Contents

1 El micrófono y el altavoz

• El micrófono y el altavoz fueron inventados por el escocés Alexander Graham Bell en 1876.
• El micrófono y el altavoz son transductores electroacústicos. Un “micro” transforma las vibraciones debidas a la presión acústica ejercida sobre su membrana por las ondas sonoras en energía eléctrica. El altavoz hace justamente lo contrario.

Micro de bobina	Altavoz de bobina

2 Tipos de micrófonos y altavoces

• Sorprendentemente, ambos elementos tienen muchas cosas en común. De hecho, podemos usar un altavoz como un micrófono (aunque no es lo ideal), y un micrófono como un pequeño altavoz (aunque tampoco es lo ideal, claro).
  1. Micrófonos/Altavoces de condensador: La membrana que mueve/produce las ondas sonoras es solidaria a una de las caras de un condensador que al moverse con el sonido, modifica su capacidad, y ésta se registra eléctricamente. En el altavoz la electricidad con intensidad variable entrante hace que las caras se atraigan o se repelan.
  2. Micrófonos/Altavoces de bobina: La membrana es solidaria a una bobina que se mueve dentro de/produce un campo magnético. En el micro, al moverse se induce una corriente eléctrica. En el altavoz, la corriente electrica hace que se mueva la bobina y con ella la membrana.
  3. Micrófonos/Altavoces piezoeléctricos: En el micro la membrana mueve un material piezoeléctico¹ . En el altavoz, la material pizoeléctrico se contrae o expande en función de la intensidad de corriente que lo atraviesa.

3 Principales características de los micrófonos

1. Su potencia de transducción: Las señales eléctricas producidas por un micrófono suelen ser débiles (debido a que la energía de las ondas sonoras capturadas es baja) y deben amplificarse. De hecho, algunos micros poseen un amplificador (“el previo”) y necesitan alimentación externa.
2. Su linealidad: El micro ideal debería transducir con la

   

   misma potencia todas las intensidades sonoras.

3. Su respuesta en frecuencia o distorsión armónica: El micrófono ideal transduce con la misma potencia todas las bandas de frecuencias del espectro audible (20 Hz a 20 KHz).

   

4. Su direccionalidad: Indica la dirección dentro del espacio en 3D que mejor es registrada por el micro. Se habla de micros unidireccionales cuando tienen que estar dirigidos hacia la fuente de sonido, bidireccionales cuando registran justo lo que está en una cara del micro y en la opuesta y omnidireccionales, cuando registran por igual todos los sonidos, independientemente de su procedencia.

Unidireccional	Bidireccional	Omnidireccional

4 Principales características de los altavoces

1. Su potencia de transducción: Se refiere a la potencia eléctrica máxima que puede entrar al altavoz (no a la potencia acústica generada) antes de que distorsione en exceso o de que pueda sufrir desperfectos² . Dicha potencia $P$ depende de la intensidad de corriente $I$ y de la impedancia de la bobina $Z$, según

   $$P=I^{2}Z,$$

   (1)

   donde $Z$ depende de la frecuencia.

2. Linealidad: El altavoz ideal debería transducir con igual potencia todas las intensidades de corriente.
3. Respuesta en frecuencia o distorsión armónica: Al igual que el micro, el altavoz ideal debería transducir con la misma potencia todas las bandas de frecuencias del espectro audible (20 Hz a 20 KHz). Como esto es bastante complicado de conseguir con un único altavoz, generalmente las cajas acústicas montan varios, cada uno especializado en entregar pontencia en un determinado rango de frecuencias.
4. Direccionalidad: Al igual que el micro, los altavoces pueden diseñarse para enviar potencia por igual a las tres dimensiones del espacio (omnidireccionales), hacia adelante y hacia atrás (bidireccionales) y sólo en una dirección (unidireccionales).

5 El amplificador de audio

• Es un dispositivo analógico que amplifica señales de audio. Sus entradas y salidas son analógicas y si esto no fuera así, es porque dentro se produce una conversión D/A o A/D.

6 Funcionamiento de un amplificador

• La mayoría de los amplificadores se diseñan a partir de transistores y/o de válvulas de vacío. Un elemento de este tipo es un dispositivo electrónico que posee tres “patas”: (1) el emisor, (2) la base y el (3) colector. La base controla la cantidad de corriente continua que atraviesa el transistor desde el emisor hacia el colector. Si llamamos $I_b$ a la corriente que entra por la base, la corriente que pasa a través del transistor es

  $$I=\beta \times I_b,$$

  (2)

  donde $\beta$ es la ganancia del transistor.

• Muy esquemáticamente, un amplificador, un micrófono y un altavoz se relacionan de la siguiente manera³ :

• El nivel de amplificación depende de la ganancia $\beta$, ya que define la relación entre las amplitudes de la señal de entrada $I_b$ y la de salida $I$. Esta ganancia es controlada por el potenciómetro de volumen del amplificador. Por ejemplo, si $\beta =2$:

7 Principales características de los amplificadores de audio

1. Potencia: Se refiere a la potencia eléctrica (medida en vatios) máxima que puede salir del amplificador antes de que distorsione.

