elektroakustika apunteak 2007 - upv/ehupitágoras, escala cromática, escala diatónica...

http://bips.bi.ehu.es/users/imanol/akustika/ElektroAkustikaApunteak.pdf

• Curso 2004-2005

Electroacústica 1. Física del sonido (propagación y percepción) ......................................................2

1.1 Introducción...................................................................................................21.1.1 Variables físicas.....................................................................................3

1.2 Medida del sonido y unidades.......................................................................51.3 Generación del sonido: voz, instrumentos,... ................................................81.4 El Oído, enmascaramiento y bandas críticas ................................................9

1.4.1 Anatomía del oido ..................................................................................9Oído externo, medio, interno... .............................................................................9Propiedades y efectos del oído ..........................................................................101.4.2 Altura (tono) y frecuencia .....................................................................111.4.3 Sonoridad y Nivel de Sonoridad...........................................................11

1.5 Sonometría..................................................................................................122. Propagación en fluidos. Fuentes sonoras ..........................................................13

2.1 Ondas planas y esféricas............................................................................132.1.1 Ecuación de onda ................................................................................132.1.2 Solución de la ecuación de onda para el caso de ondas planas..........152.1.3 Solución de la ecuación de onda para el caso de ondas esféricas......152.1.4 Impedancia acústica específica ...........................................................172.1.5 Radiación de ondas acústicas .............................................................18

2.2 El doblete acústico y arrays ........................................................................212.3 El pistón en pantalla infinita.........................................................................212.4 Absorción sonora (2.4) ................................................................................22

3. Acústica de salas. 6 h ........................................................................................243.1 El sonido en recintos. Parámetro básicos ...................................................24

3.1.1 Tiempo de reverberación .....................................................................243.1.2 Resonancias ........................................................................................26

3.2 Inteligibilidad del habla y calidad del sonido ...............................................273.3 Criterios para el acondicionamiento y aislamiento acústico de una sala.....27

4. Transductores. El sistema altavoz. 10'5 h ..........................................................304.1 El altavoz electrodinámico...........................................................................334.2 Sistemas de radiación directa: Caja cerrada, Bass-Reflex, Activo-Pasivo..374.3 Sistemas de radiación a través de bocinas .................................................384.4 Otros tipos de altavoz. ................................................................................38

5. Transductores. Micrófonos. 7'5 h .......................................................................405.1 Características Básicas...............................................................................405.2 Tipos de micrófonos según su directividad .................................................415.3 Tipos de micrófonos según su tecnología ...................................................415.4 Técnicas de toma de sonido .......................................................................44

6. Grabación y reproducción del sonido. Audio digital............................................456.1 Antecedentes históricos ..............................................................................456.2 Señal analógica: cinta magnética................................................................466.3 Audio digital (DASH, DCC, CD, DAT, Mini-Disc, DVD) ...............................51

6.3.1 Codificación .........................................................................................586.3.2 Soportes físicos ...................................................................................596.3.3 Estándares...........................................................................................59


1. Física del sonido (propagación y percepción)

La electroacústica analiza la parte de la cadena en que el mensaje está en forma de ondas sonoras, los transductores entre ondas sonoras y señal eléctrica, la generación (voz, instrumentos) y recepción del sonido (oído) y en la parte eléctrica las técnicas específicas para señales de audio.

1.1 Introducción

Las ondas sonoras son vibraciones y variaciones de presión que se propagan en un medio elástico. Al contrario que las ondas electromagnéticas no se propagan en el vacío. En sólidos: transversales (el movimiento vibratorio es en dirección

perpendicular a la dirección de propagación de la onda), longitudinales (el movimiento vibratorio se produce en la dirección

de propagación). En fluidos: líquidos (típico ejemplo de la piedra al agua -onda transversal-) gases, lo normal aire (onda longitudinal). El sonido en el aire consiste en ondas longitudinales. El aire se mueve hacia delante y hacia atrás sucesivamente, pero no avanza, solo el sonido, la onda, la perturbación, la señal, la información, avanza. Si el aire avanzase se crearía el vacío junto al tambor. Ejemplo de las olas o el corcho que solo sube y baja en el agua donde hemos generado una onda tirando una piedra (aunque son ondas transversales). El sonido puede ser periódico o aperiódico, y si es periódico puede ser senoidal o compuesto. En cualquier caso se puede descomponer en una combinación de tonos puros (mediante Fourier) y como la alteración que provoca un tono no altera


Cuando hay rayos en una tormenta vemos el relámpago prácticamente al instante, pero el trueno lo oímos con retraso. Ello permite calcular la distancia al rayo (en km) = t (en seg.) / 3

Los murciélagos emiten y perciben ultrasonidos.

Artículo "Cómo se comunican a distancia los elefantes" en Mundo Científico nº 109 volumen 10, pags. 1376-1377.

Christian Huygens (14 de abril de 1629 - 8 de julio de 1695) fue un astrónomo, físico y matemático holandés, nacido en La Haya. Realizó importantes descubrimientos en el campo de la astronomía gracias a la invención de una nueva lente ocular para el telescopio, que mejoró su resolución y le permitió estudiar los anillos de Saturno y descubrir un satélite de ese planeta. Como físico formuló la primera teoría ondulatoria de la luz, partiendo del concepto de que cada punto luminoso de un frente de ondas puede considerarse una nueva fuente de ondas. También estudió detalladamente el movimiento del péndulo y la fuerza centrífuga y, en el terreno de las matemáticas, esbozó conceptos acerca de la derivada segunda. En honor suyo, la sonda de exploración de Titán —la mayor luna de Saturno— contruida por la ESA lleva su nombre (sonda Huygens).

significativamente las propiedades del medio se puede aplicar el principio de superposición. Por tanto por simplicidad estudiamos señales senoidales.

1.1.1 Variables físicas

Las variaciones de los parámetros físicos como presión y velocidad son cíclicas, periódicas. Periodo T es el tiempo entre dos instantes consecutivos en que se repiten los parámetros físicos. Frecuencia f es el número de repeticiones por segundo. f = 1/T ciclos/seg., Hz Velocidad del sonido c es la velocidad a la que se propaga la perturbación. En el aire a 0º C y 50% de humedad relativa c = 331'6 m/s

A temperatura de 20 ºC c = 343 m/s Longitud de onda λ es la distancia, en la dirección de propagación, entre dos puntos consecutivos en los que hay los mismos parámetros físicos. Coincide con la distancia recorrida por la onda en un periodo. λ = c·T = c/f La frecuencia puede ser muy baja: Presión barométrica, λ = 24 horas ==> f = 0'0000157 Hz ó muy alta: vibraciones atómicas, fonones en semiconductores.

Sonido 20 Hz - 20 KHz Rango audible por el oído humano. Ultrasonidos f > 20 KHz 1'658 cm Infrasonidos f < 20 Hz 16'58 m La electroacústica se dedica principalmente al sonido.

Principio de Huygens – cada punto de un frente de onda se puede considerar como la fuente de una nueva onda, la combinación aditiva y sustractiva de las nuevas ondas configura el nuevo frente de onda. Reflexión y refracción Las ondas acústicas se reflejan totalmente en los obstáculos rígidos que no vibran. Se reflejan parcialmente al cambiar de


medio, que vibra con mayor o menor "facilidad". En este caso la onda se transmite parcialmente, pero desviada, refractada. La variación progresiva de la temperatura y por tanto de la densidad del aire con la altura provoca una refracción continua que hace curvarse la trayectoria del sonido. La reflexión y refracción se interpretan mejor pensando en el sonido como rayos, aunque no es rigurosa-físicamente correcto es aplicable cuando el haz de ondas es muy direccional.


1.2 Medida del sonido y unidades

Intensidad Acústica, ≡ Rapidez promedio de flujo de energía a través de un área unitaria normal a la dirección de propagación [W/m2]

= <> = 1/T 0T

– presión instantánea. – velocidad instantánea de las moléculas.

Impedancia, = ρ0.

ρ – densidad. En ondas planas Presión, p = ρ0.c.u ==> I = ½ .P.U = ½ P2/ρ0.c ==> I = Pe

2/ρ0.c PWL definiendo la Presión efectiva, Pe = P/√2 igualmente definimos la Velocidad efectiva Ue = U/√2 Paralelismo acústica-electricidad Acústica Electricidad Intensidad Potencia Impedancia Impedancia Presión Tensión Velocidad Intensidad El rango de intensidades audibles por el oído humano está entre 10-12 W/m2 de sonidos casi imperceptibles y 10 W/m2 de sonidos que provocan dolor Es un rango muy grande, y además la percepción subjetiva que tenemos del volumen de un sonido es logarítmica, por lo que se define el Nivel de Intensidad, NI = 10⋅log(I/Iref) (Intensity Level, IL) En el aire se usa Iref = 10-12 W/m2 que es aproximadamente el umbral de audibilidad, la intensidad de un tono de 1000 Hz que es apenas percibido por una persona con audición normal. También se define en escala logarítmica el Nivel de Presión Sonora, NPS = 20⋅log(Pe/Pref) (Sound Pressure Level, SPL) En el aire se usa Pref = 20 µPa que es casi igual a la presión efectiva de la intensidad de referencia De esta forma se puede hablar indistintamente de decibelios de Nivel de Intensidad y de decibelios de Nivel de Presión Sonora, el valor numérico coincide.

!

"


0 dB

30

60

90

120

NPSref 20µPa

0 dB

30

60

90

120

NPSref 1µPa

0 dB

30

60

90

120

NPSref 1µbar

-26 dB 1µPa

1µbar 74 dB 100 dB

Al cambiar el nivel de referencia (20 µPa, 1 µPa, 1µbar) la linea-escala vertical de dB queda desplazada, el nuevo origen estará donde el nuevo nivel de referencia (Tabla 5.1 Kinsler) En el aire 10-12 W/m2 ≈ 20 µPa En el agua 1 µbar = 105 µPa ≈ 6’76⋅10-9 W/m2

20 µPa ≈ 2’70⋅10-16 W/m2

1 µPa ≈ 6’76⋅10-19 W/m2 20 µPa = 0’0002 µbar NPS re 1 µbar + 100 = NPS re 1 µPa

NPS re 0’0002 µbar - 74 = NPS re 1 µbar

NPS re 0’0002 µbar + 25 = NPS re 1 µPa


1.3 Generación del sonido: voz, instrumentos,...

Hay muchas formas de generación de sonido: instrumentos musicales voz animales viento, olas, ríos,... máquinas: motor, zumbador, hélice,... Instrumentos musicales de cuerda de viento de percusión Octava doble frecuencia Diferentes subdivisiones de notas: Pitágoras, escala cromática, escala diatónica (occidental), escala oriental ó pentatónica. Modos griegos: Escala Jónica, Dórica, Frigia, Lidia, Mixolidia, Locria Relaciones de fracciones entre notas usadas para afinar 9/8, 6/5, 5/4, 4/3, 3/2. Se construyó la escala musical temperada de 12 semitonos por octava con igual relación de frecuencias entre semitonos adyacentes f2 = 21/12⋅f1 = 1'0594631⋅f1 No resultan exactamente las mismas frecuencias que con las fracciones. El rango de frecuencias musicales es muy amplio. El LA central tiene 440Hz. El piano tiene 7 escalas + 4 notas (88 notas). La frecuencia fundamental del LA más bajo es de 27'5 Hz, cerca del límite inferior de audición, DO central 261 Hz, DO más agudo 4.186 Hz, sus armónicos llegan hasta límite de audición humano.


