Decibel

El decibel es la décima parte de un Bel, unidad creada por Alexander Graham Bell para poder cubrir con valores razonables todas aquellas mediciones que tienen rangos muy amplios. Por ejemplo el sonido que percibimos tiene un rango de un millón de millones, por lo que resulta complicado trabajar con dichas cifras. Es común usar los decibeles para sonido pero se usa para otras relaciones también. El decibel es un valor relativo, es decir que siempre se refiere a un valor de referencia. Los decibeles de intensidad de presión sonora (SPL) se refieren al valor mínimo percibible por el oído humano y a ese valor se le asigna 0 dB.

0 dB 1 Umbral de percepción mínima
10 dB 10
20dB 100
30 dB 1.000
40 dB 10.000
50 dB 100.000
60 dB 1.000.000
70 dB 10.000.000
80 dB 100.000.000
90 dB 1.000.000.000
100 dB 10.000.000.000
110 dB 100.000.000.000
120 dB 1.000.000.000.000 Umbral del dolor

Sin embargo, los decibeles no representan una escala lineal para nosotros en nuestra percepción sonora, ya que un incremento de 10 dB se percibe como duplicar el volumen, y una disminución de 10 dB se percibe como la mitad del volumen, es decir que los escalones no tienen igual altura. Para solucionar este inconveniente se creo otra unidad llamada "son". Los sones representan una escala lineal para la medición del sonido, salvo por el hecho de que nuestros oídos no escuchan igual todas las frecuencias a distintos niveles. Esto fue estudiado por Fletcher y Munson en 1933, los que crearon unas curvas donde se representan las características de respuesta en frecuencia del oído humano dependiendo del nivel del sonido. Estas fueron redefinidas y estandarizadas en 1983 por el ISO en base a los estudios de Robinson y Dadson. Las curvas permiten convertir dB de SPL en fones (dBA).

curvas

Rango dinámico del oído humano y de distintos medios

El rango dinámico es la diferencia medida en decibeles (dB) entre el nivel mínimo y el nivel máximo obtenible. Para el oído humano la diferencia entre el mínimo sonido percibido y el máximo tolerado (umbral del dolor) es de 120 dB. La grabación de sonido en discos, cintas y CDs, tiene sus limitaciones de rango. Por el lado del valor mínimo la limitante en general es el ruido propio del medio. Por el lado del valor máximo, la limitante depende del medio. En un disco de vinilo la limitación es la distancia entre surco y surco de la pista y la excursión de púa. Si se exceden los límites se rompe la pista o salta la púa. En cinta magnética el valor máximo esta dado por la saturación de la cinta. En un CD el valor máximo está dado por la cantidad de bits de información utilizados.

Valores típicos de rango dinámico

Oído humano 120 dB
Música en vivo 100 a 120 dB
CD 96 dB
Disco de vinilo 65 dB
Cinta magnética 55 a 60 dB

Como se ve el rango del oído y de la música en vivo exceden el rango de los medios de grabación, por lo tanto es necesaria la compresión.

Sensibilidad de un parlante

El término sensibilidad parece un poco desubicado en referencia a un parlante, ya que uno lo asociaría más con un micrófono. Sería más apropiado definir una característica de rendimiento en un parlante, como la relación entre la potencia sonora producida al entregar una determinada cantidad de potencia eléctrica. Sin embargo como el rendimiento de los parlantes es muy baja, del orden del 20%, se usa en cambio el parámetro "sensibilidad" para calificar su eficiencia.

Para medirla se coloca al parlante en una cámara anecoica (sin reflexiones de sonido, o sea sin eco) y se le aplica 1Watt de señal eléctrica a 1Khz (un tono puro de 1000 ciclos por segundo). Luego se mide la intensidad de presión sonora (SPL en dB) con un micrófono ubicado a 1 metro frente al parlante.

