulo de la onda reflejada es el mismo que el de la onda incidente. De este modo, si el ángulo de incidencia es de 90 grados (totalmente perpendicular a la superficie plana) la onda se reflejará sobre sí misma. Como comprobaremos más adelante, el estudio de las reflexiones resulta de vital importancia a la hora de conseguir una acústica de sala óptima. 1.6.2 - DIFRACCIÓN Se entiende por difracción "cualquier desviación de la propagación de la onda en línea recta debida a la presencia de algún obstáculo en el medio homogéneo"14. Por ejemplo, un muro que separa una zona residencial y una carretera, ya que no se interrumpe el medio de propagación: el aire. De forma parecida a como actúa la luz cuando se encuentra con un obstáculo, actúan las ondas acústicas. También se puede hablar de sombra acústica creada por un obstáculo. La sombra creada es distinta según la frecuencia de la que se trate. Las frecuencias altas (sonidos agudos) proyectan una sombra acústica muy definida, o lo que es lo mismo, su trayectoria se curva poco en presencia de un obstáculo, por lo que sufren poca difracción. Las frecuencias bajas (sonidos graves) proyectan una sombra acústica menos definida que las frecuencias altas. Su trayectoria se curva mucho mas, rodeando al obstáculo, por lo tanto, sufren mucha difracción. Ejemplo: Si entre el oyente y una fuente sonora que están en campo abierto, se sitúa un obstáculo (por ejemplo se levanta una pared de dos metros), el oyente percibirá una reducción en la intensidad del sonido percibido. Sin embargo, esta reducción será poca a las frecuencias próximas a 20 Hz (bajas frecuencias) y mucha a las frecuencias próximas a los 20 KHz (altas frecuencias), alrededor de 10 dB. En este caso se podrá decir que las bajas frecuencias sufren más difracción que las altas, en otras palabras: su trayectoria se ha curvado más, rodeando el obstáculo. 14 Manual de acústica editado por la empresa de aislamientos acústicos AURALEX Análisis tecnológico de un estudio de grabación Los efectos de la difracción pueden tener importancia para micrófonos, altavoces, para la audición humana (difracción sobre la cabeza, que hace de obstáculo), para el diseño acústico de recintos, etc. Las sombras acústicas creadas por obstáculosson muy usadas en la lucha contra el ruido, como por ejemplo, los paneles usados en autopistas o autovías (en algunos lugares) para evitar que el sonido de los vehículos que circulan por ellas alcancen a las casas colindantes. 1.6.3 - ABSORCIÓN La propagación de una onda acústica implica el movimiento de partículas, las cuales rozan entre sí (empujándose unas a otras). Este roce consume parte de la energía que transporta la onda sonora, que se convierte en calor, disminuyendo así la energía acústica total. La pérdida de energía, o absorción, depende de la frecuencia, siendo generalmente mayor a altas frecuencias que a bajas frecuencias (por eso, si nos alejamos mucho de una fuente sonora, dejaremos de escuchar los sonidos agudos pero seguiremos escuchando los sonidos más graves, ya que estos han sufrido menos absorción). Como veremos en la figura siguiente, al incidir una onda acústica sobre una superficie que suponga un cambio de medio, parte de la onda se refleja, parte se transmite a través del material y otra parte es absorbida por parte del material. Fig. 15 - Difracción Fig. 16 - Reflexión, transmisión y absorción capítulo 1 - El sonido 21 En medios fluidos como el aire o el agua se pueden dar los datos de absorción en función del camino recorrido por la onda acústica. La siguiente tabla muestra la absorción del aire a 20º centígrados y humedad del 70% para distintas frecuencias, en dB por kilómetro. Como se puede observar, la absorción es mucho mayor en las altas frecuencias que en las bajas. Ejemplo: Una onda acústica de frecuencia 500 Hz que recorre dos kilómetros sufre unas pérdidas por absorción del aire de 5.2 dB. Para calcular el nivel real, habría que tener en cuenta las pérdidas por divergencia esférica. También existe otro parámetro relativo a la absorción, y es el que se usa en las especificaciones de los materiales acústicos. Se suele llamar coeficiente de absorción a:, es adimensional y sus valores están comprendidos entre 0 y 1, siendo cero el equivalente a mínima absorción y uno a máxima absorción. Este valor se usa principalmente para calcular los tiempos de reverberación de salas. El coeficiente "a:" de un panel acústico depende principalmente del espesor, porosidad y de la forma que tenga. 