Voz de helio. Llenando la boca con helio la voz se vuelve aguda ya que la velocidad del sonido es mucho mayor.

Voz mecanismo de producción. 1- Fuente: - Onda periódica por vibración de cuerdas vocales, ó bien - Ruido producido en una constricción 2- Filtrado por el tracto vocal. Organos del sistema fonador --> Esquema/modelo de producción de la voz

1.4 El Oído, anatomía y funcionalidad

1.4.1 Anatomía del oído

Oído externo, medio, interno...

...membrana tectoria.

GENERADORde PULSOS

PULSOGLOTAL

G(z)

GENERADORde RUIDO

x

x

TRACTOVOCAL

V(z)

RADIACIÓNLABIOS

R(z)F0

AV

AUCOEFICIENTES

REFLEXIÓN

s(n)

EXCITACIÓNSONORA

EXCITACIÓNSORDA

GENERADORde

EXCITACIONES

TRACTOVOCAL

H(z)

u(n)

G(z) V(z) R(z)

GENERADORde PULSOS

PULSOGLOTAL

G(z)

GENERADORde RUIDO

x

x

TRACTOVOCAL

V(z)

RADIACIÓNLABIOS

R(z)F0

AV

AUCOEFICIENTES

REFLEXIÓN

s(n)

EXCITACIÓNSONORA

EXCITACIÓNSORDA

GENERADORde

EXCITACIONES

TRACTOVOCAL

H(z)

u(n)

G(z) V(z) R(z)


Propiedades y efectos del oído

Efecto estéreo Comparación con la vista, resolución frecuencial versus espacial Umbrales Umbral de audibilidad (Gráfica de curvas de igual sonoridad) Corrimiento temporal del umbral, CTU, por reflejo acústico. Se produce también algo en el otro oído. Corrimiento Permanente del umbral, CPU, por daño irreversible en las células pilosas del oído interno. Umbral de sensación Umbral de dolor Umbral diferencial, mínima diferencia de amplitud distinguible en un tono de amplitud variable. A 40 dB se distinguen 1-2 dB en frecuencias medias-extremas. Limen diferencial, mínima diferencia de frecuencias distinguible en tonos consecutivos. En torno a 0'2 % Curvas de igual sonoridad, indican el Nivel de Intensidad LI que debe tener un tono de cualquier frecuencia para que produzca la misma sensación subjetiva de Sonoridad. El Nivel de Sonoridad Ln se mide en fones (o fonios) y a cada nivel de sonoridad se le asigna como valor Ln el LI de un tono de 1 KHz. Es decir a 1KHz Ln = LI

GFDL v1.2

Fletcher-Munson (1930?), Robinson-Dadson (1956), ISO 226:2003


Amplitud de banda crítica Enmascaramiento simultaneo. Enmascaramiento temporal. Efectos cocleares no lineales: pulsaciones, tonos de combinación y armónicos auditivos Efectos de procesamiento no lineal: consonancia y la fundamental restituida

1.4.2 Altura (tono) y frecuencia

El tono que percibimos, agudo-grave, no coincide exactamente con la frecuencia. Para una frecuencia baja constante al aumentar la intensidad baja el tono, se percibe más grave, parece que baja la frecuencia.

1.4.3 Sonoridad y Nivel de Sonoridad

El nivel de sonoridad Ln, que hemos usado para comparar la sensibilidad del oído a diferentes frecuencias. no sirve directamente para comparar diferentes sonoridades entre si (60 fones no suenan el doble de fuerte que 30 fones). Para ello se define la Sonoridad N y su unidad el son (ó sonio) (2 sones se perciben el doble de sonoros que 1 y la mitad que 4).


Se define que N = 1 son equivale a Ln = 40 fones independientemente de la frecuencia. Aumentar 9 fones equivale aproximadamente a duplicar la sonoridad (digamos que se deshace el logaritmo). N = 0'046·10L

N/30

1.5 Sonometría

La medida del ruido preocupa en el último siglo. molestia interferencia con lenguaje --> accidentes pérdida de concentración nerviosismo --> stress, hipertensión dolor pérdida de audición ==> interesa medir Ponderación A -> respuesta del oído SPL<55dB B -> 55-85dB C-> más peso a bajas frecuencias <- para >85dB D-> aviones

=

Límite interior de viviendas:

Laeq 1 min Lamax Día 40 dBA 45 dBA Noche 30 dBA 35dBA


2. Propagación en fluidos. Fuentes sonoras

2.1 Ondas planas y esféricas

Sabemos que el sonido se propaga en forma de ondas. El cálculo de los parámetros de una onda en concreto suele ser muy difícil ya que influyen muchos factores: las características del fluido y la forma y la rigidez de la superficie que limita el fluido. Pero podemos resolver el problema para unos casos simplificados, que son una buena aproximación para muchos casos reales.

2.1.1 Ecuación de onda

Suponiendo: dV incluye muchas moléculas, pero mucho menor que la longitud de onda

acústica más corta, ≈1'6 cm. g no afecta ==> p0 y P0 Kte(r) (La variaciones de presión con la altura solo

tienen efecto apreciable con diferencias de altura muy grandes, mucho mayores que la longitud de onda acústica más larga, ≈16 m.

fluido homogéneo, isotrópico, perfectamente elástico/proceso casi adiabático no hay disipación --> viscosidad ni conducción de calor amplitud pequeña --> ∆P/P0 << 1 • Termodinámica, ecuación de estado para gas perfecto: PV = nRT

P = Presión instantánea en cualquier punto V = Volumen n = nº de moles R = Constante universal de los gases 8'315 J/(mol.ºK) T = Temperatura en grados Kelvin

--> P = ρrT ρ = Densidad instantánea en cualquier punto = M/V M = Masa r = Constante particular del gas = R/M

Proceso casi adiabático : intercambio insignificante de calor entre las partículas del fluido entropía casi constante. Ecuación de estado adiabático para un gas perfecto :

Po = Presión de equilibrio constante en el fluido P = Presión instantánea en cualquier punto ρo = Densidad de equilibrio constante del fluido ρ = Densidad instantánea en cualquier punto γ = Razón de calores específicos (a presión ó volumen kte.) =CP/CV

γ

ρρ

=


( )

∂∂=

∂∂ ρρ

( ) =∇+∂∂

ρρ

−∇=∂∂

ρ

• Ecuación de continuidad: " ".

in – out = ∆dentro

= Velocidad de partícula en la dirección x Teniendo en cuenta las 3 coordenadas :

= velocidad de partícula • 2ª ley de Newton: Suponiendo que no hay pérdidas por viscosidad y que la amplitúd acústica es pequeña ecuación de fuerza no viscosa:

= Sobrepresión ó presión acústica en cualquier punto Ecuación de onda en 3D, tridimensional:

∂∂=∇

La velocidad del sonido depende de la temperatura

!

" ===

∂∂= γργρ ρ

Potencial de velocidad Φ∇= Φ = Potencial de velocidad No hay flujo rotacional no hay capas de frontera, ondas cortantes, o turbulencia.

∂

∂+

ρρρ

!"#$# %


2.1.2 Solución de la ecuación de onda para el caso de ondas planas

3D --> 1D

#&''

Es decir, cualquier distribución de la presión cumple la ecuación de onda, con tal de que sea función de !', ó suma de funciones de ese tipo. Y lo único a lo que esta expresión condiciona es a que la “forma” de la distribución de la presión en el espacio se mantiene a lo largo del tiempo pero en distinta posición. Esa “forma de onda” avanza a velocidad &(&$ Expresión de y de para el caso particular (de utilidad general ya que cualquier forma de onda se puede reconstruir por sus componentes de Fourier) de ondas armónicas.

( ) ( )%&%& '( +− ⋅+⋅= ωω definiendo %≡ω)número de onda

( ) ( )

'

( %&%& ⋅

+= +− ωω

ρρ

Descomposición de Fourier, combinación de exponenciales complejas. Tubo de Kundt, para medir ondas estacionarias, y así la velocidad del sonido. Es un tubo cilíndrico de vidrio con arenilla dentro. En un extremo un pistón se hace vibrar con un tono puro. Si la frecuencia se ajusta a la longitud del tubo la onda reflejada sumada a la incidente se combina dando ondas estacionarias (( '), y la arena se acumula en los nodos de presión nula.

2.1.3 Solución de la ecuación de onda para el caso de ondas esféricas

Fuente esférica --> Simetría radial --> usamos coordenadas esféricas --> derivadas angulares nulas. Expresión de la Laplaciana (con solo derivadas parciales respecto a ). Cambio de variable () --> la misma forma que la ecuación de onda plana.

∂∂=

∂∂

$

$

$

∂∂=

∂∂+

∂∂

( ) ( )

∂∂=

∂∂


Solución general #&$'* &)⋅$ Concuerda con que la misma energía ( proporcional a ) se distribuye en un área creciente cuadráticamente con Intensidad acústica de una onda sonora es la rapidez promedio de flujo de energía a través de un área unitaria normal a General onda plana onda esférica Ecuación de onda

∂∂=∇

∂∂=

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂

Potencial de velocidad

∂Φ∂−= ρ ++ −=Φ

& ωρ

++ −=Φ &

ωρ

Presión ( )%&( −+ = ω ( )%&

( −

+ = ω

Velocidad Φ∇= ( )

( %&

*−

+ = ω

ρ ( )

(

%

& %&

* −+

−= ω

ρ

Impedancia acústica específica

= ρ±=

( )( )&%

%

% +

+=

ρ

Intensidad

=

ρ

++ =

+

ρθ

++ ==

Densidad de energía

+=

ρ

ρε

+

=ε

+

≈ε >>∀%


2.1.4 Impedancia acústica específica

Es la relación entre presión acústica en un medio y la velocidad de partícula

asociada.

=

La unidad MKS es Pa.s/m y también ray en honor de John William Strutt, Baron Rayleigh. Depende del medio y del tipo de onda. Para ondas planas ρ±= que es la impedancia característica del medio En general es compleja En onda plana presión y velocidad de partícula están en fase.

En onda esférica están desfasadas, ( )

( )&%%

% +

+=

ρ

con un desfase que depende de % (=2π/λ), cuantas longitudes caben en una circunferencia de radio λ. Comparamos la componente resistiva (real) y la reactiva (imaginaria) con un triángulo %,, Lejos del centro, la reactancia es muy pequeña, la impedancia es como en una onda plana ρ≈

%≈%- Cerca del centro predomina la reactancia. La intensidad

acústica transmitida

θ+ =+ es sólo una fracción de + .

