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Buenas a todos, este es un blog creado por el alumno de informática Alejandro Benito Sánchez de 4B del IES Las Musas. El objetivo de este blog es informarle a todos ustedes acerca del sonido, pero más en profundidad del sonido digital. A continuación y en los siguientes días iré publicando un serie de entradas relacionadas con el sonido. Espero que les guste!

1. ¿Qué es el sonido?

El sonido es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

 El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión.En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.

 La propagación del sonido involucra transporte sin energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de un medio elástico sólido, líquido, o gaseoso. Entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. No se propagan en el vacío, al contrario que las ondas electromagnéticas. Si las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación es una onda transversal.

Deben existir dos factores para que exista el sonido. Es necesaria una fuente de vibración mecánica y también un medio elástico a través del cual se propague la perturbación. La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por una materia que vibra. La necesidad de la existencia de un medio elástico se puede demostrar colocando un timbre eléctrico dentro de un frasco conectado a una bomba de vacío. Cuando el timbre se conecta a una batería para que suene continuamente, se extrae aire del frasco lentamente. A medida que va saliendo el aire del frasco, el sonido del timbre se vuelve cada vez más débil hasta que finalmente ya no se escucha. Cuando se permite que el aire penetre de nuevo al frasco, el timbre vuelve a sonar. Por lo tanto, el aire es necesario para transmitir el sonido.

 Ahora estudiemos más detalladamente las ondas sonoras longitudinales en el aire que proceden de una fuente que producen vibraciones. Una tira metálica delgada se sujeta fuertemente en su base, se tira de uno de sus lados y luego se suelta. Al oscilar el extremo libre de un lado a otro con movimiento armónico simple, se propagan a través del aire una serie de ondas sonoras longitudinales periódicas que se alejan de la fuente. Las moléculas de aire que colindan con la lámina metálica se comprimen y se expanden alternativamente, transmitiendo una onda. Las regiones densas en las que gran número de moléculas se agrupan acercándose mucho entre sí se llaman compresiones. Son exactamente análogas a las condensaciones estudiadas para el caso de ondas longitudinales en un resorte en espiral.

 Las regiones que tienen relativamente pocas moléculas se conocen como rarefacciones. Las compresiones y rarefacciones se alternan a través del medio en la misma forma que las partículas de aire individuales oscilan de un lado a otro en la dirección de la propagación de la onda. Puesto que una compresión corresponde a una región de alta presión y una rarefacción corresponde a una región de baja presión, una onda sonora también puede representando trazando en una gráfica el cambio de presión P como una función de la distancia x. La distancia entre dos compresiones o rarefacciones sucesivas es la longitud de onda.

2. Tipos de sonido : Analógico y Digital

2.1- El sonido analógico

El sonido analógico es la representación de una onda que es análoga a una presión de un sonido. Esto os puede sonar complicado, pero en realidad es muy fácil de entender. El sonido se conforma de ondas de moléculas de aire. El sonido analógico es una representación de las intensidades de esas ondas en formas diferentes, como las tensiones en un alambre o partículas magnetizadas en una cinta de casete. 

2.2 El sonido digital

Es la codificación digital de una señal eléctrica que representa una onda sonora. Consiste en una secuencia de valores enteros que se obtienen en dos procesos: el muestreo y la cuantificación digital de la señal eléctrica. 

El muestreo consiste en fijar la amplitud de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo. Para cubrir el espectro audible suele bastar con tasas de muestreo de algo más de 40000 Hz, con 32000 muestras por segundo se tendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, es decir, permite registrar componentes de hasta 15 kHz  aproximadamente. 

Muestreo digital de una señal de audio

La cuantificación consiste en convertir el nivel de las muestras fijadas en el proceso de muestreo, normalmente, un nivel de tensión, en un valor entero de rango finito y predeterminado. Por ejemplo, utilizando cuantificación lineal, una cuantificación lineal de 8 bits discriminará entre 256 niveles de señal equidistantes. También se pueden hacer cuantificaciones no lineales, como es el caso de cuantificaciones logarítmicas como la "Ley Mur" o la "Ley A" que, a modo de ejemplo, aún usando  bits funcionan perceptualmente como 10 bits lineales para señales de baja amplitud en promedio, como la voz humana por ejemplo.

Muchos me preguntaréis cual es la diferencia entre estos dos tipos de sonido, ¿verdad? Pues mirad: 

La diferencia entre el sonido analógico y digital es que el sonido digital tiene mucha más calidad sonora en el sentido de lo cristalino y limpio de la señal. El sonido analógico es el que se transmite por tensión (volts), y en el sonido digital, la señal la recibe un "conversor A/D" en forma de tensión, toma una cierta cantidad de muestras de ese sonido por segundo. 

3. Transformación del sonido analógico en digital

Existen varias maneras de transformar el sonido analógico en digital, entre los cuales cabe destacar los siguientes procesos (en el cual he hecho una pequeña introducción el apartado anterior) : Muestreo, Retención y Codificación. Bien, empecemos pues por el muestreo : 

1. Muestreo : es una de las partes del proceso de digitalización de las señales. Consiste en tomar muestras de una señal analógica en una frecuencia o tasa de muestreo constante, para cuantificarlas posteriormente. Según el teorema de Nyquist - Shannon la cantidad de veces que debemos de medir una señal para no perder información debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima que alcanza dicha señal. En otras palabras, pongo como ejemplo, si tenemos que grabar una conversación telefónica, como el ancho de una banda de una red telefónica es de 3khz, y para no perder información deberemos tomar el orden de 6.000 muestras/segundo. 