1.6.4 - REVERBERACIÓN Y ECO A continuación se describen dos fenómenos acústicos directamente relacionados con el proceso de reflexión descrito en el primer punto; la reverberación y el eco. En primer lugar introduciremos y explicaremos el término tiempo de persistencia, definido como "el tiempo mínimo de separación que debe haber entre dos sonidos para que el oído humano los distinga como independientes"15. Según medidas y estudios este tiempo es de 0.1 segundos para sonidos musicales y de 0.07 segundos para sonidos secos (palabras). Este concepto resulta de vital importancia a la hora de distinguir entre reverberación y eco. 15 Manual de acústica editado por la empresa de aislamientos acústicos AURALEX Fig. 17 - Atenuación del aire (dB/Km)en función de la frecuencia Análisis tecnológico de un estudio de grabación REVERBERACIÓN: Se produce reverberación cuando las ondas reflejadas (generadas por reflexión en las paredes del recinto o sala a estudiar) llegan al oyente antes de la extinción de la onda directa, es decir, en un tiempo menor que el de persistencia acústica del sonido (por lo que el oído considera el sonido reflejado como parte del propio sonido directo). Este fenómeno es de suma importancia, ya que se produce en cualquier recinto en el que se propaga una onda sonora. El oyente no sólo percibe la onda directa, sino las sucesivas reflexiones que la misma produce en las distintas superficies del recinto. Controlando adecuadamente este efecto se contribuye a mejorar las condiciones acústicas de locales tales como teatros, salas de concierto, iglesias y, en particular, las diferentes salas que integrarán nuestro estudio de grabación. La característica que define la reverberación de un local se denomina tiempo de reverberación. Se define como el tiempo que transcurre hasta que la intensidad del sonido queda reducida a una millonésima parte de su valor inicial. ECO: El eco es un fenómeno consistente en escuchar un sonido después de haberse extinguido la sensación producida por la onda sonora. Se produce eco cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. Por tanto, si el oído capta un sonido directo y, después de los tiempos de persistencia especificados, capta el sonido reflejado, se apreciará el efecto del eco (el oído los considera sonidos separados o independientes). Para que se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro una determinada distancia: 17 m para sonidos musicales y 11.34 m para sonidos secos. Como veremos en el siguiente capítulo, todos los parámetros estudiados son de vital importancia a la hora de realizar el estudio acústico y posterior diseño de nuestro estudio de grabación. Fig. 18 - Tratamiento acústico de una sala de grabación http://www.ehu.es/acustica/espanol/basico/casoes/casoes.html capítulo 2 - Diseño acústico del estudio de grabación 23 capítulo 2 - DISEÑO ACÚSTICO DEL ESTUDIO DE GRABACIÓN Análisis tecnológico de un estudio de grabación 2.1 - CONCEPTOS DE ACUSTICA Antes de adentrarnos en profundidad en uno de los aspectos sin duda más importantes a la hora de confeccionar un buen estudio de grabación, comenzaremos por definir el concepto acústica: "Acústica es la parte o rama de la Física interdisciplinaria que se ocupa del estudio del sonido, infrasonido, ultrasonido, o en otras palabras las ondas sonoras, que se propagan a través de la materia, ya sea líquida, sólida o gaseosa. Específicamente, la acústica estudia todo aquello referente a la producción, almacenamiento, transmisión, percepción y reproducción de un sonido"16 Como cualquier rama de la física, la acústica se divide en múltiples ramas o disciplinas, entre las cuales cabe destacar las siguientes: Aeroacústica Acústica arquitectónica Psicoacústica Bioacústica Acústica musical