Lección No. 5: El Ruido medicion y tipos.

Ruido (Noise): Es una señal eléctrica indeseable que se presenta dentro del ancho de banda en donde se encuentra la señal que contiene la información en un sistema. En el caso particular del audio, la información es el programa sonoro (música, locución, etc.) que está siendo procesado. El ruido será entonces una señal que se superpone y que no hace parte de tal programa sonoro, como por ejemplo hum, hiss, estática, entre otros.

El ruido puede originarse en un sistema de audio de diferentes formas. Entre las principales se encuentra el ruido causado por factores térmicos y está asociado con el movimiento rápido y aleatorio de los electrones a través de un conductor. En ese orden de ideas, dicha agitación térmica está presente igualmente en los dispositivos electrónicos que requieren corrientes eléctricas de polarización para su funcionamiento y que de una u otra forma disipan calor. El ruido térmico también es conocido con el nombre de ruido de Johnson, o ruido blanco.

Así mismo, pueden existir otras fuentes de ruido originadas por el hombre y que pueden ser más controlables; tal es el caso de equipos de fuerza motriz, lámparas fluorescentes, generadores de energía, entre otros.

Existen igualmente algunos tipos de ruido muy utilizados para calibración de equipos electrónicos y sistemas de sonido en donde se precisa una sonoridad específica conforme al entorno acústico. Entre ellos se encuentra el ruido blanco, rosa y marrón (Brown).

Ruido Blanco: Este tipo de ruido presenta una densidad espectral de potencia uniforme. Esto significa que contiene igual cantidad de energía promedio por Hz. Si por ejemplo, se evalúa la energía existente entre 100 Hz y 200 Hz, será la misma contenida entre 1500 Hz y 1600 Hz ó entre 10200 Hz y 10300 Hz, ya que en los tres casos se está tomando un rango de 100 Hz indistintamente su localización en el espectro.

La representación de potencia del ruido blanco con respecto a la frecuencia, denota una distribución uniforme para todo el espectro de audio, aspecto que se evidencia mediante una curva plana o de valor constante. Ahora bien, si el ruido blanco se evalúa en un rango específico de frecuencias, la potencia y energía promedio aumentará cuanto mayor sea el ancho de banda dado que a mayor cantidad de Hertz abarcado, se acumulará mayor energía. Evaluado así, el ruido blanco, incrementará su potencia en 3dB por octava. En los diagramas de análisis espectral por bandas de octava o terció de octava, se observa este fenómeno.

Ruido Rosa: Este tipo de ruido a diferencia del ruido blanco presenta una densidad espectral de potencia no uniforme. En este caso, la cantidad de energía promedio se da inversamente proporcional a la frecuencia por lo cual su nivel disminuirá en la medida que aumenta la frecuencia. El ruido rosa tiene por su parte la particularidad de que al ser evaluado por rangos de frecuencia en o bandas en relación de octava, presenta un energía promedio constante en cada de ellas indistintamente del ancho de la misma. Así pues, una banda entre 250Hz y 500Hz (BW=250Hz), tendrá la misma energía que la banda entre 2000Hz y 4000Hz (BW=2000Hz) ó la de 8000Hz a 16000Hz (BW=8000Hz), pese a poseer mayor BW las bandas de más alta frecuencia con respecto a las otras. Esta propiedad lo hace útil para aplicaciones acústicas y propósitos de chequeo y calibración de sistemas de altavoces, medición de respuesta en frecuencia de recintos, test de micrófonos, etc.

El ruido rosa al tener mayor energía en frecuencias bajas que en las altas, presenta un comportamiento mucho más real a las aplicaciones como programas sonoros musicales en donde igualmente la energía se concentra más en las frecuencias bajas mientras en las altas se encuentra la energía de las componentes armónicas de las fundamentales. Los siguientes diagramas ilustran el concepto del ruido rosa:

Ruido Café: Este parámetro presenta un comportamiento similar al ruido rosa, no obstante la energía se concentra aún con mayor énfasis en las frecuencias bajas que en las altas. Su sonoridad es característica con similitud a los sonidos de truenos o tormentas. Son particularmente útiles al momento de evaluar la respuesta de un sistema ante en frecuencias graves. Al evaluar el contenido por bandas, disminuye su energía a razón de 3dB por octava.