La variación de sensibilidad entre parlantes es muy grande, y tiene que ver con sus características constructivas. En general un parlante de alta fidelidad tiene menor sensibilidad, ya que se sacrifica sensibilidad a favor de mejor respuesta en frecuencia. Asimismo y paradójicamente un parlante de mayor potencia puede ser menos sensible, ya que para soportar esa potencia debe estar hecho con materiales más robustos.

Los parlantes de guitarra tienen, por lo tanto, menor ancho de banda y mejor sensibilidad que los usados para alta fidelidad (HiFi).

Valores típicos de sensibilidad

Baffles de alta fidelidad de 80 a 104 dB
Parlantes de guitarra de 95 a 104 dB

Potencia requerida del amplificador en función de la sensibilidad del parlante

Para un mismo volumen de salida, dependiendo del parlante utilizado necesitaremos las siguientes potencias de amplificador:

Sensibilidad del Parlante Potencia del amplificador
85 dB 100 W
88 dB 50 W
91 dB 25 W
94 dB 12,5 W
97 dB 6 W
100 dB 3 W
103 dB 1,5 W

Esto demuestra como la sensibilidad del parlante es tan importante como la potencia del equipo.

Rango de Frecuencias

El oído humano de una persona joven tiene un rango que va desde los 20 Hz hasta los 20 Khz (20.000 ciclos por segundo). Esto equivale a tres décadas (20 a 200, 200 a 2.000 y 2.000 a 20.000) ó en términos musicales 10 octavas.

En una década Fmax = 10 x Fmin
En una octava Fmax = 2 x Fmin

La diferencia entre la frecuencia máxima y la mínima se llama "ancho de banda".

Una guitarra eléctrica de 6 cuerdas con 24 trastes en el diapasón o mango tiene 4 octavas, y las frecuencias van desde 82,4 Hz (E o Mi de la 6ta al aire) a 1318,5 Hz (E o Mi de la 1ra en el traste 24).

Un bajo de 4 cuerdas y 24 trastes tiene 3 octavas que van desde 41,2 Hz a 329,6 Hz.

Respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia es una especificación que se usa para establecer el comportamiento de un dispositivo (amplificador, parlante, micrófono, medio de grabación, medio ambiente, etc.) o incluso del oído humano.

Normalmente son curvas que se toman dentro del rango auditivo de frecuencias, aunque se pueden extender por afuera de ellas también. Se miden en decibeles, y para dispositivos de alta fidelidad se busca que la respuesta sea plana dentro de todo el ancho de banda. Los límites de frecuencia inferior y superior se determinan cuando la caída en respuesta es igual a 3 dB respecto a la respuesta a 1 Khz.

La respuesta en frecuencia puede ser dependiente del nivel, como ocurre con nuestros oídos (Ver curvas de Fletcher-Munson).

Armónicas

Un tono sinusoidal o tono puro es perfecto y no contiene armónicas. En cambio los tonos generados por instrumentos musicales contienen armónicas y es gracias a ellas que podemos distinguir un instrumento de otro. Las armónicas son múltiplos de la frecuencia del tono original (F , 2xF, 3xF, 4xF, 5xF, etc.). La mezcla de todos estos tonos con su correspondiente amplitud y fase da una poliarmónica.

Distorsión armónica

El tono de la guitarra es una poliarmónica, y cuando distorsionamos estamos agregando más armónicas. Con una distorsión leve como la generada por válvulas en la zona "limpia", solo se produce distorsión armónica, ya que la onda resultante sigue siendo una poliarmónica solo que se le intensificaron las armónicas. El tipo de válvula utilizada y la intensidad de la señal determinaran el contenido armónico. A mayor intensidad, mayor contenido armónico.

Distorsión por intermodulación

Cuando se sigue aumentando el volumen y/o la intensidad de ejecución, se llega a un punto donde se produce la saturación de las válvulas o transistores de salida

En los equipos transistorizados que normalmente usan fuerte realimentación negativa para estabilizar la alta dispersión de sus parámetros, la saturación se produce abruptamente con un recorte de la señal.