Electroacústica Acústica fisiológica También se usa el término acústica cuando se quiere dar cuenta de las condiciones o características sonoras que posee un local, una habitación o una sala; se habla en términos de la buena o la mala acústica que la misma posee. Diremos que un local tiene buena acústica si no hay resonancias, retumbes o ecos; en definitiva, si podemos oír con nitidez y claridad cualquier sonido que se produzca dentro del mismo. Por contra, si el sonido no es claro y no se percibe con claridad por culpa de las resonancias o reverberaciones no deseadas que provoque la sala en cuestión, se hablará de una mala acústica. 16 Definición extraída de los apuntes de Acústica Arquitectónica, de la Escuela Universitaria de Música Fig. 19 - Estudio de la acústica de una sala de conciertos http://www.definicionabc.com/general/caracteristicas.php capítulo 2 - Diseño acústico del estudio de grabación 25 2.1.1 - COMPORTAMIENTO DEL SONIDO EN UN RECINTO Antes de adentrarnos en profundidad en conceptos físicos y arquitectónicos relacionados con el diseño acústico de nuestro estudio, conviene aclarar algunos conceptos básicos acerca del comportamiento del sonido en una sala. Algunos de estos conceptos pueden parecer muy evidentes, pero la práctica demuestra que no siempre son tan fáciles de comprender: Cuando el sonido golpea contra una superficie, parte de él es absorbido, parte reflejado y otra parte trasmitido a través de la propia superficie. Las superficies densas17,aislarán bien el sonido (no dejando que atraviesen la superficie) aunque lo reflejarán de nuevo hacia la sala. Las superficies porosas, en su mayor parte, absorberán bien el sonido, pero no lo aislarán (parte de ese sonido pasará a través de la superficie. La mejor manera de evitar la transmisión del sonido a través de una estructura ya construida es aislar la fuente de sonido de la estructura antes de que esta tenga la ocasión de vibrar. Las paredes necesitan estar aisladas de los techos y los suelos, usualmente mediante goma densa y flexible, para así evitar la transmisión de unas superficies a otras. Para minimizar la transmisión de sonido desde un espacio a otro contiguo debemos añadir masa y desacoplamiento. La masa blanda es casi siempre mejor que la masa rígida. Cualquier objeto, cualquier material de construcción, posee una frecuencia de resonancia que virtualmente se convierte en una ventana abierta al sonido (algo parecido a un diapasón que "canta" a su frecuencia de resonancia particular). Diferentes materiales poseen diferentes frecuencias de resonancia. El aire atrapado en un espacio delimitado (los espacios vacíos y las burbujas de aire) funciona bien como desacoplador. El sonido rebota de un lado a otro entre superficies paralelas y duras. 17 La densidad es la magnitud que mide la relación entre la masa y el volumen en un determinado material. Se mide en kg/m3 o g/cm3 Análisis tecnológico de un estudio de grabación 2.1.2 - DIFERENCIAS ENTRE INSONORIZAR Y SONORIZAR Sonorizar18 e insonorizar no son la misma cosa, pero el problema es que se suelen usar indistintamente ambos términos y por ende se confunden los objetivos de cada uno de estos tratamientos. Entre otras cosas, el principal error en el uso popular de estos términos es que se cree que ambos están directamente relacionados, o que uno afecta al otro necesariamente. Esto no es así ya que si bien tienen una cierta relación, esta es bastante fina e incluso puede llegar a ser imperceptible. Para entender mejor las diferencias entre los dos conceptos, pasemos a diseccionar cada uno de ellos: INSONORIZACIÓN (AISLAMIENTO ACÚSTICO): Entendemos por insonorización o aislamiento acústico a la protección de un recinto contra la penetración de sonidos o ruidos que interfieran la actividad que se desea realizar dentro, o bien para evitar que altos niveles de presión sonora generados en el interior puedan salir al exterior o pasar a terceros recintos en que no son deseables, causando así molestias a terceros. Lo primero a tener en cuenta es que las fuentes que originan estos ruidos pueden estar dentro o fuera del recinto que pretendemos