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: