Introducción al sonido Qué es el sonido? Cómo y cuando se

Introducción al sonido
Tecnología del Audio y de la
Música
Master en Artes Digitales
octubre 2003
Sergi Jordà
sergi.jorda@iua.upf.es
http://www.iua.upf.es/~sergi
http://www.tecn.upf.es/~sjorda
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¿Qué es el sonido?
¿Cómo y cuando se produce?
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¿Cómo se caracteriza?
§ Frecuencia - altura
§ Timbre
§ Intensidad
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¿Qué son los sonidos “musicales”?
§ Frecuencia y altura
§ La octava y las notas
§ Los armónicos y el timbre
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La intensidad y los decibelios
Superposición de sonidos
¿Qué es el sonido analógico? – Transductores
¿Qué es el sonido eléctrico
Cómo y cuando se produce?
Qué es el sonido?
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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 0oC)
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Esta variación de presión debe oscilar de forma periódica
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Para que se perciba por el oído humano, la frecuencia de oscilación
debe estar aprox. Entre los 20 y los 20.000 Hz
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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
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…gesto rápido de brazo… batir de brazos… batir de alas de una
mosca…
Golpe o percusión
è sonidos cortos
Frotamiento (e.g. arco de violín) o excitación
periódica sostenida (e.g. instrumento viento)
è sonidos sostenidos
Altura / Frecuencia
Cómo se caracteriza?
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Es lo que caracteriza un sonido como “grave” (frecuencias bajas) o “agudo” (frecuencias
altas)
NB. Grave- agudo son conceptos relativos
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La altura es una magnitud psicoacústica relacionada con la frecuencia (que es una
magnitud física)
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Altura
Intensidad
Timbre
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la sensación de altura se vincula tradicionalmente a la frecuencia o
periodo de la fundamental
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la intensidad, al flujo de energía o amplitud de la presión de
oscilación de la onda
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el timbre, al espectro o proporción de intensidades de los armónicos
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§
Sintetizar y mostrar una onda sinusoidal en SForge
Hacer sonar y grabar una copa de cristal, e ir añadiéndole líqui d o
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…)
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Las Notas
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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
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…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!)
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A estas alturas definidas y cuantizadas se les llama notas
§ Instrumentos con alturas cuantizadas vs. alturas “libres”…
§ Glissandos (electrónico 2 oct), vibratos (x,++)…
Las Escalas y la Octava
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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, …
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Un fenómeno muy importante relacionado con la apreciación de las alturas, es el de
la octava
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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 encim a de uno de 220
Hz
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Esta idea de octava se repite en casi todas las culturas, a lo al rgo de la historia
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Por ello, la definición de escalas en épocas o culturas diferent es, a menudo se basa
en formas diferentes de subdividir la octava
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Hemos visto que no todos los sonidos tienen una altura definida
Lo tienen aquellos que guardan una cierta periodicidad
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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?
Escalas (Pitagórica y temperada)
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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 21/12 (1.05946). De esta
forma, al avanzar doce semitonos (una
octava), obtenemos un factor de (2 1/12)1 2 que
es efectivamente igual a 2.
Timbre
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è EL TIMBRE
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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
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Ondas Sinusoidales y Armónicos
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El sonido más simple es la onda sinusoidal
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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
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Estas ondas, de frecuencia múltiplo de la fundamental, se denomi nan
armónicos o parciales
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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 è 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
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Dado que por definición esta onda no tiene armónicos, su espectro
se verá como una línea horizontal
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Si la frecuencia de la onda variara, su espectro sería una línea con
una determinada curba…
Espectro de cualquier sonido
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Glissando de onda sinusoidal
(2 octavas : 110-1660 Hz)
Si un sonido es perfectamente estacionario, su espectro no variará
tampoco en el tiempo
è puede representarse mediante una “rebanada” (un instante del
espectro)
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Espectrogramas :
Interpretación
Espectro de un sonido variable
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
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Cuando un sonido se propaga, la presión del aire varía de forma periódica
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Hasta ahora hemos estudiado la frecuencia de esta variación; la intensidad está
relacionada con la amplitud de la variación
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La amplitud es la diferencia entre la presión máxima (o mínima) que se produce, y la
presión cuando no hay sonido
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La intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud
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El rango de intensidades sonoras que el oido humano es capaz de percibir es
inmenso, de varios millones de ordenes de magnitud
è 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
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Por ello, la intensidad se mide en una escala logarítmica, donde Io corresponde al
umbral de audici ón (o intensidad del mínimo sonido audible)
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Li es el nivel de intensidad, y se mide en decibelios (dB)
Li = 10 log
I
I0
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Niveles de intensidad : ejemplos
Intensidad : Ideas Intuitivas
Sonoridad
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Cuando sumamos dos sonidos iguales, la intensidad aumenta en 3
dB
§ 10 log (2I/I) = 10 log 2 = 3 dB
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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
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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) è Sonoridad
Grabación analógica del sonido
percepción de la intensidad en función de la frecuencia
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El micrófono convierte la variación de la presión de
aire ejercida sobre su membrana en una señal de
voltaje variable en el tiempo
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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
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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
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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
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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 2001.
§
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.
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