Introducción al sonido. Cómo y cuando se produce? Qué es el sonido? Altura / Frecuencia. Cómo se caracteriza? Tecnología del Audio y de la Música

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1 Tecnología del Audio y de la Música Master en Artes Digitales octubre 2003 Sergi Jordà sergi.jorda@iua.upf.es Introducción al sonido Qué es el sonido? Cómo y cuando se produce? Cómo se caracteriza? Frecuencia - altura Timbre Intensidad Qué son los sonidos musicales? Frecuencia y altura La octava y las notas Los armónicos y el timbre La intensidad y los decibelios Superposición de sonidos Qué es el sonido analógico? Transductores Qué es el sonido eléctrico Qué es el sonido? Una variación de presión que se propaga periódicamente en un medio elástico (aire, o cualquier otro gas, líquido o sólido) Lo que se propaga o desplaza no son las partículas sino la variación de presión Lo hace a una velocidad ~ 330 m/s (en el aire a 0 o C) Esta variación de presión debe oscilar de forma periódica Para que se perciba por el oído humano, la frecuencia de oscilación debe estar aprox. Entre los 20 y los Hz gesto rápido de brazo batir de brazos batir de alas de una mosca Cómo y cuando se produce? Un objeto o sistema entra en vibración Esta vibración se transmite a través de un medio (aire u otro ) Llega al oído Los objetos pueden entrar en vibración por diferentes causas Golpe o percusión sonidos cortos Frotamiento (e.g. arco de violín) o excitación periódica sostenida (e.g. instrumento viento) sonidos sostenidos Altura Intensidad Timbre Cómo se caracteriza? la sensación de altura se vincula tradicionalmente a la frecuencia o periodo de la fundamental la intensidad, al flujo de energía o amplitud de la presión de oscilación de la onda el timbre, al espectro o proporción de intensidades de los armónicos Altura / Frecuencia Es lo que caracteriza un sonido como grave (frecuencias bajas) o agudo (frecuencias altas) NB. Grave- agudo son conceptos relativos La altura es una magnitud psicoacústica relacionada con la frecuencia (que es una magnitud física) Sintetizar y mostrar una onda sinusoidal en SForge Hacer sonar y grabar una copa de cristal, e ir añadiéndole líqui do Hacer sonar y grabar una regla de plástico sujeta a la mesa Sintetizar y mostrar ruido blanco en SForge Conceptos de sonido puro, complejo, sonido de altura constanteo variable, intensidad constante o variable Sonidos sin altura definida, ruido.(fritura, torrente )

2 Las Notas Las Escalas y la Octava Hemos comentado que la mayoría de sonidos no tienen una altura definida Percusiones, la mayoría de los sonidos naturales (impactos, viento, mar, truenos, explosiones, animales ) Comparar estos animales: leopardo, gibones, grillos Además, otros que pudieran tenerla, en muchos casos no se preocupan por ello (voz hablada) Comentar estos sonidos: black&decker, foto, gargaras, lata Y sin embargo, las alturas definidas y encasilladas son funda mentales en la historia de la música occidental (tanto, que para muchos son inc luso sinónimo de música!) A estas alturas definidas y cuantizadas se les llama notas Instrumentos con alturas cuantizadas vs. alturas libres Glissandos (electrónico 2 oct), vibratos (x,++) Y a la colección de alturas ordenadas creciente o decrecientementey que guardan entre sí una determinada relación, se la llama escala A lo largo de la historia, diferentes culturas han construido diversas escalas, partiendo de criterios científicos más bien empíricos, otras vec es prácticos, Un fenómeno muy importante relacionado con la apreciación de las alturas, es el de la octava Si escuchamos dos sonidos cuyas frecuencias guardan una relación de 2:1 (por ejemplo 400 Hz y 200 Hz), nos sonarán cercanos. El motivo es que entre los dos dista exactamente una octava. Dado que cada vez que se dobla la frecuencia se sube una octava, un sonido de 880 Hz estará dos octavas por encima de uno de 220 Hz Esta idea de octava se repite en casi todas las culturas, a lo largo de la historia Por ello, la definición de escalas en épocas o culturas diferent es, a menudo se basa en formas diferentes de subdividir la octava Escalas (Pitagórica y temperada) Las escalas utilizadas en Occidente, derivan de los estudios de Pitágoras (s. VI a.c), basados en la idea de consonancia A grosso modo, la escala occidental, divide la octava en 12 notas, de las cuales se utilizan 7 Las relaciones exactas entre estas 12 notas o tonos (i.e. los intervalos) han variado a lo largo de los siglos Antes de J.S.Bach (siglo XVIII), la división de la octava se basaba en las teorías de Pitágoras, según la cual los intervalos formados por cada nota y la siguiente no eran siempre idénticos (escala Pitagórica) Para simplificar la construcción de instrumentos, en el siglo XVIII se decidió dividir la octava en doce partes iguales ( escala Temperada) Por ello, actualmente, la relación de frecuencias entre cualquier nota y la siguiente es siempre igual a 2 1/12 ( ). De esta forma, al avanzar doce semitonos (una octava), obtenemos un factor de (2 1/12 ) 12 que es efectivamente igual a 2. Timbre Hemos visto que no todos los sonidos tienen una altura definida Lo tienen aquellos que guardan una cierta periodicidad Pero que es lo que hace que dos sonidos con la misma altura (y por consiguiente con la misma periodicidad) pueden sonar tan diferentes? Qué es lo que distingue un DO de flauta de uno de violín o de saxo? EL TIMBRE Si observamos la representación temporal de un sonido, el timbre se relaciona con la forma de sus ciclos Intuitivamente, existe una relación entre la complejidad sonora del timbre y la complejidad visual del ciclo