Puesto que θ∝% es pequeño hace falta que +sea grande para que haya una onda de cierta intensidad. Esto es un problema cuando queremos generar sonido de baja frecuencia con fuentes pequeñas. La fuente debe hacer mucho esfuerzo para generar una presión que no da lugar ondas. ¿Y a donde va ese esfuerzo/energía? Se almacena en la reactancia y se devuelve en el siguiente semiciclo. Cuando y tienen el mismo signo la fuente cede energía, y cuando tienen signo contrario la recupera. A mayor reactancia mayor tiempo de y con signo contrario.¿Pero donde se almacena esa energía? (no hay bobinas ni condensadores ni es un circuito eléctrico). A la vez que el gas se mueve radialmente debe expandirse circunferencialmente para llenar toda la superficie de una esfera más grande, por lo que queda “descomprimido”. Al contraerse nuevamente la esfera el aire descomprimido colabora en ese esfuerzo por volver a la presión normal. Y en sentido contrario, cuando la esfera se comprime radialmente también queda menos superficie y por tanto se comprime el aire, que tenderá a volver a su presión original colaborando en reespandir la esfera. Las variaciones de presión radial se propagan en la onda esférica, pero las variaciones tangenciales no se propagan, son la reactancia. Este efecto es más acusado donde el radio es pequeño, ya que la variación relativa de superficie es grande para un mismo desplazamiento radial. A un altavoz pequeño le cuesta mucho emitir sonidos graves

&

%

√*%θ


2.1.5 Radiación de ondas acústicas

Radiación por una esfera pulsante La esfera pulsante es la fuente más simple (matemáticamente) para generar ondas acústicas. Por simetría se ve que genera ondas esféricas, y si es en el espacio libre

no hay reflexiones, solo onda de salida. ( ) ( )%&

( −= ω

Si la superficie de la esfera vibra con velocidad &+&ω

y si %++ <==> 2πa << λ (la esfera es pequeña respecto a λ )

entonces --> ( ) ( )%&%

+& −= ωρ

Para una misma + cuanto más pequeña es la esfera mucho más pequeña es la presión, ∝ Poder de fuente, Q El poder de una fuente de forma arbitraria, vibrando a una sola frecuencia, mide la rapidez con que desplaza un volumen de fluido

⋅=⋅.

& / *ω

En esfera pulsante /&,π+ Fuente simple – Sus dimensiones son mucho menores que λ Las fuentes simples con igual poder de fuente radian exactamente la misma energía y con la misma distribución espacial. Es decir, da igual que sea una fuente esférica o con otra forma, si es pequeña genera ondas esféricas, y basta el dato / para indicar su intensidad.

Esfera pulsante

%

%

+

+

/

,,

ρλ

ρπ

ρ

π=== Factor de reciprocidad de campo

libre En cualquier fuente simple:

Presión instantánea ( ) ( )%&

/%& −= ω

πρ

,

Presión pico

/

/%

λρ

πρ

,==

Intensidad acústica

-

=

/

λρ

Energía total

=Πλ

ρπ /

Principio de reciprocidad acústica Si se intercambian las posiciones de una pequeña fuente y un pequeño receptor la señal recibida será la misma [Dem. Th. Green ]

( ) *.

=⋅− .

En una fuente simple (pequeña en comparación con λ) la presión originada por la otra fuente es la misma en todos los puntos de la superficie (si están separadas).


==> ='.(.

.

.

*

*

==>/)&/)

Rayos En muchos casos es cómodo pensar que el sonido se propaga en forma de rayos (líneas perpendiculares a los frentes de onda). Aunque esa descripción no es la exacta que define la ecuación de onda, en ciertos casos es una buena aproximación. Fuente simple sobre frontera plana rígida (pantalla acústica) La pared es rígida * =⋅

Reflexión completa &&&(&⋅

La presión es doble que sin pantalla ( ) ( )%&

/%& −= ω

πρ

La intensidad 4 veces mayor

== ++

/

λρ

ρ

La potencia total se calcula integrando la intensidad sobre toda la superficie, un

hemisferio .....

=Π

/

λπρ doble que sin pantalla. Porque el mismo poder de

fuente, la misma velocidad, actúa sobre un campo de presión doble (le estamos pidiendo más energía al altavoz, ó se quema ó seguramente dará menos velocidad). Radiación dipolar Doblete acústico ó dipolo, dos fuentes simples cercanas emitiendo la misma onda en contrafase. Es un caso simple en que no hay simetría esférica, la fuente no es omnidireccional, y para definir la direccionalidad definimos algunos parámetros. Factor direccional H(θ,φ) Es el término de la expresión de la presión que depende del ángulo. Se normaliza para que tenga como máximo H=1 Hdipolo = senθ Patrón de emisión Variación del nivel de intensidad con el ángulo b(θ,φ) = 10log[I(r,θ,φ)/Iax(r)] = 20logH(θ,φ) Amplitud de emisión Amplitúd angular en que el patrón de emisión está por encima de cierto nivel. Hay que indicar cual, ya que se usan varios: H 0'5, 0'25, 0'1 <> b -> -3 dB, -6 dB, -10 dB Nivel de Fuente Nivel de "Presión Axial" a 1 metro. No necesariamente la que hay realmente sino la extrapolada de la curva lejana. Directividad Mide la capacidad de dirigir/concentrar el sonido en una dirección determinada.


Es el inverso del promedio de H2

Ω=

0

πθ

π

,

,

Indice de Directividad ID = 10logD


1

0H θ( )

θ

/

0

-

,

.-

./

.,

.

2.2 El doblete acústico y arrays

Doblete acústico ó dipolo, dos fuentes simples cercanas emitiendo la misma onda en contrafase. Un altavoz abierto se puede modelar de esa forma (como primera aproximación). [Se calcula p como suma de la p de las dos fuentes, se simplifica al estudiar solo el campo lejano –trayectorias paralelas-, y también al suponer que las fuentes están cerca entre si]. Factor direccional = H(θ,ϕ) = sen θ ...

Ariketa: ¿Directividad de un doblete acústico? ,,

,

≅=

Ω= πθ

π

π

0

ID = 10logD = 1’038 Amplitud de emisión a 3, 6 y 10 dB --> 30º, 151º, 168º Array lineal de N fuentes Tenemos N fuentes separadas uniformemente, que emiten el mismo sonido, en fase. [Se calcula p como suma de la p de las N fuentes, se simplifica al estudiar solo el campo lejano –trayectorias paralelas-]. La emisión es máxima en algunos ángulos y nula en otros (ángulos que depende de la frecuencia). Retrasando, desfasando las fuentes podemos variar la direccionalidad. Si retrasamos justo lo que tarda la onda en llegar a la siguiente fuente tenemos un Array de disparo en el extremo Teorema del producto En campo lejano los rayos son prácticamente paralelos, y por ello: Un array de fuentes direccionales combina las direccionalidades. El factor direccional del conjunto es el producto del factor direccional del array, 1, por el de la fuente direccional, 1. ( ) ( ) ( )θφθφθ 11 ⋅⋅=

2.3 El pistón en pantalla infinita

Es un pistón plano circular vibrando uniformemente y colocado al ras con una pantalla plana infinita (para aislar la presión generada por el reverso del pistón). Es el tipo de situación que se da en el extremo de un tubo de órgano, y también en un altavoz convencional. Estudiamos el campo de presión generado cuando la superficie del pistón se mueve con velocidad +2⋅&ω Cada punto del pistón se puede considerar una fuente simple de poder de fuente / +2⋅ . En cualquier fuente simple la presión instantánea es (ver 2.1.5) :


1

0H θ( )

θ

/

0

-

,

.-

./

.,

.

( ) ( )%&

/%& −= ω

πρ

, y si está sobre pantalla infinita el doble.

Sumando la contribución de todos los puntos del pistón:

( )( )

−

=.

%&

.

%&

ω

πρθ

Interpretación Bessel Presión axial.

2.4 Absorción sonora (2.4)

Al plantear la ecuación de onda supusimos que no había disipación. Pero hay -> pérdidas en el medio. pérdidas viscosas (rozamiento entre moléculas) pérdidas por conducción de calor (en la curva P-V el camino de ida y el de vuelta

son distintos, el área encerrada son las pérdidas). pérdidas por intercambios moleculares de energía, vibración, rotación, asociación

y disociación de iones (más importantes en líquidos -> pérdidas en las fronteras Se agrupan todas en torno al tiempo de relajación τ --> α=ω2τ/2c Se suele graficar α/f2 aumenta con la frecuencia. Para ondas planas en un medio con atenuación uniforme P=P0e-αxej(ωt-kx) =P0ejωte-(α+jk)x La amplitud pico de la presión decae exponencialmente con la distancia α nepers/metro <-- coeficiente de absorción ') <-- valor de pérdida (la pérdida de intensidad) Añaden atenuación las inhomogeneidades, niebla en el aire (evapocondensación y burbujas en agua (compresión descompresión) + dispersión (olas, peces, estelas de barcos). Absorción acústica en fluidos Gases .10-11 Np/m Argón 1’87 Helio 0’54 Oxígeno 1’92 Nitrógeno 1’64 Aire (seco) 1’37, α/f pico en 40 Hz Bióxido de carbono 1’40, α/f n 30 kHz Líquidos .10-15 Np.s2/m Glicerina 3000 Mercurio 5 Acetona 30 Agua 25 Agua de mar α/f pico en 1’2 kHz

y 136 kHz

1

0H θ( )

θ

/

0

-

,

.-

./

.,

.


El oído/cerebro discrimina sonidos separados > 100 ms. Repeticiones más rápidas se perciben como reverberación

3. Acústica de salas.

3.1 El sonido en recintos. Parámetro básicos

El sonido “rebota”, se refleja, en las paredes, suelo y techo. Parte de la onda incidente se absorbe y parte se refleja. Generalmente en una sala hay muchas reflexiones. Respuesta impulsional . Por ello:

La total es más grande que sólo la directa ~x10

La dirección es más homogénea/difusa.

Cuando cesa el sonido tarda en decaer

3.1.1 Tiempo de reverberación

Tiempo de reverberación, TR, es el tiempo requerido para que la presión sonora caiga 60 dB &/⋅ Depende del volumen y de la absorción de la sala. Una buena aproximación es la ecuación de Sabine (experimental, publicada en 1922) : 12&3⋅)(⋅&3/⋅)((con &,)45) & Volumen del recinto en ( = Absorción total en 34. (Como si fuera el área sin pared).