aislar, y lógicamente el enfoque será diferente en cada uno de los casos como se verá más adelante. Así, lo primero que se debe establecer es la naturaleza de los ruidos que existan y los caminos de salida y entrada al recinto a través de sus superficies límite. Es de resaltar que el aislamiento acústico depende enormemente de las características materiales de las superficies límites del recinto, y de las características del ruido que deseamos aislar, básicamente de su distribución en frecuencia. SONORIZACIÓN (ACONDICIONAMIENTO ACUSTICO): Sonorizar una sala es tratarla y acondicionarla acústicamente para que la percepción del sonido en el interior de la misma sea lo mejor y más clara posible (dependiendo del tipo de sala que estemos diseñando, ya que no buscamos el mismo tipo de sonido en una sala de conciertos que en un estudio de grabación por ejemplo). Cuando hablamos de sonorización nos estamos refiriendo realmente a acondicionamiento acústico. Este tipo de acondicionamiento se realiza exclusivamente en el interior de la sala, y es independiente del tratamiento de insonorización que haya sido aplicado previamente en la construcción del recinto en cuestión. 18 A veces también se usa el término acustizar. http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20Prop%20fis%20del%20ruido/Param%20que%20definen%20el%20ruido.htm#Nivel de presión sonora. Decibelios http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20Prop%20fis%20del%20ruido/Param%20que%20definen%20el%20ruido.htm#Nivel de presión sonora. Decibelios capítulo 2 - Diseño acústico del estudio de grabación 27 2.2 - INSONORIZACION (Aislamiento acústico) En primer lugar definiremos con claridad el concepto de insonorización o aislamiento acústico: "El aislamiento acústico permite disipar el ruido proveniente del exterior y que así, apenas sea percibido o hasta incluso dejar de hacerlo. Del mismo modo también es útil para que el ruido o los sonidos generados en el interior, no salgan con la misma intensidad hacia afuera o se disipen por completo"19 Son muchas las razones por las cuales, el proceso de aislar un espacio acústicamente es altamente importante y necesario, por ejemplo, las oficinas y sitios de trabajos en las grandes ciudades, donde la contaminación sonora puede convertirse en un verdadero problema, pueden llegar a verse invadidas por ruido exterior que termina por casi imposibilitar la realización de cualquier actividad de manera tranquila y cómoda. Por otra parte, tenemos las viviendas que por múltiples razones se ven afectadas por el ruido externo, así como también quienes desean que los sonidos producidos dentro de los hogares, se atenúen y no se propaguen intensamente hacia afuera. De este modo, también los estudios de grabación, de televisión, de radio y salas de ensayos para agrupaciones musicales consideran indispensable que sus espacios cuenten con los acondicionamientos acústicos pertinentes a sus necesidades, así como contar con las mejores alternativas para el aislamiento acústico. 19 Definición extraída de la web de la empresa AISLACUSTIC INGENIERÍA ACÚSTICA S.L. Fig. 20 - La insonorización se consigue empleando técnicas de construcción que optimicen la eficiencia en términos de aislación de los materiales. http://aislacustic.com/servicios/acondicionamiento-acustico/ http://aislacustic.com/ Análisis tecnológico de un estudio de grabación 2.2.1 - AISLAMIENTO - PRINCIPIOS FÍSICOS A la hora de construir el recinto que deseamos insonorizar, hay cinco factores importantes basados en una serie de principios físicos que debemos estudiar y poner en práctica para conseguir un aislamiento acústico óptimo: LA MASA Y LA DENSIDAD: El primer principio del aislamiento acústico se basa en la premisa de que a mayor masa y densidad (kg/m2), mayor será la resistencia a las ondas sonoras. Aumentando la densidad de la superficie conseguimos reducir la transmisión directa del sonido o ruido a través de dicho material, al producirse oscilaciones más débiles del elemento de separación, obteniendo de esta forma mejores niveles de atenuación en dicha superficie límite. El efecto de doblar