Relación Señal a Ruido (S/N ó SNR): Este parámetro es una forma de indicar la cantidad de ruido presente en un sistema de sonido respecto al valor nominal de potencia del programa sonoro. Dado que es una medida comparativa entre dos valores de potencia, la relación señal a ruido se dará en decibelios y estará definida por:

Por tanto, cuanto más grande sea el valor en dB, mucho mejor será la calidad del sistema. Por ejemplo, si un sistema de audio posee una potencia de programa promedio de 2.512 mW (+4dBm) y un ruido cuya potencia promedio es 25.120 nW (-46 dBm), diremos entonces que la relación señal a ruido será de 50dB. Nótese que esto significa que la potencia de ruido es 100.000 veces más pequeña que la potencia la del programa sonoro. La medida dada en dB también puede ser vista como la diferencia entre el nivel de señal y el de ruido, ambos dados en unidades absolutas (dBm).

Lección No. 4, Ancho de banda, Respuesta de Frecuencia, Rango Dinámico y Headroom.

Lección No. 4, Ancho de banda, Respuesta de Frecuencia, Rango Dinámico y Headroom.

Respuesta en Frecuencia: Este es uno de los parámetros con mayor frecuencia utilizados tanto en sistemas de sonido como en acústica para hacer referencia al comportamiento que dicho sistema o recinto tiene ante el espectro o rango de frecuencias audibles. Concisamente, la respuesta en frecuencia especifica la ganancia con la cual las señales de un determinado rango de frecuencias cursan o atraviesan el sistema.

En el caso particular de un sistema de audio, la respuesta en frecuencia podrá ser especificada para dispositivos tales como micrófonos, consolas de mezcla, amplificadores, tarjetas de audio para computadores, altavoces, periféricos de procesamiento externo, etc.

La respuesta en frecuencia usualmente se especifica mediante una gráfica o curva en donde se ilustra la ganancia en función de la frecuencia. Dicha ganancia indicará la atenuación o realce de un punto o zona específica del espectro respecto al promedio en todo el rango de operación del dispositivo.

De una respuesta en frecuencia interesa saber inicialmente la resolución de frecuencia a la cual ha sido medida, es decir, cuántos puntos frecuenciales fueron tomados para construir la curva. De otra parte, su resolución vertical o de ganancia; cuanto menor sea la indicación en decibelios (dB), más rigurosa será su especificación.

En una mirada macro, interesará saber si una respuesta en frecuencia es plana, es decir, presenta igual ganancia para todas las frecuencias o presenta realces o atenuaciones en el rango agudo, medio o grave del espectro. Dependiendo la aplicación, se subdividirá el espectro en rangos o bandas más pequeñas.

En audio es muy importante que los sistemas de procesamiento y de grabación de señal en sus circuitos electrónicos presenten una respuesta lo más plana posible. Por este motivo es frecuente que un fabricante pueda especificar la respuesta en frecuencia indicando, por ejemplo: 20Hz ~ 18.000Hz +/- 1dB; lo cual significa que el rango de frecuencias que puede procesar el equipo se encuentra entre los límites inferior y superior mencionados en un margen de ganancia no superior a 1dB de atenuación o realce respecto al promedio. Cuanto menor sea dicho margen, significará que el equipo poseerá una respuesta más uniforme en el rango de frecuencias especificado.La siguiente gráfica ilustra esta situación:

Ancho de Banda: El ancho de banda es un parámetro que indica todo el rango de frecuencias que es capaz de procesar un equipo o sistema de sonido teniendo como referencia dos (2) frecuencias límite, una inferior y otra superior, puntos en los cuales se registra una caída de 3dB en nivel respecto a las frecuencias centrales, que como referencia se asumen en promedio un nivel máximo de 0dB. Las frecuencias inferior y superior también se les denominan puntos de potencia media. La diferencia entre dichos límites es entonces el Ancho de Banda (Bandwidth - BW) del sistema.

Rango Dinámico (RD): Este parámetro indica la diferencia entre el máximo y el mínimo nivel de presión sonora (SPL) existente en un programa sonoro determinado. En algunas aplicaciones como el sonido en vivo, la parte más silenciosa del programa sonoro capturado, puede ser enmascarada por el ruido ambiente. En dicho caso, el rango dinámico estará dado por la diferencia entre el nivel máximo y el nivel correspondiente al ruido de piso. Es por ello que el rango dinámico define así el máximo cambio de nivel que puede ser audible en un programa sonoro.