= sabin métrico = sabin inglés

Ariketa: clase de 5x3(alto)x15 absorción en las paredes 0’2, en techo y suelo 0’8 Calcular TR

∀

⋅=

( α


Fórmula de Norris y Eyring, 1930: ( )[ ]α−−⋅= .( [Gráfica MathCad SabineNorris.mcd]

Recinto vivo αααα =→⋅=→<< .( La fórmula (ambas) se basa en que el sonido está distribuido uniformemente ==> todas las superficies tienen la misma influencia, y tampoco discriminamos entre diferentes ángulos de incidencia. TR se puede variar --> V dificil, S y α posible, cambiando los materiales [Tabla de coeficientes de absorción] El señor Sabine midió cerca de 500 Hz, y es lo que se toma si no se dice nada. Pero para más detalle se estudian diferentes octavas, ya que la absorción de cada material depende de la frecuencia. El tiempo de reverberación influye en la calidad del sonido. Para voz conviene TR bajo, para evitar que unos fonemas interfieran con los siguientes. Para música es preferible TR alto, para dar un sonido más “lleno” (igual que suena “mejor” un acorde que una nota suelta, ó cantar a varias voces en lugar de a una). Mayor TR conlleva mayor intensidad, y por tanto ayuda cuando la fuente de sonido es débil. Características de un recinto Viveza – Mucha reverberación Intimidad – Sensación de estar en lugar pequeño. Primer sonido reflejado antes de 20 ms del directo. Crecimiento (fullnes) – Relación entre intensidad del sonido reflejado frente al directo. Claridad – Cuando hay poca intensidad reflejada Calidez - TR mayor para bajas frecuencias (bueno para música) Brillo - TR mayor para altas frecuencias (bueno para voz) Textura – al menos 5 reflexiones en 60 ms y luego decaimiento regular Mezcla (Blend)


3.1.2 Resonancias

Teníamos la solución de la ecuación de onda para ondas planas ( ) ( ) ( )%&%& +

+−

− ⋅+⋅= ωω que se puede interpretar como una onda que avanza más otra que retrocede (en el espacio libre desechábamos la reflejada, pero en un recinto si existe), pero si ambas son de igual amplitud P+ = P- = P también se puede interpretar como una onda estacionaria.

( ) ( ) &&%&%& % ωω ⋅=+⋅= − Si hay 2 paredes enfrentadas sin absorción la onda regresiva se refleja y se convierte en progresiva y viceversa. Si la pared es perfectamente rígida de longitud L y no hay excitación pueden permanecer indefinidamente las frecuencias que hagan que el aire no se mueva en

las paredes =⋅

=> =∂∂

-> sin kL = 0 => k = nπ/L n = 0,1,2,3,...

En la práctica hay pérdidas. Si hay una fuente de sonido la amplitud es mayor a la frecuencia de resonancia. En 3D: En una sala rectangular. Las mismas condiciones de frontera en las 6 paredes Lx, Ly, Lz, La ecuación de onda 3D Se resuelve por el método de variables separadas ###&5⋅⋅6⋅ 1&

&ω

( ) ( )

=⋅+ 5%

5

( ) ( )

=⋅+ %

con

==++

%%%%

ω

( ) ( )

=⋅+ 6%

6

(⋅%⋅%⋅%⋅&ω% π)% π) ##∈% π) Para cada combinación de valores de hay una frecuencia de resonancia que podemos calcular con la Fórmula de Rayleigh:

+

+

==

πω

son los modos propios de la sala.

∂

∂=∂

∂+∂

∂+∂

∂


3.2 Inteligibilidad del habla y calidad del sonido

3.3 Criterios para el acondicionamiento y aislamiento acústico de una sala

1º en el exterior 2º cubierta alrededor de la fuente se protege del ruido detrás y refleja la energía que se hubiera perdido por detrás y por encima 3º público en gradas no se apantallan los oidos de cada persona con la cabeza de la de delante y se protege del ruido posterior (si no es de mecanotubo :). 4º Recinto totalmente cerrado Aislamiento contra el ruido Para una protección total del ruido las paredes deben ser aislantes acústicos, hay que seleccionar materiales, espesores, etc. Teniendo en cuenta las frecuencias de los ruidos exteriores peores, evitando que las estructuras tengan frecuencias de resonancia marcadas (tipico de ventanas), quizá poniendo varias capas con diferente frecuencia de resonancia. Incluso se colocan las paredes sobre apoyos elásticos para que no se transmitan las vibraciones. Se trata de evitar el ruido exterior a la sala (incluyendo el que viene de otras partes del edificio). Tener en cuenta aparatos como aire acondicionado, luces,... El objetivo de evitar que pase sonido de la sala al exterior es similar pero la solución óptima puede ser distinta. 5º Lograr el TR deseado (y no eco, textura,...). Para las superficies elegir el material con la absorción adecuada. Añadir superficies absorbentes... 6º Lograr que la respuesta frecuencial sea plana, neutra, que la sala no coloree el espectro, que las resonancias sean bajas y uniformemente distribuidas. Dimensiones de la sala no múltiplo, paredes no paralelas y fragmentadas. 7º Que sea igual en cualquier punto de la sala. En zonas sin visión directa los sonidos agudos se atenúan más --> se pueden poner reflectores (nubes) Ley del primer frente, Si t2>3ms sabemos que es un rebote ya que esperamos ∆t≈0’6ms entre orejas. Si t2<3ms nos desvía la percepción estéreo (eso ocurre cerca de los bafles en tu salita). En auditorio grande en la zona de atrás puede parecer que el cantante está en el altavoz. Se corrige retardando la señal del altavoz al más de lo que tarda en llegar por el aire.


Mejoran el sonido de la megafonía en las estaciones subterráneas [Bilbao] Fuente: deia.com 28-3-2004

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4. What is Ambisonic Surround Sound? ==================================== Ambisonic Surround Sound is a set of techniques, developed in the 1970s, for the recording, studio processing and reproduction of the complete sound field experienced during the original performance. Ambisonic technology does this by decomposing the directionality of the sound field into spherical harmonic components, termed W, X, Y and Z. The Ambisonic approach is to use all speakers to cooperatively recreate these directional components. That is to say, speakers to the rear of the listener help localise sounds in front of the listener, and vice versa. Ambisonic technology is based on a meta-theory (a theory of theories) of sound localisation developed by the late Michael A Gerzon when he was with the Mathematical Institute, University of Oxford (see the Gerzon 1992a reference). Ambisonic decoder design aims to satisfy simultaneously and consistently as many as possible of the mechanisms used by the ear/brain to localise sounds. The Gerzon theory takes account of non-central as well as central listening positions. In an Ambisonic decoder the spherical harmonic direction signals,W, X, Y and Z, are passed through a set of shelf filters which have different gains at low and high frequencies designed to match different ways the ear/brain localises sounds. (The different localisation mechanisms operate below and above about 700 Hz.) The speaker feeds are then derived by passing the outputs from the shelf filters through a simple amplitude matrix. An important aspect of Ambisonic decoder technology is that it is only at this final stage of processing that the number and layout of speakers is considered. The listening area for Ambisonic Surround Sound is comparable with that for conventional stereo, but larger.


4. Transductores. El sistema altavoz

El transductor electroacústico transforma una señal eléctrica en señal acústica y/o viceversa. Por ejemplo el transductor electrodinámico: Emisor Altavoz

una corriente eléctrica en un campo magnético provoca una fuerza sobre el conductor ==> movimiento, vibración, sonido.

Receptor Micrófono

El movimiento de un conductor en un campo magnético provoca una corriente eléctrica por el conductor.

Englobamos ambos bajo el nombre Transductor (transforman la expresión física de la señal además de que la conducen) porque parte del análisis teórico es similar en ambos casos, y además en muchos casos son reversibles.

El transductor como cuadripolo. V = voltaje en la entrada eléctrica del transductor I = corriente en la entrada eléctrica del transductor F = fuerza en la superficie radiante u = velocidad de la superficie radiante Considerando a la fuerza como el análogo del voltaje y la velocidad como el análogo de la corriente. ZE=ZEB=V/I|u=0=Impedancia eléctrica bloqueada, (Ω) ZM=Zmo=F/u|I=0=Impedancia mecánica de circuito abierto (N⋅ s/m) V=ZEI+Temu F=TmeI+ZMu

( )

++=

++=

+=

7

7

8

66

66

6

• Si el transductor es electrodinámico Ley de Faraday: Un conductor dentro de un campo magnético B por el que pasa una corriente i0 sufre una fuerza f0 f0 = Bli0 Y si un conductor dentro de un campo magnético B se mueve con velocidad u0 aparece entre sus extremos un campo eléctrico e0 e0 = Blu0

- Para transmitir una señal de audio no es imprescindible transformarla en señal eléctrica. El “teléfono” de dos botes y cuerda usa transductores electromecánicos. Se transmite la señal mecánica (ó se transmite la señal acústica por otro medio, tras adaptar la impedancia). - En los barcos se transmite directamente la señal acústica a través de tubos, sin ninguna transformación. - El Almuédano llama a la oración 5 veces al día desde el Alminar - Campanario, Tambores, Cuerno, Alboka, ... - Martillo para estudios geotécnicos.

9

Transductor


B = densidad de campo magnético Wever/m2

l = longitud efectiva del hilo

=

6 siendo

+−=

7

8

66'

'66 matriz de impedancias (eléctricas y/ó

mecánicas)

++−=

+=

7

8

66'

'6

de aquí calculamos la impedancia electrica total ZET

'6

'6

6 8

8

8 +=+

==

7

7

66

'

66

'

+=

+

=

( )

7

8866

'66

++=

Impedancia electrica total = Z electrica + Z mocional Z mocional = inverso de (Z mecánica + Z de radiación) * efecto del transformador

mecano-eléctrico Las impedancias Z son complejas en general. El transductor es inversor de impedancias L C R 1/R • Transductor electrostático, piezoeléctrico y de condensador. f0 = τ⋅q una carga q provoca una fuerza f0 e0 = -τ⋅ξ un desplazamiento ξ provoca un campo eléctrico e0 e tensión, ξ desplazamiento, q carga, f fuerza, con u=0, lado mecánico bloqueado, τ coeficiente da acoplamiento Nw/Cb ó V/m para seguir usando v, i, f y u aplicamos: u = dξ/dt = jωξ i = dq/dt = jωq e0 = -τ⋅u/jω f0 = τ⋅i/jω

+−−

=7

8

66&

&66

ωτωτ

)

)

Transductor mecano-acústico El movimiento mecánico generado se transforma en sonido al mover el fluido. El poder de fuente Q es mayor cuanto mayor masa de aire se mueva, además es más fácil de mover que las piezas mecánicas solidas se usa un diafragma, pistón de superfice S. En el caso de usar el transductor como micrófono conviene aprovechar, mediante un diafragma, el movimiento de cierta cantidad de aire para lograr una fuerza mecánica apreciable. f = S⋅p U = S⋅u


El transductor completo se modela como la conexión en cascada del transductor electro-mecánico y el transductor mecano-acústico


4.1 El altavoz electrodinámico

Consiste en / se compone de: una bobina móvil por donde se hace circular la corriente con la señal a

reproducir, un imán para crear un campo magnético en la zona donde esta la bobina

móvil. El campo magnético debe ser intenso, cada vez se desarrollan materiales magnéticos más potentes (ticonal=titanio-cobalto-níquel-aluminio, alnico=acero-aluminio-níquel-cobalto; neodimio), a veces también se usa un electroimán.

