Física del Sonido: Propiedades, Ondas y Digitalización de Audio

Naturaleza del Sonido: Fundamentos Físicos y Percepción

Entendemos por sonido la variación periódica de presión que genera un objeto vibrante, propagándose en un medio determinado, siendo habitualmente el aire. Cuando las vibraciones se producen de forma arbitraria, sin ninguna secuenciación rítmica, se considera ruido.

Características de las Ondas Sonoras

Las ondas sonoras son de naturaleza mecánica y poseen las siguientes características fundamentales:

• Amplitud (A): Es la característica de las ondas sonoras que percibimos como el volumen. Una onda de mayor amplitud producirá un mayor desplazamiento de la membrana del oído, y la sensación será la de un sonido más fuerte. Así, cuanto mayor sea la amplitud de la onda, mayor será el volumen percibido, y viceversa. Para indicar el nivel de intensidad utilizamos una unidad denominada decibelio (dB).
• Frecuencia (f): Es el número de ciclos completos que se repiten en un segundo. La frecuencia se mide en hercios (Hz), donde 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo.
• Período (T): Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo. Viene dado por la expresión: T = 1/f.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia que recorre un sonido en un ciclo completo. La longitud de onda se expresa de la siguiente forma: λ = v/f, donde v es la velocidad del sonido en metros por segundo (m/s) y f es la frecuencia en hercios (Hz).
• Intensidad: Depende de la energía que transporta la onda sonora y está en relación directa con su amplitud.
• Altura o Tono: Es la característica que permite percibir un sonido como más grave o más agudo que otro. Existe una gama de sonidos graves, intermedios y agudos. Las frecuencias inferiores a 20 Hz corresponden a los denominados infrasonidos, y las superiores a 20 kHz corresponden a los ultrasonidos.
• Timbre: Es la característica que nos ayuda a diferenciar diferentes sonidos, incluso si tienen la misma altura e intensidad. Una onda sonora vibra a varias frecuencias simultáneas. La frecuencia de vibración más grave es la que determina el período y el tono, y se denomina frecuencia fundamental. Las demás frecuencias son armónicos. Así pues, una señal periódica compleja se puede descomponer como una suma de varias señales simples.

Digitalización del Sonido: Transformando lo Analógico a lo Digital

Cualquier tipo de información que gestionamos con un ordenador se almacena en él mediante dígitos binarios (0 y 1). Esta información puede ser procesada digitalmente. El proceso mediante el cual se transforman los datos analógicos a un formato digital se denomina digitalización.

Componentes Clave en la Digitalización

• Micrófono: Convierte la variación de presión del aire que se ejerce sobre su membrana en una señal eléctrica analógica.
• Placas de Sonido (Tarjetas de Audio): Actúan como elemento digitalizador. Realizan un muestreo de la señal analógica que reciben, la dividen en intervalos iguales y convierten cada uno en su equivalente binario.

Calidad del Sonido Digital

La calidad de un sonido digital se define principalmente por dos parámetros:

• Frecuencia de Muestreo: Es el número de muestras que se toman en un intervalo determinado de tiempo, normalmente cada segundo. Una mayor frecuencia de muestreo permite una representación más fiel de la onda original.
• Resolución (Profundidad de Bits): Es el número de dígitos binarios (bits) que se utilizan para representar cada muestra. Una mayor resolución permite un rango dinámico más amplio y una menor cuantificación de ruido.

Ventajas del Almacenamiento Digital

Una de las ventajas fundamentales del almacenamiento digital del sonido es que no pierde calidad al copiarlo, reproducirlo o conservarlo durante mucho tiempo. En cambio, si el sonido es analógico, la calidad se pierde progresivamente debido al deterioro por el uso y el paso del tiempo. En los sistemas de almacenamiento de sonido basados en principios analógicos, existe un parecido físico (analogía) entre la forma de la onda sonora original y la representación que se hace al almacenarla.

Umbrales de Audición: Límites de la Percepción Sonora

La capacidad auditiva humana tiene límites de intensidad que son importantes para comprender la percepción y la seguridad auditiva.

• Umbral de Audición: Corresponde a la intensidad mínima que ha de tener un sonido para que lo podamos percibir. Se sitúa en 0 decibelios (0 dB).
• Umbral de Intensidad Dolorosa: Determina cuál es la máxima intensidad de sonido que somos capaces de soportar sin sentir dolor. Se sitúa en torno a los 140 decibelios (140 dB). Las intensidades de sonido superiores a este valor pueden producir daños irreversibles en el órgano auditivo.