2. Retención : es un elemento de memoria analógica que almacena una tensión dada en un condensador. Este condensador está conectado a un interruptor electrónico de forma que cuando el interruptor se cierra, el condensador se carga a la tensión de entrada; cuando el interruptor abre el condensador retiene esa carga, congela la tensión durante un periodo de tiempo especificado. Un temporizador conectado al interruptor hace que este tome muestras de la amplitud de la onda del sonido a intervalos de tiempo fijo. 

3. Codificación : es el proceso de conversión de un sistema de datos de origen a otro sistema de datos de destino. De ello se desprende como corolario que la información contenida en esos datos resultantes deberá ser equivalente a la información de origen. En este contexto, la codificación digital consiste en la traducción de valores de tensión eléctricas analógicos que ya han sido cuantificados al sistema binario, mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada en un tren de impulsos de señal digital. Esta traducción es el último de los procesos que tiene lugar durante la conversión analógica - digital. El resultado es un sistema binario que está basado en el álgebra de Boole.

Y por último y para acabar este apartado no os he dicho que es una conversión analógica - digital. Pues bien, definamos lo que es : es un proceso que consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, retención, muestreo) y hacer la señal resultante (digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

4. Magnitudes fundamentales de un sonido digital

- Número de canales : número de pisas que componen un archivo del sonido digital. Si consta de un solo canal lo denominamos "mono", en cambio si son dos canales se denominan "estéreo", pero puede que haya varios, es el caso de seis y ocho lo llamamos "multicanal" (homecinema)

- Frecuencia de muestreo : muestras que se toman por intervalo de tiempo. Determina la calidad percibida y se mide en hercios (Hz)

- Número de bits por muestra : es el número de bits que utilizamos para representar cada muestra

El tamaño del sonido digital o un archivo de audio se puede calcular de la siguiente manera mediante esta fórmula : 

Tamaño = canales x frecuencia (Hz) x número de bits x t (s)

5. Captura y reproducción de audio. Dispositivos

El sonido digital no pierde calidad al copiarlo o al reproducirlo, al contrario que las grabaciones analógicas.

Los micrófonos son los dispositivos capaces de recoger las ondas analógicas y convertirlas en señales eléctricas. El ordenador contiene una tarjeta de sonido que realiza el proceso de digitalización transformando esa señal eléctrica en información binaria

Los dispositivos de captura de audio son los elementos que contienen un micrófono : desde el ordenador hasta los dispositivos móviles y grabadoras digitales.

Para reproducir de nuevo el sonido, el ordenador realiza el proceso inverso : descodifica la información binaria, y la convierte en una señal eléctrica que se transmite a los auriculares; cuando estos reciben la señal, la detectan y la convierten en impulsos que nuestros oídos detectan.

Los dispositivos de reproducción de audio son todos aquellos elementos que contienen una salida de audio para altavoces o auriculares : reproductores DC, reproductores MP3, etc... 

6. CÓDECS

Códec es la abreviación de codificador - decodificador. Describe un especificación desarrollada en software, hardware, o una combinación de ambos, capas de transformar un archivo con un flujo de datos (stream) o una señal. Los códecs pueden codificar el flujo o la señal ( a menudo para la transmisión, al almacenaje o el cifrado) y recuperarlo o descifrarlo del mismo modo para la reproducción o la manipulación en un formato más apropiado para estas operaciones. Los códecs son usados a menudo en videoconferencias y emisiones de medios de comunicación.

La mayor parte de códecs provoca pérdidas de información para conseguir un tamaño lo más pequeño posible del archivo de destino, pero en la mayor parte de aplicaciones prácticas, para un aumento casi imperceptible de la calidad no merece la pena un aumento considerable del tamaño de los datos. La excepción es si los datos sufrirán otros tratamientos en el futuro. En este caso, una codificación repetida con pérdidas a la larga dañaría demasiado la calidad.

Muchos archivos multimedia contienen tantos datos de audio como vídeo, y a menudo alguna referencia que permite la sincronización de audio y el vídeo. Cada uno de estos tres flujos de datos puede ser manejados con programas, procesos, o hardware diferentes; pero para que estos "streams" sean útiles para almacenarlos o transmitirlos, deben ser encapsulados juntos. Esta función es realizada por un formato de archivo de vídeo (contenedores), como, mpg, avi, mov, mp4, mp3, rm, ogg, etc...Algunos de estos formatos están limitados a contener "streams" que se reducen a un pequeño juego de códecs, mientras que otros son usados para objetivos más generales.

- Códec de audio : es un códec que incluye un conjunto algoritmos que permiten codificar y decodificar los datos auditivos, los cual significa reducir la cantidad de bits que ocupa el fichero de audio. Sirve para comprimir señales o ficheros de audios con flujos de datos con el objetivo de que ocupen menos espacio, consiguiendo una buena calidad final, y descomprimiéndolos para reproducirlos o manipularlos en un formato más apropiado.

- Códec de video : es un tipo de códec que permite comprimir y descomprimir vídeos digitales. Normalmente los algoritmos de compresión empleados conllevan una pérdida de información.