3 Ondas Sinusoidales y Armónicos El sonido más simple es la onda sinusoidal El teorema de Fourier (s.xix) demuestra que cualquier onda periódica se puede entender como una suma de ondas sinusoidales de frecuencias diferentes, pero múltiplos de una frecuencia fundamental Estas ondas, de frecuencia múltiplo de la fundamental, se denomi nan armónicos o parciales Así pues, cualquier sonido estacionario se puede definir a partir de las amplitudes de sus armónicos, mientras que la frecuencia fundamental (de la que todo los restantes son multiplos) define precisamente la altura de la nota Pero los sonidos naturales no son nunca totalmente estacionarios Su forma varía en el tiempo la amplitud de sus respectivos arm ónicos varía también Esta variación de los armónicos en el tiempo, se denomina el espectro de un sonido Espectro de una onda sinusoidal Onda sinusoidal de frecuencia constante Dado que por definición estaondano tienearmónicos, su espectro se verá como unalíneahorizontal Si la frecuencia de la onda variara, suespectrosería unalínea con una determinada curba Espectro de cualquier sonido Glissando de onda sinusoidal (2 octavas : Hz) Si un sonido es perfectamenteestacionario, su espectro no variará tampoco en el tiempo puede representarse mediante una rebanada (un instante del espectro)

4 Espectro de un sonido variable Espectrogramas : Interpretación A partir de la visualización de un espectro podemos deducir bastante información de un sonido Que tipo de sonido debe corresponder al primer espectrograma? Escuchar Al segundo? Escuchar La Intensidad sonora Al estudiar el espectro, aparece implicitamente el concepto de intensidad, ya que lo que indica un espectrograma es la intensidad de cada uno de los diferentes armónicos o parciales. Tal como se aprecia en el gráfico, la intensidad se mide en db (decibelios ) Amplitud e intensidad Cuando un sonido se propaga, la presión del aire varía de forma periódica Hasta ahora hemos estudiado la frecuencia de esta variación; la intensidad está relacionada con la amplitud de la variación La amplitud es la diferencia entre la presión máxima (o mínima) que se produce, y la presión cuando no hay sonido La intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud El rango de intensidades sonoras que el oido humano es capaz de percibir es inmenso, de varios millones de ordenes de magnitud el sonido más intenso que somos capaces de escuchar puede ser varios millones de veces m ás intenso que el má s tenue que podemos discernir Por ello, la intensidad se mide en una escala logarítmica, donde Io corresponde al umbral de audici ón (o intensidad del mínimo sonido audible) Li es el nivel de intensidad, y se mide en decibelios (db) Li = 10 log I I 0

5 Niveles de intensidad : ejemplos Intensidad : Ideas Intuitivas Cuando sumamos dos sonidos iguales, la intensidad aumenta en 3 db 10 log (2I/I) = 10 log 2 = 3 db Cuando duplicamos la distancia a la fuente, la intensidad disminuye aprox. en 6 db Es decir si a 10 m oímos un saxo con una intensidad de 70 db, a 20 m lo oiremos con 63 db La intensidad es una medida física, pero nuestro para nuestro oído, la sensación de intensidad, varía en función de la frecuencia (es decir, 2 sonidos igual de intensos, tal vez no nos lo parezcan, dependiendo de la frecuencia) Sonoridad Sonoridad percepción de la intensidad en función de la frecuencia Grabación analógica del sonido El micrófono convierte la variación de la presión de aire ejercida sobre su membrana en una señal de voltaje variable en el tiempo La variación de este voltaje se puede grabar analógicamente utilizando diferentes tecnologías, sobre una cinta magnética o en los surcos de un disco de vinilo En el caso del disco de vinilo, por ejemplo, los surcos dibujan, sobre la espiral del disco, trayectorias que reproducen las formas (son una analogía) de la señal original Cuando deseamos reproducir el sonido, la señal eléctrica generada por el cabezal de la pletina o la aguja del tocadiscos se amplifica y envía a los altavoces, donde un nuevo transductor la convierte en un campo magnético capaz de desplazar y de hacer que oscilen (con las frecuencias originales) los conos de papel de los altavoces Material Complementario Principios de acústica, capítulo 1 del libro Guía Monográfica del Audio digital y MIDI, Sergi Jordà, Ediciones Anaya Multimedia, Madrid 1997 pdf del capítulo Download del libro completo en pdf.zip Acústica 1: Propietats del so (S. Jordà), apuntes de la asignatura de 1er. Curso, Fundamentos Físicos de la Informática, UPF (en catalán) Berenguer, J.M, M. Dalmases y S. Jordà, Sistemas acústicos y de tratamiento del sonido y del habla, Universitat Oberta de Catalunya, Barcelona Tema 1: Fundamentos de psicoacústica musical Tema 2: Conceptos musicales Pierce, John R. "Los sonidos de la música", Biblioteca Scientific American, Ed. Labor, Barcelona 1985.