Un diafragma y/o domo unido a la bobina para mover una cantidad considerable de aire. Suspensión / sujección interna y externa del diafragma para evitar

movimientos laterales y dar la elasticidad deseada Carcasa rígida que se fijará para que se muevan solo la bobina y el

diafragma.

Rendimiento, eficiencia a corriente constante ( )7:7

;;;

;

++Φ=

)η

Zonas A B C D y E en la Figura 14.13 Zona A, baja frecuencia 12 dB/oct ∝ 4 domina la impedancia mecánica Zona B, pico, frecuencia de resonancia, reactancia nula, solo hay amortiguamiento resistivo (eléctrico y mecánico). Zona C, impedancia casi uniforme con la frecuencia Zona D, -12 dB/oct ∝ 1/4 (la directividad compensa en el eje esa caída ∝ 1/2 )

7 66 +

( ) ( )&%%

% +

+=

ρ

Impedancia acústica específica en onda esférica

Impedancia mecánica, módulo y fase ψ

2 ω . I

ω

ψ "

ω .

2


Zona E, controlado por la masa En la gama central de frecuencias predomina la componente resistiva debida sobre todo a la resistencia de la bobina móvil. Por eso se suele tomar un valor algo mayor de ese (5 Ω en la figura 14.13e) como impedancia nominal. Los altavoces más habituales tienen 8 Ω. Los de más potencia 4 Ω Los auriculares 16 ó 32 Ω

( )

7

866

'6

+=

( )

7

8866

'66

++=


Características de los altavoces Respuesta frecuencial, Impedancia, Directividad, Factor direccional, Patrón de emisión, diagrama polar Sensibilidad Potencia nominal, máxima salida Tamaño, Peso, Precio, $ Distorsión, THD Total Harmonic Distortion Detalles: Imán: densidad de flujo, Bobina: inductancia, resistividad, Diafragma: área, masa, desplazamiento, Suspensión mecánica: compliancia, amortiguación, Sensibilidad, eficiencia La sensibilidad mide "lo sensible" que es un altavoz a la señal eléctrica. El valor se da en dB de intensidad acústica a 1 metro de distancia en el eje cuando la señal de entrada tiene 2'83 Vef

En los altavoces habituales de 8 Ω la potencia de entrada en ese caso es de 1 W P = V2/R = 2'832/8 ≅ 1 W Ejemplo: Si aplicando un tono de 9 V a un altavoz obtengo 96dB a 1 metro de distancia, ¿Cuál es su sensibilidad? Respuesta: (9V/2'83V)2 = 81/8 ≅ 10 La potencia es 10 veces mayor que la "nominal" ==> Al aplicar la nominal para la definición 96dB-10log10=86dB Altavoces de graves vs de agudos Grande: gran masa, “lento”. Gran superficie, directivo a ↑ Pequeño: poca superfice, reactivo a ↓ Woofer para bajos, Tweeter para agudos. Squeaker medios, Suboofer extrabajos. Filtros de cruce, crossover Rarezas: - Diafragma dividido-acoplado --~-- Biflex, Altec Lansing 1950, US Patent 4, 146.756 - Cono Whizzer Distorsión Por alinealidades, sobre todo a grandes amplitudes. Mucho desplazamiento de la bobina puede sacarla de la zona de campo magnético uniforme. Solución rara: Bobina extralarga. Se suele dar la THD como % de )ID9

Marcas de altavoces AKG ATC (Inglaterra) Audio Physic (Alemania) Bose (USA) Boston Acoustics (USA) B&W (Inglaterra) Brüel & Kjær Castle Acoustics (Inglaterra) Celestion (Inglaterra) Clarion Dynaudio (Dinamarca) Genius Harbeth (Inglaterra) Heybrook (Inglaterra) Infinity (USA) Jamo (Dinamarca) JBL (USA) JM Labs (Francia) Kef (Inglaterra) Kenwood Linn (Escocia) Marantz Martin Logan (USA) Merlin (USA) Mirage (Canadá) Mission (Inglaterra) MM Gear Monitor Audio (USA) Opera (Italia) Philips Polk Audio (USA) ProAc (Inglaterra) Revel (USA) Rimax Rockport Technologies (USA) Ruark (Inglaterra) Sennheiser Sonus Faber (Italia) Sony Soyntec Spendor (Inglaterra) Tannoy (Inglaterra) TDL (Inglaterra) Thiel Audio (USA) Thrustmaster Vienna Acoustics (Austria) Vision Acoustique (Francia) Wilson Audio (USA) Fuente:http://club.telepolis.com/adrodriguez/marcas.html y +


Modos resonantes del diafragma, cual gong ó platillo de orquesta. AkAbak: programa de simulación de redes electro-mecano-acústicas


Sistemas de radiación directa: Caja cerrada, Bass-Reflex, Activo-Pasivo El altavoz sin pantalla actúa como dipolo, fuente simple.ka.cosθ

Para aislar la emisión posterior Altavoz en pantalla plana: Idealmente infinita, ó su equivalente pared o techo. Cuando es finita debe ser lo bastante grande para que la radiación trasera que sale hacia delante no lo haga en contrafase. A baja frecuencia harían falta pantallas muy grandes. Descentrando el altavoz en la pantalla se compensa un poco el defecto (no ocurre simultáneamente por todos lados).

Caja abierta por detrás. Los receptores de radio y de TV suelen tener esta configuración. Efecto parecido a una pantalla plana algo más grande, pero con resonancia (100-200Hz). Sólo si está por debajo de la frecuencia de resonancia del altavoz(lo cual es poco habitual ya que requiere caja grande) mejora la respuesta del altavoz.

Caja cerrada. Efecto parecido a fuente simple, y parecido a pantalla infinita en que solo se radia por una cara. Requiere una construcción rígida para minimizar las resonancias mecánicas de las paredes. Las resonancias del recinto también afectan a la respuesta en frecuencia. Para reducir este efecto se tapan las paredes interiores, o todo el volumen, con materiales absorbentes. El aire hace de muelle, y en baja frecuencia que hace falta poca rigidez su efecto es significativo, asi que se puede compensar utilizando

un altavoz de menor rigidez. 5

+=ω

Se tapan las paredes interiores, o todo el volumen, con materiales absorbentes.

Caja abierta. Al final de un laberinto.

Isobarik. Para evitar ese efecto muelle se divide el recinto en dos partes separadas por un altavoz sincronizado con el principal, de forma que el volumen que este “percibe” es constante.

Caja abierta. Al final de un laberinto.

Bass-Reflex. Refleja-bajos, inversor de fase. La abertura esta sintonizada (ajustando la estrechez y longitud de la abertura) a una frecuencia algo menor al límite inferior del altavoz.


4.2 Sistemas de radiación a través de bocinas

Adaptador de impedancias. Evitan la alta reactancia de las fuentes pequeñas para los sonidos graves. Se plantea la ecuación de onda, suponiendo que tenemos en cada avance diferencial una onda plana. d2p/dt2=c2d/dx(1/s.d(sp)/dx) Para el caso de bocina exponencial S=S0.emx ... p=e-alfa.x.(p1ej(wt-beta.x)+ p2ej(wt+beta.x)) con alfa=m/2 --> se reduce la amplitud no por pérdidas sino por el ensanchamiento; y beta=raiz(k2-m2/4) --> ya no es (wt-k.x) --> c=w/k sino que hay una velocidad de fase c’=w/beta que es función de la frecuencia --> dispersión

4.3 Otros tipos de altavoz.

electrostático Cargas eléctricas de distinto signo se atraen, de igual signo se repelen.. Otros magnéticos:

de película, para que la presión de Faraday se ejerza directamente sobre el diafragma. Trapezoidal De cinta, al ser estrecha permite campo magnético más potente. Se ponen varias en paralelo ajustadas a distintas frecuencias.

Heil, Transformador de Movimiento del Aire. Piezoeléctrico: se usan para agudos (por la rigidez, poca inercia), incluso para ultrasonidos. Sal de Rochelle, ceramicas (Titanato de bario), polímeros (Fluoruro de polyvinylidin, PVF). Efecto 10 veces mayor que el cuarzo. Típicamente con cono; los polímeros permiten (facilitan) hacer fuente cilíndrica. De arco eléctrico, de plasma Magnetoestrictivo: un material se comprime y expande al variar el campo magnético. El nuevo material Terfenol genera presiones 20 veces mayores que los materiales tradicionales, y entre 2 y 5 verces mayores


que los materiales piezoeléctricos http://www.terfenoltruth.com/basics/ De panel . Altavoz de modos distribuidos. Directividad, menos directivo que el pistón. Decaimiento con la distancia menos lento que 1/r2

Rendimiento igual al dinámico. Excursión pequeña. Impedancia resistiva


5. Transductores. Micrófonos.

Son transductores que convierten señal acústica en señal eléctrica.

5.1 Características Básicas

Sensibilidad HM = |e| / |p| ó en dBs HM(dB) = 20.log(|e|/|p|) = HM(dB) = 20.log(HM / Href) Href = 1V/Pa También se suele dar en mV/µbar ó en dBs referidos a1V/µbar

Cociente de la tensión en voltios en circuito abierto en bornas de micrófono entre la presión sonora que la produce. Se suele dar a 250 Hz ó a 1 KHz según fabricantes

Directividad D = Sensibilidad Máxima / Sensibilidad promedio Factor direccional Patrón de emisión Respuesta en frecuencias

Impedancia Nivel de ruido Margen dinámico Distorsión, TDH = Distorsión armónica Total Comportamiento ante humedad, campos magnéticos, vibración, presión ambiental, temperatura, sol,...


;≈Ω

<⋅

8

5.2 Tipos de micrófonos según su directividad

De presión – omnidireccional De velocidad – bidireccional

Cardioide – F = a.1/2.(1+cosφ)

Hipercardioide – F = a.1/2.(1+3.cosφ) Supercaridoide – F = a.(0’37+0’63.cosφ) [Ref: Clemente Tribaldos, Sonido profesional, 2ªEd. Paraninfo, 1993]

Parabola Array de disparo en el extremo Matriz Interferometría laser

5.3 Tipos de micrófonos según su tecnología

Carbón Una cavidad con granulos de carbón (grafito ó antracita) que son comprimidos por el desplazamiento de un vástago unido al diafragma. La resistencia del carbón varía en función de la compresión. No genera energía, se aplica una tensión para que la corriente que circula varíe en función de la variación de resistencia. Bajo costo. Durabilidad. Baja fidelidad.

La resistencia depende del desplazamiento;&;'<⋅&ωLa corriente tiene el término de continua más la señal

( )

;

<

;

<

;

8;<

<;

8 +=

+++−=

<<

+=

...