la masa del cerramiento es un aumento de 6 dB del nivel de aislamiento acústico. Así para requerimientos elevados de aislamiento resulta impracticable emplear únicamente esta estrategia al obtenerse cerramientos excesivamente pesados. DESACOPLAMIENTO MECÁNICO: En la transmisión de un ruido desde una estancia emisora hasta otra receptora intervienen distintas vías o caminos de transmisión. "El principio del desacoplamiento mecánico se basa en inhibir la transmisión del sonido por las distintas vías o caminos mediante el empleo de soluciones constructivas multicapa y elementos auxiliares"20 20 Definición extraída del libro ACÚSTICA ARQUITECTÓNICA APLICADA, de Manuel Recuero López Fig.21 - Reducción en dB conseguida por desacoplamiento mecánico empleando planchas de yeso laminado capítulo 2 - Diseño acústico del estudio de grabación 29 Uno de los aspectos a tener en cuenta sobre el desacoplamiento mecánico es que es dependiente de la frecuencia de la onda sonora incidente, existiendo determinadas frecuencias (frecuencias de resonancia)21 a las que el aislamiento es prácticamente inexistente. El desacoplamiento mecánico es muy efectivo, pero deben tenerse en cuenta las frecuencias de resonancia en el diseño. ABSORCIÓN: Según el concepto de desacoplamiento mecánico estudiado en el apartado anterior, debemos valorar la opción de dejar huecos vacíos entre las distintas capas que formarán las paredes, el techo o el suelo del recinto a tratar. Pues bien, instalar una o varias capas de material absorbente en dicho espacio vacío aumentará la atenuación de la energía sonora que lo atraviesa. También es importante saber que el empleo de este tipo de materiales absorbentes disminuirá la frecuencia de resonancia del conjunto de elementos desacoplados mecánicamente, factor a tener en cuenta en el siguiente apartado. Otro aspecto importante a tener en cuenta sobre el empleo de materiales absorbentes es su pérdida de efectividad a bajas frecuencias (los sonidos graves son mucho más difíciles de atenuar que los agudos). 21 La frecuencia natural o de resonancia de un material es aquella en la cual el sistema posee una tendencia o facilidad para vibrar. Todo sistema posee una o varias frecuencias naturales de forma que al ser excitadas se producirá un aumento importante de vibración Fig. 22 - Corte de cristal acústico, empleado por ejemplo para separar la sala de control de la sala de grabación. Se aprecia la cámara de aire central. http://acusticarquitectonicaymedioambiental.blogspot.com/2009/03/materiales-absorbentes.html Análisis tecnológico de un estudio de grabación Ejemplo: En el exterior de una sala de fiestas, o de un coche cerrado no podremos oír las frecuencias agudas de la música que suena en el interior, pero si los golpes del bombo o el bajo, porque estas frecuencias bajas son mucho más difíciles de atenuar. Cabe señalar que el problema del aislamiento acústico no se resuelve únicamente empleando materiales absorbentes ni aumentando la densidad del material empleado. RESONANCIA: Este principio actúa en contra de los tres anteriores facilitando al sonido atravesar el cerramiento. A las frecuencias de resonancia del sistema, hasta un cerramiento bien desacoplado mecánicamente y con material absorbente en su interior vibra libremente facilitando el paso de la energía sonora. Donde: o K es la rigidez del material o m es la masa del material Las dos mejores estrategias para eliminar (o al menos minimizar) el fenómeno de la resonancia son: ATENUAR EL FENÓMENO DE RESONANCIA: El fenómeno natural de la resonancia puede ser atenuado empleando materiales compuestos a base de láminas viscoelásticas de alta densidad, reduciéndose la energía sonora transmitida a través del material. MOVER LA FRECUENCIA DE RESONANCIA: El contenido en frecuencia de los ruidos que se dan habitualmente en el interior de los edificios, o en el exterior si no estamos en zonas especialmente ruidosas22, no suele presentar frecuencias inferiores a los 100 Hz, por tanto se debe intentar que la frecuencia de resonancia de la superficie límite se reduzca a frecuencias lo más bajas posibles. Por otro lado, el oído humano es menos sensible en este rango de bajas frecuencias. 