¿Cómo escuchas lo que escuchas? (IV)

No comencemos este recorrido sin música.

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Esos sonidos extraños nos llevarán de la mano por un recorrido igualmente intrincado. Entre matemático y delirante.

En el artículo ¿Cómo escuchas lo que escuchas? (II) hablábamos acerca de la diferencia entre sonido y audio.

Decíamos que el sonido es un fenómeno físico que cuando es captado por una herramienta como un micrófono se transforma en un fenómeno electromagnético; es decir, una señal eléctrica (una señal de audio) que es una copia casi exacta de la señal sonora original; luego esta señal eléctrica que es nuevamente traducida por los altavoces en una señal sonora y así es como finalmente el sonido transformado en audio se transforma nuevamente en sonido hasta llegar a nuestros oídos.

Pero agreguemos a este intricado camino un paso más:

Señal de sonido original/señal física se transforma en una señal de audio/señal electromagnética que a su vez se transforma en una señal digital/dígitos 0 y 1.

Llamamos señal digital a la codificación digital de una señal eléctrica. ¿Qué quiere decir esto?

Cuando el sonido pasa a nuestra computadora se transforma dígitos; para que esto ocurra nuestra computadora realiza lo que se llama una codificación, es decir, transforma – mediante dos procesos- la señal eléctrica en dígitos. El primero de estos procesos se llama “muestreo” y el segundo proceso “cuantificación”

Pero para poder entender mejor cómo funcionan cada uno de estos procesos, primero veamos cómo es una onda de sonido.

Las vibraciones de las moléculas que producen un sonido pueden representarse como la suma de curvas sinusoides[1], estas curvas tienen dos magnitudes; la amplitud de onda y la longitud de onda.

Cuando hablamos de amplitud de onda estamos hablando de la distancia entre el punto de reposo del cuerpo vibrante y el punto más alejado en un ciclo. Es decir mirando el gráfico; desde donde comienza la curva hasta su punto más alto.

La amplitud de onda está íntimamente relacionada con la sensación de intensidad de un sonido. Esto sucede porque la amplitud de onda está dada por la fuerza que se ejerce sobre el objeto que produce el sonido y por cómo las moléculas reaccionan a esa fuerza.

Imagine el lector que se encuentra frente a un platillo de metal y lo golpea sutilmente; el platillo hará pequeños movimientos de vaivén, pero si usted golpea el platillo con mayor fuerza el movimiento será más amplio. Si tuviéramos que dibujar esos movimientos con una curva sinusoide sería de la siguiente manera:

A mayor amplitud de onda mayor sensación de intensidad de sonido.

La otra magnitud es la longitud de onda que está dada por la distancia que recorre una perturbación en un determinado intervalo de tiempo.

Toda vibración entre las 20 y 20.000 oscilaciones por segundo es detectada por el oído humano.

Sigamos este recorrido escuchando un poco más de música.

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Con estos pocos datos en mente regresemos entonces a los procesos que realiza nuestra computadora cuando convierte una señal de audio en una señal digital de audio.

Decíamos que cuando el fenómeno físico sonoro es captado por un micrófono éste lo transformaba en un fenómeno electromagnético realizando una copia casi exacta de la señal sonora original; bueno nuestra computadora no puede hacer lo mismo. Nuestra computadora depende de los procesos de muestreo y cuantificación para tratar de realizar una copia lo más parecida a la señal original.

Veamos qué son y cómo trabajan estos procesos.

Cuando hablamos de muestreo de una señal de audio estamos hablando de muestras que toma nuestra computadora de la amplitud de la onda del sonido original (la línea sinusoide gris del gráfico) a intervalos regulares de tiempo.

Para poder imaginarnos este proceso pensemos en los fotogramas de un stop motion a mayor cantidad de fotogramas los movimientos de los personajes parecerán continuos; a menor cantidad de fotogramas los movimientos se verán entrecortados.

Nuestra computadora toma muestras de la onda de sonido original y trata de realizar, con la información de esas muestras, su propia onda de sonido (la línea cuadrada del gráfico anterior). A esto se lo conoce como samplig rate o tasa de muestreo.

A finales de 1940 un matemático llamado Claude Shannon y un biólogo e informatólogo[2] llamado Warren Weaver concluyen su teoría “mathematical theory of communication”. Esta teoría está relacionada con las leyes matemáticas que rigen la transmisión y el procesamiento de la información y se ocupa de la capacidad de los sistemas de comunicación para transmitir y procesar información, como así también de la medición de la información y de su representación. De esta teoría se desprende el teorema de muestreo llamado “teorema de muestreo de Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon”.