ωωω

Es como si hubiera una fuente de tensión


;

8

;

<8; ω

−==

Dinámicos: Cinta F=B⋅I⋅L Cinta metálica vertical arrugada dentro de un campo magnético. De velocidad. Frágil Muy usados en los años 50. Cinta impresa, espiral de aluminio dentro de diafragma de poliéster entre 4 imanes toroidales.

Bobina movil F=B⋅I⋅L Misma estructura que un altavoz electrodinámico, hasta el punto de que son reversibles, un micrófono de bobina móvil se puede usar como altavoz y un altavoz electrodinámico como micrófono. Las diferencias vienen de que un micrófono es más pequeño (para medir el sonido en un solo punto) y conduce menos corriente (la que

lleva la energía obtenida del sonido). El diafragma es un casquete esférico de aluminio, plástico ó papel. Imán anillo circular, campo magnético radial. Bobina de hilo muy fino (no necesita soportar corriente y nos conviene poca masa) predominantemente resistiva a menos 1000 Hz. Resonancia de circuito abierto en los márgenes de audio. A pesar del hilo fino

tienen demasiada masa para que la resonancia este en frecuencias más altas que el audio, y aumentar la rigidez reduciría el desplazamiento y por tanto la sensibilidad. También aumentar la amortiguación reduciría la sensibilidad. La solución suelen ser circuitos acústicos con una antirresonancia para aplanar el pico (pero respuesta irregular). Masa elevada ==> mala respuesta en alta frecuencia (y ataques); sensible a vibración y golpeteo.


La bobina se comporta como antena captando ruido, se corrige con otra bobina fija arrollada al revés, bobina anti-hum. La sensibilidad suele ser baja -60/-80 dB re 1V/µbar Bajo coste; uso sencillo; robusto; salida de tensión de nivel medio; admite altos niveles de presión sin saturar; resistencia de salida baja, 10-100 ohmios ==> vale cable largo. Junto al micro se suele poner un transformador de relación 3:1 ó similar para elevar la tensión y adaptar la impedancia a la del cable (75 – 300 ohmios). Elevado margen dinámico, de 20 a 140 dB SPL Poco sensibles a humdead y temperatura Variedad de modelos. Algunos modelos direccionales y cardioide tienen 2 transductores, para bajas y para altas frecuencias con red de cruce (crossover). Magnético mide variación de reluctancia

Electrostáticos: Piezoeléctrico También reversible. Alta impedancia mecánica y mucha rigidez ==> bueno para agua y alta frecuencia --> sonar Condensador

Placa fija y placa móvil-diafragma de acero, aluminio, vidrio ó poliéster metalizado. Polarizado con tensión, al moverse el diafragma cambia la capacidad y se produce corriente.

C0 = ε.s/x0 = 27'8.a2/x0 pF s superficie, a es

el radio, εaire = 8'85.10-12F/m

En reposo C0 = ε.s/d

En funcionamiento C0 = ε.s/(d-ym) ym = desplazamiento promedio (analizando las vibraciones en la membrana

circular salen ecuaciones de Bessel que indican que a bajas frecuencias (ka<1) ym es independiente de la frecuencia.

Desarrollo Taylor y aproximo para pequeños desplazamientos y considero un tono. C = Co + Coyoejωt/d = Co + C1ejωt Ecuación de malla...Ecuación diferencial... Solución ec.dif. si Co << C1 i=EC1/C0... Características: Alta impedancia interna (decenas de picofaradios). Para adaptar a los cables blindados normales hay que amplificar junto a la cápsula. Se suele hacer con un FET (alta impedancia de entrada), antes con válvulas pero no con transistores. Por tanto requiere alimentación Calibración constante en el tiempo Requiere polarización (tensión de alimentación), se usa conexión fantasma


Electret Es un micrófono de condensador pero ya polarizado (con un material que tiene carga “fija”, invento “reciente”). Ello da gran comodidad porque evita la alimentación. Pero también da mejor resultado si se amplifica in situ, por lo que también vienen con FET incorporado que hay que alimentar. En los conectores Jack estéreo se puede-suele usar un canal para alimentar.

5.4 Técnicas de toma de sonido

Microfonos de Zona de Presión

Microfonos Lavalier Micrófonos inalámbricos Efecto de proximidad. Filtro anti-Pop. [Ariketak] [Practiquilla en olympus: - Comparar sensibilidad y ruido de fondo - Comparar respuesta en frecuencias de diferentes micros - Efecto de proximidad y Pop (grabar lo mismo de cerca y de lejos). ] Calibración por reciprocidad


6. Grabación y reproducción del sonido. Audio digital.

6.1 Antecedentes históricos

Grabación mecánica Grabación magnética 1807 T.Young, registró las vibraciones de los

sólidos. 1857 E.Scott, registro las vibraciones del aire

usando un diafragma. Fonogramas 1875 Graham Bell, Telegrafo 30-IV-1877 Charles Cros, poeta e investigador

francés, patenta la idea de aparato de reproducción mecánica de sonido.

4-XII-1877 John Kruesi, mecánico de Thomas Alva Edison, lo construye basado en un cilindro cera. El 19-II-1878 lo patenta, Fonógrafo. Grabación en profundidad.

-- Emil Berliner

trabajando en los laboratorios de Alexander Graham Bell, introdujo el disco horizontal.

18-V-1888 Emil Berliner, primera demostración de grabación lateral. Lo patentó con el nombre de Gramófono el 10-XII-1901. Fundó la National Gramophone Company.

1898 Primera compañía productora de discos. 1924 Se empiezan a usar micrófonos en grabación. 1927 Velocidad estándar 78 r.p.m. 1929 Se fundó la compañía de discos DECCA.

1880-88 Oberling Smith 1898-1900 Valdemar Poulsen,

Telegrafón. 1903 Kuret Stille con carretes de

cinta. 1928 1933 Alan Blumlien, de la EMI,

desarrolla el magnetofón estéreo

1960’ a principios de los 60: Cassette compacto


1947 CBS comercializa discos a 33 1/3 r.p.m. 1951-VII-31 Aparece el long-play 1957 RCA comercializa discos a 45 r.p.m. y Estéreo.

6.2 Señal analógica: cinta magnética

Caracteristicas H Campo magnético A/m Öersted H=µB B Densidad de flujo magnético ó inducción magnética Weber/m2 = Tesla (MKS) = 10 Gauss (CGS) Remanencia, inducción remanente. Coercitividad µ Permeabilidad magnética


Materiales magnéticos duros (para cinta) y blandos (para cabezal)

Material 1 γFe2O3 Óxido Férrico Gamma 200-350 CrO2 Dióxido de cromo 300-700 Fe Metal 1000 Co Cobalto 2100 Permalloy 0’05 Ferritas 0’05 Dominios. Causa de umbral cuando el campo no es suficiente para mover el dominio entero, de saturación cuando todos están orientados y de remanencia cuando no retornan a su posición original. Registro magnético con polarización en alterna Linealiza la relación 1$' (Es un efecto similar al que provocamos al agitar un plato al que hemos hechado harina para rebozar)

(A) solo campo alterno. (B) Campo alterno en un campo Hdc superpuesto Entrehierro 5 µm, espesor del recubrimiento 2'5-10 µm


Un periodo de un tono de frecuencia al grabarse en una cinta que avanza con velocidad abarca en la cinta un espacio de longitud λ = ) ya que ) ⋅ y por tanto la distancia que avanza en el tiempo = / en que el tono realiza un periodo es ⋅ )&λ En la reproducción el flujo magnético que atraviesa el cabezal será φ φ=π)λ> Pero el flujo no genera corriente, la genera la variación de flujo v ⋅ φ) v $φωωv $φωEs decir, la amplitúd de la señal eléctrica obtenida es proporcional a la frecuencia Tipo de cinta Velocidad (cm/s) Espesor del

recubrimiento (µm) Normas DIN, CCIR µs

Estudio alta calidad 76’2 25’4 35 Profesional 38.1 12’7 35 Doméstica A 19 70


Doméstica B 9'5 120 Cassette compacto 4’7 6’35 120

Limitación del magnetofón Hiss, lloro y centelleo, fluter,... fluctuación Causas de ruido En la grabación ó registro Ruido de Barkhausen, por la rotación a saltos de los dominios. Pérdidas por desmagnetización, 10-4 dB Pérdidas por interacción ---- \\\\ Pérdida por anchura final de la zona de registro, límite de banda alta frec. 10-20 dB Subpolarización,

polarización normal, sobrepolarización. Pérdida por separación (normalmente por suciedad). Menor nivel ==> mayor ruido (menor S/N) y por

ensanchamiento de la zona de registro limita las altas frecuencias (en grabación y en reproducción).

Reproducción Pérdida por separación Pérdida por espesor del recubrimiento magnético. Las capas cercanas influyen más, las más

profundas se cancelan Pérdida del entrehierro, longitúd finita. Cuando λ de la señal registrada es igual a la longitúd del

entrehierro las contribuciones al flujo de las dos semilongitudes de onda magnetizadas de modo opuesto se cancelan.

Pérdida de alineamiento, cuando el entrehierro de la cabeza reproductora no es paralelo al de la cabeza registradora. Es mayor a alta frecuencia. Es menor cuanto más estrecha sea la pista. Se suele poder ajustar la cabeza reproductora.

Pérdida en el núcleo de reproducción, por no absorber el núcleo todo el flujo disponible. La eficiencia, η, suele ser del 90%. Las corrientes de Foucault provocan pérdidas crecientes con la frecuencia (se puede diseñar con resonancia)

Efectos del tamaño del núcleo Efecto del ancho de pista finito

pérdida , diafonía, respuesta de los bordes laterales

Remanencia del nucleo, 40-300 gauss. Diafonía en cabeza multipista Tipo Número de pistas ancho total Estéreo ¼ de pulgada Sonido de estudio 4 ½ de pulgada 8 1 pulgada 16 ó 24 2 pulgadas Desgaste de las cabezas magnéticas, abrasivo, adhesivo, corrosivo, fatiga por tensión de contacto. Cinta Oxido ferrico gamma, barato, uniforme, experiencia de uso. Dióxido de Cromo, tamaño uniforme, caro y abrasivo (necesita mayor polarización).


Partículas de metal, triple magnetización que el oxido férrico, no compatible, satura cabezas de registro, bueno para alta densidad.

Selección automática con las patillas de los cassettes. Película de poliéster Mylar = polyethylene-terepthalat/PETP.