22 Entendemos por zonas ruidosas aquellas cercanas a aeropuertos, carreteras transitadas, obras o en general cualquiera sometida a un nivel de ruido fuera de lo común. Cálculo de la Frecuencia de Resonancia capítulo 2 - Diseño acústico del estudio de grabación 31 CONDUCCIÓN O TRANSMISIÓN POR FLANCOS: El último principio importante a tener en cuenta en el aislamiento acústico es la conducción. El ruido se transmite desde un recinto emisor a otros recintos receptores por caminos distintos al de la propia partición que los separa, es la conocida como transmisión por flancos o transmisiones indirectas. "La transmisión por flancos, consistente en vibraciones longitudinales elásticas de paredes no adyacentes y radiadas al recinto receptor por las paredes laterales al propagarse por el espesor de éstas. Cualquier sonido originado en el medio aéreo puede provocar vibraciones en la estructura que pueden ser transmitidas a otros recintos no adyacentes al emisor, siendo éste uno de los problemas más difíciles de controlar"23 Es por tanto fundamental entender que el propio campo acústico (o algún impacto o movimiento en la propia pared) puede poner en vibración a la estructura, y a partir de este momento la propagación se realiza hacia todo el edificio de forma estructural, resultando de poca ayuda el haber diseñado forjados de gran aislamiento. Podríamos decir que la transmisión estructural se "salta" los diseños realizados para controlar la transmisión vía aérea. En determinadas ocasiones la mejora de aislamiento acústico de una partición no se puede conseguir mediante el tratamiento del propio elemento separador, si no que la única vía es evitar las transmisiones indirectas. La única forma de evitar completamente la propagación de ruidos por conducción en un estudio de grabación es la construcción de "una sala dentro de la sala", de forma que las superficies separadoras de nuestra estancia no estén nunca en contacto con las paredes de la propia construcción, gracias al uso de tarimas flotantes, paneles de pladur y silentblocks24 en forma de soportes aislantes. 23 Def. extraída del Curso de Control y Prevención de la Contaminación Acústica, impartido por la Univ. de Vigo 24Un silentblock (bloque silencioso) es un bloque silencioso, antivibratorio, hecho de un material flexible o elastómero, que le permite absorber vibraciones y choques que involucran componentes mecánicos y la estructura sobre la que está apoyado. Al absorber los choques y las vibraciones elimina los ruidos, y el nombre de la pieza se relaciona con este aspecto. Fig. 23 - Transmisión por flancos, independiente del aislamiento que ofrezca la superficie límite https://es.wikipedia.org/wiki/Rigidez https://es.wikipedia.org/wiki/Elast%C3%B3mero https://es.wikipedia.org/wiki/Vibraci%C3%B3n https://lh4.googleusercontent.com/-E4xFqab6KqA/TYkh_D162GI/AAAAAAAAAgA/RaQrdM3kKVE/s1600/FlankingWall.gif Análisis tecnológico de un estudio de grabación OTROS ASPECTOS DE INTERÉS: Pero aparte de estos 5 principios físicos que acabamos de repasar hay una serie de detalles triviales que resultarán igual o más importantes a la hora de conseguir un correcto aislamiento acústico de nuestra sala, porque no tener en cuenta alguno de ellos podría arruinar nuestra insonorización, a pesar de haber construido un habitáculo teórica y físicamente perfecto: Transmisión a través de puertas y ventanas, por desajustes en el cierre o por haber colocado un elemento poco aislante acústicamente. Esta transmisión se realiza vía aérea. Aunque hayamos diseñado una pared muy aislante acústicamente, en una partición mixta25 el aislamiento resultante va a venir determinado por el elemento más débil, y no suele superar en 10 dB el valor de este elemento. De ahí la importancia de cuidar cada detalle e instalar siempre elementos acústicos diseñados para audio profesional (puertas acústicas, ventanas y cristales acústicos, etc.). Ejemplo: Si sobre una pared con un aislamiento aproximado de 45 dB se coloca una ventana cuyo
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