Según el teorema de muestreo de Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon, para poder replicar matemáticamente la forma de onda de un sonido original (una señal continua), es necesario que la señal esté limitada en una banda de frecuencias y la tasa de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia a muestrear.

Es decir, que para poder replicar un sonido con frecuencias que van de los 20 a 20.000hz (lo que el oído humano es capaz de escuchar), nos haría falta una frecuencia de muestreo del doble de la frecuencia máxima: 20.000hz x 2 = 40.000hz.

Hoy en día el lector encontrará, tanto en las propiedades de sus audios digitales como en los formatos de grabación de sus dispositivos digitales, un dato muy cercano al N° anteriormente dado:

44.100hz / 48.000hz / 96.000hz / 192.000hz

De 40.000hz se aumentó a 44.100hz como un estándar, teniendo en cuenta las pérdidas de muestras que pueden surgir durante el proceso de  transformación de la onda electromagnética a la señal de audio digital. Este proceso es realizado por los filtros eléctricos de nuestra computadora. Un filtro electrónico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. Como no existen filtros perfectos cuanto mayor sea la gama de frecuencias con las que trabaje el filtro más claro será el resultado. Es por esto que los dispositivos de grabación y edición digitales de audio trabajan los rangos de: 44,100hz, 48,000hz, 96,000hz o más alto de ese modo el filtro trabaja de forma precisa la señal de audio digital.

Retomando la analogía de los fotogramas de un stop motion, podríamos decir que a mayor cantidad de fotogramas (mayor cantidad de muestras) la continuidad de una acción se hace más clara, pero también ocupa más espacio de datos en la computadora.

En el caso del audio diríamos que a mayor cantidad de muestras de frecuencias de muestreo hay menos pérdidas de la señal de audio y por lo tanto esa señal de audio digital se asemeja a la señal de sonido original.

Pero dijimos que la computadora al codificar la señal de audio en una señal de audio digital realizaba dos procesos: el muestreo (explicado anteriormente) y la cuantificación.

Una vez que nuestra computadora toma las muestras las convierte en valores concretos que ya están predeterminados y que miden el nivel de tensión (pulsos) de cada una de las muestras obtenidas durante el proceso de muestreo a esto se lo denomina cuantificación. A estos pulsos se los llama Pulse Code Modulation y se miden en bits. Son los famosos 16 bits, 24 bits y 32 bits que solemos encontrar en las estaciones de trabajo de audio digital, en los dispositivos digitales de audio y en los archivos de audio digital.

Usted se preguntará para qué le sirve toda esta información. Hemos realizado juntos un recorrido de tres meses, no desespere prometo que usted le encontrará utilidad a todos estos datos.

En un estudio profesional de audio se graba la cinta master en una calidad de audio no menor a los 32bits 192,000hz.

Un DVD tiene una calidad de audio de 24bits 192,000hz.

Un Super Audio CD[3] (híbrido entre CD/DVD) tiene una calidad de 24bit 48,000hz (casi todos los CD/DVD que se encuentran en el mercado en estos momentos son Super Audio CD).

Un CD común maneja una calidad de 16bit 44,100hz (estos son los primeros CD que salieron al mercado[4]).

¿Se dio cuenta cómo se fue transformando la calidad de audio con cada uno de los dispositivos?

¿Conocía usted la diferencia entre un Super Audio CD y un CD?

Es probable que ahora usted vaya a su discoteca y mire el reverso de sus CDs para ver en qué calidad de audio juegan.

Pero aquí no termina la historia ya casi están cayendo en desuso los famosos CDs, Super CD y DVD.

La era digital nos enfrenta a otros formatos de audio digital.

Estamos por llegar al último tramo de esta serie de artículos acerca de ¿cómo escuchas lo que escuchas? Vendrán muchos otros artículos, se lo prometo. Pero esta serie está llegando a su fin. ¿Se anima a recorrer el último tramo conmigo? En la próxima entrega finalmente llegaremos a nuestro último destino y terminaremos de develar las últimas incógnitas para que usted tome las decisiones correspondientes a la hora de disfrutar de la escucha.

¿Cómo escuchas lo que escuchas? (IV) por Sol Rezza, a excepción del contenido de terceros y de que se indique lo contrario, se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International Licencia.