   

2. Linealidad: El amplificador ideal amplifica exactamente con la misma ganancia todas las amplitudes de corriente de entrada. Los amplificadores más lineales son los que se construyen con válvulas.
3. Respuesta en frecuencia o distorsión armónica: Al igual que un micro o un altavoz, el amplificador ideal debería transducir con la misma potencia todas las bandas de frecuencias del espectro audible (20 Hz a 20 KHz). Ante una señal sinusoidal pura, la mayoría de los amplificadores tienden a generar armónicos y/o a producir dispersión espectral (alrrededor del tono puro aparecen en la frecuencia otros tonos de menor intensidad).
4. La relación señal/ruido: Todos los elementos electrónicos producen ruido electrónico (de origen térmico, interferencias, etc.). La relación entre la potencia del ruido y la máxima potencia de señal que pueden amplificar, es lo que se conoce como SNR (Signal-to-Nose Ratio).

8 Soportes de almacenamiento

1. El disco de vinilo: Apareció a comienzos del siglo XX. Es un disco de plástico vinílico en el que se araña un surco en forma de espiral que presenta deformaciones microscópicas. Por el surco se desliza una aguja (idealmente de diamante) que vibra a causa de dichas deformaciones. Finalmente, dichas vibraciones se transducen (usando un tipo especial de micro) a señales eléctricas.
2. La cinta magnética: Apareció a mediados del siglo XX. Consiste en una cinta o banda de plástico flexible impregnada con algún material ferromagnético (generalmente óxido de hierro o cromo). Una bobina (cabeza) se desplaza a lo largo de la cinta y magnetiza dicho material en el momento en que se graba en la cinta. Cuando se reproduce, el material magnetizado induce una corriente eléctrica en la bobina.

9 Sistemas de reducción de ruido

• Como ya se ha indicado, no existe ningún elemento electrónico activo (amplificador) o pasivo (soportes de almacenamiento) que esté exento de ruido. Para reducirlo en lo posible se idearon los sistemas de reducción de ruido, especialmente para las cintas magnéticas que poseen un ruido que es significativamente audible en ausencia de señal.⁴
• El ruido que produce una cinta magnética es de tipo blanco (ocupa todo el rango de frecuencias) y tiene un volumen constante, pero pequeño. Como sabemos, el SAH no es capaz de percibir los sonidos débiles en presencia de los fuertes y por tanto, el ruido de una cinta sólo va a ser perceptible cuando la señal a registrar es débil.
• Los Laboratorios Dolby se hicieron famosos por diseñar (y patentar) el primer sistema de reducción de ruido para las cintas magnéticas. Un sistema Dolby NR (Noise Reduction) antes de grabar la señal en la cinta procede a amplificar las bajas amplitudes y a atenuar la altas amplitudes, siguiendo una escala logarítmica (esto es lo que se conoce como un compresor (analógico) de audio). Tras leer la señal deformada de la cinta, se procede a atenuar (usando un expansor de audio) las bajas amplitudes y a amplificar las altas, obteniéndose la señal original. Como el ruido es de baja amplitud, el expansor lo atenua. El efecto es una reproducción de mayor fidelidad.

10 Número de canales

1. Sistemas monofónicos: Poseen un único canal de audio.
2. Sistemas estéreo: Poseen dos canales, uno para el oído izquierdo ($L$) y otro para el derecho ($R$).
3. Dolby Surround: Poseen dos canales, pero puede simularse la aparición de otros dos. A finales de los 70, Ray Dolby patentó el sistema Dolby Surround. Por aquel entonces los sistemas estéreo sólo se usaban en las salas cinematográficas y Dolby tuvo la feliz idea de crear dos canales virtuales más llamados central ($C$) y envolvente o surround ($S$).

   El éxito de Dolby se debió a que el sistema era completamente compatible con los sistemas estéreo normales: una cinta o un disco grabado con Surround podía escucharse en un equipo normal, con dos altavoces.

   En muchos episodios de una grabación estéreo, el contenido de los canales $L$ y $R$ son prácticamente idénticos. Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando un avión situado justo en frente (en el centro de la pantalla) viene en nuestra dirección, pasa por encima de nuestra cabeza y se marcha por nuestra espalda.

   Para poder realizar la sensación de que es justamente el avión la fuente del sonido, Dolby propuso situar un canal llamado “center” ($C$) justo detrás de la tela de la pantalla y otro llamado “surround” ($S$) a nuestra espalda. Por definición,

   $$\begin{array}{c}C=L+R\hfill \\ S=L-R.\hfill \end{array}$$

   Dolby sabía que el oido no es sensible a la fase de la señal, sólo a su amplitud y propuso codificar el canal trasero como la diferencia de la fase de $L$ y la fase de $R$. Desfasar una señal de audio respecto de otra significa retrasarla en el tiempo algunos milisegundos. En la escena del avión, donde se cumple que $L=R$, cuando no existe desfase:

   $$\begin{array}{c}C=L+R=2R=2L\hfill \\ S=R-L=0.\hfill \end{array}$$

   Y cuando existe desfase máximo ($180^o$):

   $$\begin{array}{c}C=L+R=R+R=0\hfill \\ S=R-L=2R=2L.\hfill \end{array}$$

   Así, si no queremos que por el canal central suene nada, desfasamos $L$ de $R$ $180^o$, y viceversa. Y $L$ y $R$ se escuchan igual que antes, haya o no desfase.

4. Dolby Digital (DD): Se trata de un sistema de almacenamiento digital con 5.1 canales: $L$, $R$, $C$, $R_L$ (Rear Left) y $R_R$ (Rear Right). El “.1” referencia al canal LFE (Low Frequency Effect), un canal de baja frecuencia (normalmente centrado en $120$ Hz).
5. Digital Theatre System (DTS): Posee el mismo número de canales que DD, aunque soporta mayores frecuencias de muestreo y precisión aritmética para representar las muestras de audio.