Margen dinámico disponible AM 30 dB FM 60 dB Disco prensado 60 dB cassette 45 dB Magnetófono profesional 70 dB Soluciones al ruido Preénfasis de los agudos --> grabar - reproducir (introduce ruido) --> deenfasis de agudos (del ruido). Compansión -Reducción de ruido. Compresión-expansión, se usa en telefonía desde 1930. (La compansión amplía el rango dinámico disponible, es decir, puede aumentar la baja relación S/N en señales débiles, y puede evitar la saturación en señales fuertes. Pero como la relación S/N es cuestión de grado y la saturación sería “desastre total” en los sistemas normales se ajusta la ganancia para que no haya posibilidad de saturación y todo el problema está en la parte del ruido. Por eso hablamos de compasión para reducción de ruido). -Modulación del ruido: junto a sonido fuerte de ancho de banda limitado se percibe ruido en el resto

del espectro no enmascarado por el sonido. Como la modulación de ruido se percibe sobre todo en alta frecuencia por ser habituales los sonidos de baja frecuencia, una corrección es aplicar preénasis a la alta frecuencia, pero la contrapartida (you don't get something for nothing) es que aumenta la modulación del ruido de baja frecuencia en sonidos de alta frecuencia.

-Compresor ideal sigue al enmascaramiento. Comprime (para reducir el ruido en) todas las bandas en que el sonido sea débil.

-Sobreimpulso, tiempo de ataque. Tiempo de ataque lento del compresor trae riesgo de sobreimpulso al aumentar bruscamente el volumen del sonido ==> saturación y expansión incorrecta. Tiempo de ataque rápido provoca bandas laterales anchas, modulación AM, no enmascaradas.

-Con el compresor bilineal se reduce el riesgo de sobreimpulso gracias a la zona lineal en la zona de alto volumen y reduce la magnitúd de la modulación de ruido por la zona lineal de la zona de bajo volumen. Necesita calibración (tono de nivel definido).

-La configuración práctica es la compresión de dos caminos, principal (la propia entrada) y extra (secundario, al que se aplica la compresión) que se suman. El expansor complementario se puede implementar con el mismo modulo del camino secundario que aplicado a la salida resta a la entrada.

Dolby A, 1965. Cuatro bandas, usado sobre todo en grabación magnética profesional. Demasiado caro para grabación doméstica en cassette. Dolby B y C. Una sola banda deslizante. El B es el que se extendió para uso doméstico. B mejora 8 dBs, C=B2 16dB Dolby SR (Spectral Recording), 1986. hasta 24 dB de mejora, complejo, uso profesional, Dolby S basado en SR pero simplificado para cassettes. Dolby HX Pro, graba con mejor linealidad ajustando dinámicamente la señal de polarización. Cuando el audio tiene mucha alta frecuencia bajamos esa polarizazión para evitar sobrepolarización.


Equipos diversos Los micrófonos y altavoces son componentes fundamentales en audio, pero hay otros equipos electrónicos necesarios para tener un sistema de audio completo. Hay diversos equipos para funciones diversas. Amplificador Preamplificador Amplificador de potencia Equipo de voces, amplificador con altavoz incorporado. Usado para guitarra eléctrica (curiosidad: el transductor de la guitarra eléctrica es una inductancia que varía según la posición de la cuerda –metálica-) Equalizador, para regular la ganancia en cada banda frecuencial. El nombre sugiere que es para obtener una respuesta frecuencial plana, contrarrestando el efecto del resto del sistema de audio. Pero sirve para conseguir que la respuesta total sea no plana, por ejemplo, atenuar agudos para que al hablar las sibilantes no molesten, ó amplificar graves para música de percusión. Desde 3 hasta 30 bandas. Mono o estéreo. Rotatorios o gráficos. Programables (con pantalla LCD o motorcillos). Mezclador, mixing console, para combinar varias señales de entrada (micrófonos, reproductores de cinta, de discos, instrumentos,...) dando a cada uno una amplitud y una ecualización. Puede tener una o varias salidas -matriz-. Procesador vocal (alimentación fantasma a 48V, filtros paso bajo y alto, de-esser, compresor,...) Retardo para alineación audio/video. Reductor de realimentación (con filtro notch). Matriz de connmutación sonido envolvente 5.1 De-esser Filtros de ruido Monitor (Altavoz en rack, o en escenario) Procesador de señal. Reverberador [digital]. Procesador multiefectos. Filtro de rechazo de RF (para evitar que se demodule accidentalmente una señal de radio AM) Conversor AD/DA Control remoto (para mantener corto el cable de audio

Auriculares para tradución simultánea. Divisores para conferencias de prensa Hilo musical / música distribuida multi-habitación Teclado Sintetizador Midi códigos de tiempo? Conectores

Equipos del Aula Magna de la Escuela de Ingeniería de Bilbao: Micrófono Inalámbrico Sennheiser evolution series ew500 Mesa de mezclas (consola mezcladora) Allen&Heath WZ14:4:2+


XLR

Jack 6’35 mm, Jack 3’5 mm RCA,

DIN


Notas para comentar en la visita al Aula Magna de la Escuela de Ingeniería de Bilbao Equipos de audio: Micrófono Inalámbrico Sennheiser evolution series ew500 Mesa de mezclas (consola mezcladora) Allen&Heath WZ14:4:2+

6.3 2 amplificadores de potencia

6.4 3 parejas de altavoces (sólo 2 conectados)

Micrófono Inalámbrico Sennheiser evolution series ew500 Se trata de sustituir a los cables --> menos lío (estorbo, averías, peso y volumen para almacenar y transportar, precio...) de cables y más alcance a costa de complejidad (pilas, averías, precio). Los hay de InfraRojos (problemas de visión directa) y de radiofrecuencia (problemas de interferencias --> Bandas). Este opera en UHF. Receptor “estacionario” EM 500 2 micrófonos inalámbricos (handheld transmiter-emisor de mano) SKM 500 1 transmisor de petaca SK 500 supongo que 1 micrófono de solapa

El receptor EM500 La suma de las reflexiones de la onda de radiofrecuencia puede sumarse destructivamente, depende de las posiciones del micro-transmisor y antena del receptor. Creo que la modulación es de FM pero aún asi la baja S/N se notaría. Sistema True Diversity, 2 antenas en distinta posición y elegir la señal más potente. Compansor HDX para lograr S/N 110 dB (desde unos 70 del canal radio?) Apagar pulsando unos segundos

Microfono de mano emisor SKM 500 Capsula microfónica intercambiable (dinámicos MD o electrect ME, cardiode o supercardioide). Display y menu para configurar: banda de transmisión, [sensibilidad, phantom]) Mesa de mezclas Allen&Heath WZ14:4:2+ 14 canales de entrada Se anulan a -∞ Encender bajo la mesa, encender amplis, y micros tx-rx


6.5 Audio digital (DASH, DCC, CD, DAT, Mini-Disc, DVD)

El sonido digital tiene la ventaja de que no se deteriora progresivamente, y la desventaja de que requiere alta velocidad: 20 KHz ==> Fm=40 Kmuestras/segundo 96 dB => 1096/20≈216 => 16 bits/muestra ==> 40K.16 = 640 Kbps

1, 2, 0'5 MHz (con codificaciones básicas tipo Manchester) Control de errores vs. densidad. Se pueden añadir redundancia para detectar y corregir errores. Esto tiene el inconveniente de que aumenta la tasa binaria. Lo bueno es que teniendo la señal digital se puede elegir para cada aplicación es esfuerzo que se quiere dedicar a corregir errores. Grabación de alta densidad. Para grabar tantos bits se requeriría, en principio, mayor superficie que para grabación analógica. Pero gracias a que basta grabar bits discretos (no hace falta calidad lineal) se pueden grabar con mayor densidad. En grabación magnética para poder grabar y leer con tanta densidad se requieren cabezales más precisos que en grabación analógica → bobinas más pequeñas grabadas por fotolitografía. También son útiles los cabezales magnetoresistivos. No dependen de la variación de campo magnético ni por tanto de la velocidad. Grabación vertical, en profundidad 500 Kb/pulgada, 20 veces más que longitudinal. Isotrópica Clasificación de grabadores (de cinta magnética)

Adaptaciones de grabadores analógicos vs. diseños específicos Cabezal fijo vs. rotatorio

Adaptador PCM Adapta la señal de audio digital al formato de señal de video. De esta forma se puede grabar en un grabador de video (cabezal rotatorio). Lanzado en 1971 por las firmas japonesas Denon y NHK...le siguió Sony. Para grabar en cinta de video convenía tener un número entero de muestras en cada línea, 50 Hz, 625 líneas – 37 líneas de supresión 50x588/2 = 14700 líneas/segundo 60 Hz, 525 líneas – 35 líneas de supresión 60x490/2 = 14700 líneas/segundo Se obtiene una Fm algo mayor que el límite de nyquist tomando 3 muestras por línea 14700x3 = 44100 muestras/segundo DASH, Digital Audio Stationay Head

“En 1988, Sony y Tascam adoptaron el formato DASH como formato estándar para el magnetófono multipista digital. El DASH, en su funcionamiento básico, es similar a los magnetófonos multipista analógicos, permitiendo tanto la edición física “a tijera” como la edición electrónica. El DASH proporciona grandes prestaciones dirigidas al campo profesional. Permite desde las 2 hasta las 48 pistas de sonido, con una sincronización fiable,...”

http://es.wikipedia.org/wiki/DASH DASH I, densidad normal H ½" 24 canales de 0'17 mm + 4 auxiliares de 0'35

Q ¼" 8 canales de 0'17 mm + 4 auxiliares de 0'35

AMR Anisotropic magnetoresistance . GMR Giant magnetoresistance effect, descubierto en 1987. Finas capas alternas de metales ferromagnéticos y no magnéticos. Efecto de mecánica cuántica.


DASH II, densidad doble Mismo ancho de pista pero menos espacio entre pistas posible por cabezales con bobina impresa. Doble de canales tanto en H como en Q. La mitad coinciden en posición con los de I.

Modos de grabación F, M ó S → 1 canal de audio por cada 1, 2 ó 4 pistas. Twin → 1 canal por pista y repetido en otra pista.

Fm=32 KHz, 44'1 KHz, 48 KHz (al principio 50'4 kHz). Resolución de 16 bits. Duración de la cinta 69 minutos a 44’1 kHz, 64 minutos a 48 kHz. DASH Plus – Resolución de 24 bits. PD, ProDigi

“El ProDigi es un formato multipista digital que utilizaron profusamente marcas como Mitsubishi, Otari y AEG desde finales de la década de 1980 (1992), hasta principios de este siglo XXI, cuando fue retirado del mercado. (...). El ProDigi es muy similar al DASH, la principal diferencia es que permite un número máximo de pistas inferior (32 pistas ProDigi, frente a 48 DASH).” Resolución de 16 bits, rango dinámico de 90 dB.

Diversos modos: 2 pistas o multipista; ¼" ó 1" de ancho; Frecuencia de muestreo: 44'1 o 48 KHz

ADAT Usa una cinta S-VHS convencional para grabar hasta 8 pistas con una resolución de 16 bits. DA-88 Usa cinta Hi8 convencional, para grabar hasta 4 pistas con una resolución de 16 bits. DTRS Usa una cinta Hi8 convencional, para grabar hasta 8 pistas con una resolución de 16 bits o 24

bits, utilizando una frecuencia de muestreo de 44’1 kHz o de 48 kHz.