Si para un caso específico se tiene un nivel de presión sonora pico de 120 dB SPL y un ruido de piso de 30dB SPL, el Rango dinámico estará dado por:

RD = [Nivel Pico] - [Piso de Ruido] = 120 dB SPL - 30 dB SPL = 90 dB

Nótese que la diferencia entre dos niveles absolutos, da como resultado una unidad relativa.

En lo que respecta al sistema de audio encargado de procesar o reproducir las señales del programa sonoro capturado, el rango dinámico estará dado por la diferencia entre el nivel pico y el nivel mínimo que pueda asumir la señal eléctrica del programa sonoro correspondiente. En los sistemas de audio es importante destacar la diferencia entre el rango dinámico del programa procesado y el máximo rango dinámico que es posible obtener en el sistema; este último queda definido por la calidad y electrónica de los equipos en su construcción. Este rango máximo dependerá del nivel de salida pico o punto de saturación de los circuitos antes de generar distorsión, comúnmente conocido como nivel o punto de "clipeo" (Clipping). El nivel mínimo por su parte, estará asociado con el ruido electrónico residual inherente en los sistemas electrónicos.

Si para el caso anterior el programa sonoro cursa una señal a través de un sistema de audio con un nivel pico de +24 dBu y un ruido de piso de -66 dBu, el Rango dinámico estará dado por:

RD = [Nivel Pico] - [Piso de Ruido] = +24 dBu - (-66 dBu) = 90 dB Una vez más, el resultado es una unidad relativa.

En sistemas de audio profesional el nivel de línea máximo o punto de clipping es +24dBu. 

Según la aplicación en concreto, no siempre el máximo nivel en el dominio acústico se hace corresponder con el punto de clipping del sistema de audio. El nivel mínimo de audio que podrá ser procesado, variará según la calidad del equipo electrónico.

El siguiente diagrama ilustra los conceptos aquí tratados:

HeadRoom: En todo programa sonoro y sistema de sonido existe un nivel promedio conocido como nivel nominal de programa. En el dominio acústico dicho nivel estará expresado como un promedio de presión sonora SPL y usualmente se hace corresponder con el nivel electrónico de línea promedio, que en sistemas profesionales es +4dBu. El HeadRoom se define entonces como la diferencia entre el nivel máximo o pico del programa y el nivel nominal. El HeadRoom establece así el máximo margen de nivel que es posible alcanzar en un programa sonoro, por encima del nivel de presión sonora Q potencia promedio.

Si para el caso específico ilustrado en el diagrama se tiene un nivel de presión sonora promedio de 100 dB SPL, el HeadRoom estará dado por:

HeadRoom = [Nivel Pico] - [Nivel Nominal] = 120 dB SPL - 100 dB SPL = 20 dB

En lo concerniente a la señal de audio, el nivel promedio se ubica en los +4dBu, por tanto el HeadRoom será:

HeadRoom = [Nivel Pico] - [Nivel Nominal] = +24 dBu - (+ 4 dBu) = 20 dB

Lección No. 3 Unidades de Medición de Nivel en Audio (dB, dBm, dBu> dBV)

Lección No. Unidades de Medición de Nivel en Audio (dB, dBm, dBu> dBV)

Ganancia

En audio es de particular relevancia evaluar y/o conocer que tanto aumento o disminución de nivel de señal ha ocurrido en el sistema producto de la interconexión o encadenamiento de diferentes etapas o dispositivos de procesamiento de señal. Dicho aumento o disminución se representa de forma general con un parámetro conocido como Ganancia, el cual relaciona dos unidades de la misma magnitud física, una usualmente tomada a la salida del sistema o etapa evaluada y la otra a la entrada. Las magnitudes que con mayor frecuencia se evalúan son potencias y/o voltajes.

La Ganancia se define como la relación matemática de las dos unidades a comparar, lo cual implica que el resultado será un número adimensional o sin unidades.

Si al relacionar el nivel de señal de salida contra el nivel de entrada, el factor resultante es menor que la unidad (<1), indicará que la señal de salida es menor que la de entrada, caso en cual se tendrá una atenuación. Si por el contrario la división es mayor que uno (>1), se hablará de una amplificación, es decir, una señal de salida mayor que la entrante al sistema.