En cambio en los equipos valvulares la saturación se produce gradualmente.

La principal diferencia en estos dos comportamientos, es la cantidad de armónicas producidas.

Cuando un dispositivo se satura, deja de ser lineal y por lo tanto produce nuevas frecuencias que ya no son armónicas. Por ejemplo al aplicar dos tonos de frecuencias F1 y F2, aparece a la salida armónicas de F1, armónicas de F2 y nuevas frecuencias como F1+F2 y F1-F2. Cuanto mas abrupta es la saturación, mas exacerbado es este comportamiento. Este resultado se puede medir y se conoce como distorsión por intermodulación.

Clases de amplificadores

Los amplificadores se clasifican de acuerdo a como trabajan sus componentes de la etapa de salida o potencia. En las etapas de pre-amplificador y excitador todos los equipos son Clase A, lo que significa que el dispositivo activo, válvula, transistor o circuito integrado esta activo o conduce durante todo el ciclo de la señal. En cambio en la etapa de salida se logra mayor eficiencia usando Clase B, donde un elemento conduce para el semiciclo positivo y otro para el negativo. Esto trae aparejado un inconveniente en el cruce, dando una distorsión poco placentera en los sonidos leves, lo que se compensa solapando levemente los ciclos de operación con lo que se da en llamar Clase AB.

En los amplificadores de guitarra, ya que se busca deliberadamente la distorsión, es preferible la Clase AB, ya que un clase A tiene un recorte asimétrico de la señal, saturando gradualmente en un semiciclo y abruptamente en el otro. Esto hace que un Clase A tenga mucha más distorsión por intermodulación y un comportamiento más impredecible con niveles de señal fuerte.

Realimentación

La realimentación es cuando la señal de salida se reingresa a la entrada. Puede ser positiva si ingresa en fase o negativa si ingresa en contra fase. La realimentación negativa se utiliza mucho en amplificadores transistorizados de alta fidelidad para mejorar la distorsión armónica, aumentar el ancho de banda y estabilizar la dispersión de los componentes. Si bien todo esto es deseable en alta fidelidad, para un amplificador de guitarra eléctrica puede convertirse en un inconveniente.

La realimentación puede producirse también en forma externa, cuando parte de la señal del parlante ingresa nuevamente por un micrófono de voz (típico silbido) o en una guitarra al hacer vibrar las cuerdas.

Microfonismo

Este término se refiere al comportamiento microfónico de un dispositivo que no debiera tenerlo. Es decir pueden captar sonido y introducirlo en el amplificador. Hay básicamente dos casos, los micrófonos de la guitarra eléctrica, y las válvulas del pre-amplificador. Ambos pueden producir el típico silbido de la realimentación positiva. En el caso de las válvulas del pre-amplificador, indica un defecto que debe ser corregido. En el caso de los micrófonos de la guitarra eléctrica me refiero a que se produce el acople aún cuando la guitarra no tenga cuerdas. Esto es porque el micrófono tiene algún grado de movilidad interna que le permite captar sonidos. Esto se soluciona sumergiendo las bobinas en parafina derretida. Si bien representa un problema, se busca un cierto grado de microfonismo para captar el carácter de la vibración de la madera, pero no tanto para que se acople al pasar frente al parlante. El equilibrio ideal depende de los gustos y la calidad del luthier.

Volumen percibido versus potencia y sensibilidad del parlante

En el siguiente gráfico se puede observar como un equipo de 25W con un parlante de 102dB, uno de 50W con parlante de 99dB y uno de 100W con parlante de 96 dB tienen exactamente el mismo nivel máximo de volumen percibido. Asimismo se ve que un equipo de 100W suena solamente el doble más fuerte que uno de 10W ambos equipados con parlantes de la misma sensibilidad. Y un equipo de 4W solo 6 dB menos.

Volumen percibido versus potencia y sensibilidad del parlante