DCC, Digital Compact Cassette (Philips 1992-1996) El formato DCC fué la actualización digital del casete compacto 8+1 pistas lineales en cada sentido Aparato compatible con cintas analógicas Fm de 48, 44’1 ó 32 KHz (22, 20 ó 14’5 KHz de ancho de banda)

18 bits de cuantificación (105 dB?) Fm*18 bits*2canales ≈ 1’7, 1’6 ó 1’2 Mbps Compresión PASC (32 bandas con QMF), reduce flujo de bits entre 4 384 Kbps Codigo 8/10 para eliminar continua y bajas frecuencias (para poder anular diafonía y borrar por

sobreescritura optimizada a alta frecuencia). Corrección Reed-Solomon, 2 palabras que dan la posición y

magnitud del error. 40% de redundancia 384*1’4/8 pistas = 96 Kbps/pista

DAT, Digital Audio Tape Formato desarrollado específicamente para audio digital.

Resolución de 16 bits o 12 bits logarítmicos Fm 48 KHz ó 44’1 KHz ó 32 KHz 44’1 solo se permitía en reproducción para evitar grabaciones digitales desde CD, luego se protegió con SCMS (Serial Copy Managemente System). Separación par-impar, izquierda-derecha y Corrección de errores Reed-Solomon doble sobre campo de Galois S-DAT Stationary. Cabezal estacionario R-DAT Rotary. Cabezal rotatorio.


90º de contacto, solo 2 cabezales buffer de muestras 2000 rpm el tambor Con material magnético de metal, alta coercitividad, 1480 öersted se consigue ancho de pista de 13’5 micras velocidad de avance de la cinta = 8’15 mm/s Longitud de pista = 23’501 mm Con cinta pregrabada por contacto material magnético de baja coercitividad se necesita pista mas ancha (50%) para tener la suficiente relación señal/ruido, 20’41 micras de ancho Vcinta = 12’225 mm/s Las cintas tienen unos 60 metros 120 y 80 minutos respectivamente Reproductor mínimo estándar: Permite grabar a 48 KHz y reproducir a 48 o 44’1, 16 bits de cuantificación lineal. Opción 1: Fm = 32 KHz, 16 bits Opción 2, extra larga duración: Fm = 32 KHz, 12 bits no lineal, subcódigo reducido ==> Tasa binaria mitad, duración de 4 horas. Opción 3: Igual que opción 2 pero en lugar de estéreo 4 canales ==> 2 horas Seguimiento de pistas En video pista lateral, pero no es suficientemente preciso para pistas de 13’5 micras, y además necesita un cabezal extra. Grabación azimutal, ±20º, y código de canal sin baja frecuencia contra diafonía Codificación 8-10 ATF, Area Divided Track Following En un área de la pista se graba un tono piloto de baja frecuencia, 130 KHz. Disco duro Disco magnético, sectores y cilindros, sin contacto, flotando sobre aire, cerrado herméticamente, ≈ 3600 rpm. Buffer, serialización.


Grabación óptica

CD, Compact Disk (Philips-Sony 1982) Los bits que codifican la señal digital se graban en un disco metálico en puntos (pits) que reflejan ó no la luz del láser de lectura. Se consigue alta densidad de datos gracias a

que el tamaño de los puntos es del orden de la longitud de onda del láser. Se evita que la suciedad y el deterioro impidan leer tan pequeños pits gracias a que el láser debe atravesar una capa de plástico (policarbonato) en cuya superficie no está enfocado.

CD landa=780 nm rojo (IR) Diametro del punto w=λ/(2.NA)=0’87µm NA=Apertura Numérica Velocidad lineal v=1’21 m/s Tasa binaria del canal 4’3218 MHz Espesor =1’2 mm Capacidad = 682 Mb

Estampación. Grabación: quemar, hinchar, cristalizar (RW) CD-I, CD-ROM, WORM, CD-R, CD-RW CD-DA CD-Digital Audio GD-ROM 1’2 Gb Pistas más cercanas que CD, Velocidad angular constate y lenta Desarrollado por Yamaha para SEGA

MiniDisk (Sony 1992) Similar al CD pero de menor tamaño (7 cm x 6,75 cm x 0,5 cm) y compresión ATRAC para almacenar igual duración. Además con versión grabable Magneto-óptica

LaserDisk Desarrollado para video unos años antes que el CD. Graba la señal analógica en modulación por anchura de pulsos. 12’’ diametro, (Compact Disk 12 cm = 5’’ diametro)

DVD Digital [Video] Versatile Disk lambda=650 nm (Rojo)

Diámetro del punto w=λ/(2.NA)=0’54µm Velocidad lineal v=3’49 m/s Tasa binaria del canal 26’16 MHz Capacidad = 4700 Mb =6’9*CD espesor = 2*0’6 mm 4’7 Gb doble capa + 3’8Gb = 8’5 Doble cara 17Gb DVD-Video y DVD-ROM DVD-R, DVD-RAM

DVD-Audio (aprobado por DVD Forum 1999) Formato de codificación de audio en soporte físico DVD 16, 20 y 24 bits/muestra. Fs = 44.1, 48, 88.2, 96, 176.4 y 192 kHz

Se buscó una duración suficiente para la obra más larga, la 9ª sinfonía de Beethoven, interpretada por HerbertVon Karajan, que dura 74’33”. Posteriormente se han hecho CDs de hasta 80 minutos de duración. Aquí un tipo que tiene 20 versiones: http://www.geocities.com/Vienna/Strasse/8618/statistics.html


2 canales rápidos y 6 lentos, reparto flexible. Soporta codificación Dolby Digital, DTS y DSD. Zona de video Flip Disc (2004)

DualDisc is a type of double-sided optical disc product developed by a group of record companies including EMI Music, Universal Music Group, Sony/BMG Music Entertainment, Warner Music Group, and 5.1 Entertainment Group[1] and now under the aegis of

the Recording Industry Association of America (RIAA). It features an audio layer similar to a CD (but not following the Red Book CD Specifications) on one side and a standard DVD layer on the other.

DVD Plus disco de doble cara (similar al Dual disc) de almacenamiento óptico que combina la tecnología del DVD y de un disco compacto en un sólo disco. Las capas del DVD y del disco compacto están unidas ofreciendo un disco compacto multiformato.

SACD Super Audio CD (Sony y Philips 1999) Disco da audio de alta capacidad (4’7 Gb como del DVD) con codificación sigma-delta de 1 bit, 2.822.400 muestras/segundo, Direct Stream Digital.

El SACD híbrido tiene bajo la “capa DVD” una capa de CD convencional.

Protección anticopia mediante marcas de agua en la longitud de los pits

Blu-rayDisc Laser Azul 405 nm, 25 Gb Blu-ray Disc Association: Sony, Philips, Apple, Benq, LG, Thomson, Warner,... HD-DVD High Density DVD. Laser Azul 405 nm, 15 Gb Toshiba y NEC

Fluorescent Multilayer Disc (FMD) Constellation 3D

Enhanced Versatile Disc Similar a DVD, 5 veces más capacidad

Consorcio de compañías chinas Forward Versatile Disc Parecido a DVD, 5’4 Gb con pistas más cercanas, y hasta 3 capas.

Desarrollado en Taiwan, al igual que EVD en respuesta a la cara licencia del MPEG-2 del DVD (12$-20$ por reproductor). Holographic Versatile Disc hasta 3’9 TeraBytes

Dolby Digital es el nombre comercial para una serie de tecnologías de compresión de audio desarrollado por los Laboratorios Dolby. Incluye compresión AC3, grabación en películas de cine de 35mm,...


SDDS (Sony Dynamic Digital Sound) proporciona unas altas prestaciones de audio multicanal para la proyección de películas en salas de cine. hasta 8 canales independientes de sonido (7.1)

(Izquierdo, Izquierdo Central, Central, Derecho Central, Derecho, Subwoofer, Izquierdo Trasero y Derecho Trasero). Las pistas SDDS se alojan en los márgenes de las películas estándar de 35 mm. Lanzado en 1993. Codificación Soportes físicos Estándares Estandares de transmisión Sony PCM-F1 Sony PCM 1610/30 Melco AES/EBU-SPDIF

AES/EBU con conectores XLR S/PDIF sobre cable coaxial o TOSLINK either over coaxial cable or TOSLINK ADAT interface AES47, Professional AES3 digital audio sobre redes ATM, Asynchronous Transfer Mode networks.

Madi Para conectar ordenador y perifericos, incluyendo scaners, videocamaras, equipos de sonido:

USB 1.1 12 Mbps USB 2.0 480 Mbps Compaq, Computer,

Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, NEC, Philips Electronics

IEEE 1394, FireWire 400 Mbps Apple, Sony

Fórmatos de archivo de audio: pcm, aiff, wav, wma, au, 3gp, mp3, Ogg Vorbis (OGG), Musepack (MPC), Free Lossless Audio Codec (FLAC), Speex (SPX), ... Estandares de difusión Nicam-728 Near Instantaneous Companded Audio Multiplex

http://tallyho.bc.nu/~steve/nicam.html NICAM stands for "Near Instantaneous Companded Audio Multiplex", the "Near Instantaneous Companding" being due to the fact that 1ms worth of sound data has to be input before the companding process can do its work. The "Audio Multiplex" term implies that the system is not limited just to stereo operation (as shown below). NICAM currently offers the following possibilities, autoselected by the inclusion of a 3-bit type field in the data-stream: One digital stereo sound channel. Two completely different digital mono sound channels. One digital mono sound channel and a 352Kbit/sec data channel. One 704Kbit/sec data channel. The four other options could be implemented at a later date. Only the first two of the ones listed are known to be in general use however. Other facts: Sound is digitised to 14 bits accuracy at a sampling rate of 32KHz. The upper frequency limit of a sound channel is 15KHz due to anti-aliasing filters at the encoder. The 14 bit original sound samples are companded digitally to 10 bits for transmission. (Digital compansion ensures that the encoding and decoding algorithms can track perfectly).

DAB Digital Audio Broadcasting, compresión Musicam (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)

16. Can Ambisonics make use of DVD? =================================== A consortium has announced a Digital Versatile Disc format which can contain between 7 and 25 times as much data as the current audio CD format. (The higher figure is for a double-sided double-layered disc.) The proposal for an audio-only version of DVD, called High-Quality Audio Disc, has been released by the Acoustic Renaissance for Audio. The proposal, which is available on the ARA WWW page at <http://www.meridian-audio.com/ara/>, is for: o Full 3-D surround sound with up to six channels as well as a separate (conventional) two-channel feed. o Sampling at either 48 kHz or 96 kHz. o Up to 24 bits of precision. (Normally 20 bits would be used with 48 kHz sampling and 16 bits with 96 kHz.) o The use of lossless compression, termed `packing'. o A trade-off, decided upon by the record producer, between precision, frequency bandwidth, number of channels and playing time.


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elektroakustika apunteak 2007 - upv/ehupitágoras, escala cromática, escala diatónica...

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