En acústica y en sistemas electrónicos la unidad de medida utilizada para una Ganancia es el decibelio [dB], que corresponde a una representación logarítmica mucho más conveniente originada por la forma como el oído responde ante la intensidad sonora. Para el audio, dependiendo de si la señal eléctrica que se compara se encuentra expresada en unidades de potencia o de voltaje, la Ganancia en decibelios queda enunciada así:

Con estas expresiones es posible diferenciar entre una atenuación y una amplificación sencillamente con el signo del resultado. Si la cantidad o ganancia es positiva se tratará de una amplificación y si por el contrario, la ganancia es negativa, se interpretará como una atenuación. Sintetizando:

Atenuación	Amplificación
Si el factor de ganancia es (<1), indica que la señal a la salida del sistema es menor que a la entrada.	Si el factor de ganancia es (>1), indica que la señal a la salida del sistema es mayor que a la entrada.
Ganancia Negativa ► [GdB < OdB]	Ganancia Positiva ► [GdB >0 dB]

Nótese que las medidas anteriormente mencionadas son relativas dado que se trata de la comparación de dos cantidades, lo quiere decir que para un determinado valor de ganancia, puede haber infinidad de valores que cumplan dicha relación.

Si se desea hacer referencia a un valor específico, se han definido con base en las mismas relaciones logarítmicas, las unidades de medida absolutas en decibelios (dB). Entre estas, se encuentran el dBm, el dBu y el dBV.

dBm:

Es una medida de nivel de potencia absoluta que se encuentra referida a lmW = 0.001 W. Está dada por cualquiera de las dos expresiones siguientes:

Conforme a la definición, un nivel de potencia de OdBm corresponderá a una potencia de lmW. Siempre que se haga mención a un nivel de potencia en un sistema de audio, será importante tener presente la impedancia sobre la cual se encuentra desarrollada dicha potencia. En los sistemas de audio con frecuencia se refiere la medida dBm a la impedancia de 600Ω. No obstante, siempre habrá que verificar el contexto en el cual se esté dando la medida.

dBu:

Es una medida del nivel de voltaje absoluto existente en un punto del sistema que se encuentra referida igualmente a 1 mW = 0.001 W. Esto significa que dependiendo la impedancia sobre la cual se desarrolle dicha potencia, el voltaje de referencia cambiará según las siguientes equivalencias:

          0.775 V para       Z=600 Ω               (Aplicaciones de Audio)

          0.224 V para       Z=50 Ω                 (Aplicaciones de RF y Datos)

          0.274 V para       Z=75 Ω                 (Aplicaciones de Video)

Para el caso de sistemas de audio profesional, que se suelen referir a 600Ω, el nivel en dBu estará definido por: 

dBV:

Esta es una variante del caso anterior. Solo que el voltaje de referencia para este caso será un voltio (lv). Por tanto, un nivel en dBV quedará definido por:

En muchas ocasiones es necesario realizar conversión entre los niveles en dBu y dBV. Para esto bastará con sumar 2.21 al nivel en dBV para encontrar el nivel en dBu y viceversa (restar). Esto es:

Como se revisará durante el desarrollo del presente curso, los sistemas de audio profesionales con conexiones balanceadas (2 hilos de conexión de señal + 1 hilo de tierra) utilizan niveles de línea nominales de +4dBu, en tanto que los sistemas de audio con conexiones desbalanceadas (1 hilo de conexión de señal + 1 hilo de tierra), utilizan niveles de línea de -10dBV.

Ejemplo de Aplicación No. 1

Cálculo de atenuación en la interconexión de dos equipos por efecto de las impedancias de salida y entrada involucradas:

Dada una tensión saliente un equipo o dispositivo de valor Eg, calcular el valor de voltaje entrante (Vin) al equipo subsiguiente al cual se conecta dicha salida estimando la atenuación de tal enlace:

La interconexión se comporta como un circuito con impedancias Z™ y Z0UT- Despreciando las perdidas en los cables de conexión, el voltaje entrante queda establecido por el divisor de voltaje:

La atenuación de dicha interconexión queda establecida por:

Si para tal ejemplo, 

ZIN— 15KΩ y ZOUT — 2KΩ, Vin— 0.8823 • Eg. La atenuación de tal conexión será 

20 • Log10 (0.8823) = -1.087dB.

Ejemplo de Aplicación No. 2

Para el caso anterior, el nivel aplicado Eg es +4dBu. Encontrar el nivel Vin a la entrada del siguiente equipo expresado en dBu, dBV y Voltios.

Dado que la atenuación del divisores -1.087dB, el nivel a la entrada del equipo subsiguiente será Vin = +4dBu - 1.087dB = +2.913dBu. Los niveles en dBV son siempre 2.21dB menores a los expresados en dBu siempre y cuando la referencia de cálculo del dBu sea 0.775 voltios. Por tanto, Eg=1.79 dBV y Vin = 0.703 dBV.

La conversión a voltios a partir del nivel en dBu, puede hacerse a través de la siguiente expresión:

Con el resultado expresado en voltios. Por consiguiente.

Un cálculo similar para 2.913dBu dará como resultado 1.084v. Otra alternativa para hallar Vin es mediante la fórmula del divisor de voltaje del ejemplo No. 1; a partir de allí, Vin= 0.8823 • Eg = 0.8823 • 1.2283v « 1.084 v.

Ejemplo de Aplicación No. 3

En la siguiente figura se ilustra un sistema de audio de aplicación muy frecuente en donde están presentes los conceptos tratados en las tres (3) primeras lecciones. El sistema de audio tiene los siguientes parámetros:

Calcular el nivel de potencia eléctrica a la salida del amplificador que se desarrolla sobre los altavoces. Indicar además las atenuaciones parciales, Ganancia Total del sistema y los niveles en cada etapa, expresados en dBu, dBV y voltios.

Solución:

El sistema de audio en la figura anterior puede re-dibujarse de modo tal que se aprecie mayor claridad respecto a la forma como inciden e intervienen los diferentes componentes y parámetros circuitales.

En el sistema, claramente figuran dos etapas amplificadoras, una de ellas actúa como pre-amplificadora y es la realizada por la consola al procesar en primera instancia la débil señal entregada por el(los) micrófono(s). La segunda etapa la realiza el amplificador de potencia para obtener el nivel apropiado requerido para excitar los altavoces. Cada interconexión, producto del acople entre una impedancia de salida y una impedancia de entrada, lleva consigo una atenuación. Por tanto, habrá tres (3) atenuaciones desde el micrófono hasta el altavoz. Las atenuaciones se calcularán de acuerdo a lo ilustrado en el ejemplo de aplicación No. 1.

Una de las ventajas de utilizar como unidad de ganancia el decibelio (dB), es facilitar la evaluación de la ganancia total o parcial en un sistema en cascada o de múltiples etapas. Esto se realiza mediante la sumatoria algebraica de las ganancias parciales involucradas, respetando los signos ya que ellos levan consigo el significado de atenuación o amplificación. De esta forma, la ganancia total de un sistema en decibelios, será:

Donde n será la cantidad de ganancias parciales involucradas. De otra parte, un nivel absoluto a la salida de una etapa, se hallará mediante la suma algebraica del nivel de entrada y la ganancia de la etapa, ambas expresadas una vez más en decibelios:

Los valores de los niveles se encuentran efectuando la conversión de los niveles absolutos expresados en decibelios a sus equivalentes respectivos conforme al ejemplo de aplicación No. 2.

En la siguiente tabla se consignan los valores resultantes de todas las ganancias y niveles pedidos en el enunciado del problema.

Parámetro del	Unidad 1	Unidad 2	Unidad 3	Comentario
Nivel de Salida del Micrófono	-52dBV	-49.79dBu	2.51 mV	En Circuito Abierto
Atenuación en la Conexión Mic-Consola	-1.87dB			Efecto divisor de voltaje 1.2kΩ y 5kΩ
Nivel a la Entrada de Consola	-53.87dBV	-51.66 dBu	2.02 mV	Efecto de la ganancia en consola 56dB
Nivel a la Salida de Consola	+ 2.13 dBV	+4.34 dBu	1.277 V
Atenuación en la Conexión Consola - Amplificador	-0.51 dB			Efecto divisor de voltaje 600Ω. y 10kΩ
Nivel a la Entrada del Amplificador	+ 1.62 dBV	+3.83 dBu	1.204 V	Efecto de la ganancia en el AMP: 26dB
Nivel a la Salida del Amplificador	+27.62 dBV	+ 29.83 dBu	24.032 V
Atenuación Conexión Amplificador - Altavoz	-0.11 dB			Efecto divisor de voltaje 0.050 y 4Ω
Nivel Entregado al Altavoz	+27.51 dBV	+ 29.72 dBu	23.73 V
Nivel de Potencia Entregado al Altavoz		51.48 dBm	140.778W	dBm reales referidos a lmW sobre 4Ω
Ganancia Total del Sistema de Audio	+79.51 dB	9451.48 x para Voltaje	*89330548 x para Potencia	Unidad relativa

El siguiente diagrama circuital ilustra algunos de los parámetros y niveles resultantes consignados en la tabla anterior: