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Fundamentos del sonido digital

 


Para comprender las características del sonido digital, primero se hará una pequeña introducción de las características del sonido y sus conceptos mas básicos.
El sonido son vibraciones de las partículas de aire que se propagan a través del aire, gracias a estas partículas del aire que se mueven, las vibraciones llegan a nuestros oídos.

 La audición en los seres humanos, ocurre siempre que una vibración tenga una frecuencia comprendida entre unos 15 y 20.000 hercios, y su intensidad sea la suficiente para llegar al oído interno. 

Cuando las vibraciones pasan estos márgenes se habla de ultrasonidos y no son perceptibles al ser humano.
Las características del sonido se puede medir y para ello se usa las unidades de hertzios (Hz) que miden la frecuencia de un sonido o sea cuantas veces vibra en un segundo, y los decibeles (Db) que mide la intensidad (amplitud) de una onda.


El oído y un micrófono incorporado a la tarjeta de sonido tienen un funcionamiento similar. Ambos transforman las vibraciones
del aire en una señal eléctrica que puede ser comprendida y almacenada por sus respectivos cerebros. 

Esta señal puede ser guardada, manipulada o reproducida por los medios electrónicos adecuados.

Muestra de cuatro sonidos con distinta frecuencia

Muestra de un mismo sonido a tres distintas intensidades

2. Computador Y Sonido

La palabra digital nos indica la presencia de procesos numéricos para concretar un hecho (imagen, sonido, etc.), los sistemas de audio digital tienen circuitos eléctricos para guardar el registro de la música, en pocas palabras lo que hacen estos circuitos es grabar una larga cadena de números (digitalización o muestreo) con un dispositivo llamado conversor análogo digital (ADC), que se encarga de monitorear la evolución de la onda y asignarle a cada momento un valor numérico, luego ese valor numérico es decodificado por un conversor llamado digital-análogo (DAC).

Calidad Del Sonido Digital
La calidad del sonido depende de la frecuencia del muestreo y a la resolución.
Frecuencias de muestreo o de sampleo, se refiere al numero de mediciones que se hacen por segundo. Cuanto mayor sea el numero de muestras mejor es la calidad del sonido, por ejemplo si la velocidad de muestreo es de una cada un segundo las variaciones del sonido que se produzcan en el intermedio no serán registradas. 

Según estudios, la frecuencia de muestreo debe ser el doble del sonido mas alto que se pueda escuchar, como el oído humano puede escuchar aproximadamente hasta los 20.000 Hercios, la frecuencia optima de muestreo será de 44,1 Khz. (44.100 hercios), esta la frecuencia que se usa en los CD de música. 

Como los instrumentos o las voces humanas no pasan la frecuencia de los 10 Khz., con una frecuencia de muestreo de 32 Khz. es mas que suficiente, al bajar mucho la frecuencia de muestreo el sonido se vuelve opaco o poco nítido pues se pierden las frecuencias agudas.
La resolución, el término hace referencia a la exactitud de las medidas de frecuencia. Se mide en bit, si la resolución es de 8 bit tenemos 256 niveles posibles (2^8=256). Si se amplía a 16 bit el rango se extiende a 65.535 (2^16=65536). Como referencia se puede decir que un disco compacto se graba a 44,1 Khz. y a una resolución de 16 bits.
Si se desea digitalizar 3 minutos de música a un muestreo de 44,1 Khz. y almacenando por cada muestra dos bytes (16 bits) se obtiene lo siguiente:
 

3min x 60 seg/min
x 44100 muestras/seg
x 2 bytes/muestra
---------------------------
15.876.000 bytes

El cálculo nos indica que Para almacenar una canción de tres minutos con calidad profesional se necesitaran 16 MB aproximadamente. 

Es aquí donde surge el problema, pues aunque los discos duros u otros medios de almacenamiento han crecido mucho, tener varias canciones significaría ocupar gran parte del disco del computador, Para solucionar este problema se han desarrollado formatos de archivo que permiten realizar grabaciones de sonido con muy buena calidad usando un método de compresión, el problema es que el sonido no puede ser editado para ser modificado.
A continuación se da una breve descripción de los formatos mas usados y que con su desarrollo han aportado al mundo de la informática, además se muestran los softwares desarrollados para los formatos mencionados.

3. Formatos de sonidos mas populares

Formato MIDI
El formato MIDI proviene de Musical Instrument Digital Interface. (Interface digital para instrumentos musicales) Es un protocolo de comunicación estándar utilizado para combinar datos entre sintetizadores, software, procesadores de efectos y otros dispositivos MIDI.
Este es el formato mas usado en la composición musical y tiene generalmente la extensión mid (rmi). El archivo contiene información de secuenciado, es decir, acerca de cuando tocar que instrumento y de que forma, dependiendo del hardware, el sonido puede ser excelente o bien muy por debajo de lo aceptable.
Los sonidos (timbres) de los diferentes instrumentos tienen un numero de programa y van desde el 1 al 128, generalmente se asigna el 1 al piano, además cada programa tiene parámetros propios como por ejemplo conque intensidad atacar un sonido.
Toda la información MIDI que puede procesar un teclado, sale como "Midi Out" y entra por el "Midi In" del computador, donde es completamente reconocido, interpretado y convertido en números, esto puede ser editado y manipulado gracias a un software.

Algunos softwares para formato MIDI

  • TiMidity. Se recomienda por su buen sonido, el inconveniente es el gran uso de la CPU, puede convertir desde Midi a Wav.
  • Playmidi. Se dice que es mas rápido que otros, también reproduce ficheros RIFF, Creative Music. También tiene una opción de reproducción de tiempo real
  • CakeWalk Pro Audio, es un excelente programa para edición de sonidos MIDI, permite grabar o reproducir desde un sintetizador conectado a la tarjeta de sonido.
  • MIDI Editor, editor y biblioteca de archivos MIDI tiene gran calidad de digitalización.
  • Mplayer, programa que se incluye con Windows, muy pequeño y práctico.

Reproductores de Multimedia de Windows

En la imagen se muestra el sencillo pero útil software incluido con Windows, llamado Mplayer. Puede leer una serie de formatos de sonido y de video, ésta versión es del año 1997, la que se muestra abajo es Mplayer2 del año 1999 2000, con herramientas para Internet.

Formato WAV
El formato WAV, (Waveform Audio File) es un formato de archivo originario de Microsoft Windows 3.1, tiene normalmente la extensión Wav. Es el formato para almacenar sonidos mas utilizado por los usuarios de Windows, lo flexible de este formato lo hace muy usado para el tratamiento del sonido pues puedes ser compreso y grabado en distintas calidades y tamaños los Khz. van desde 11025, 22050, 44100). Aunque los archivos Wav pueden tener un excelente sonido comparable a la del CD (16 bites y 44,1 Khz. estéreo) el tamaño necesario para esa calidad es demasiado grande (especialmente para los usuarios de Internet) una canción convertida a Wav puede ocupar fácilmente entre 20 y 30 Mb. La opción mas pequeña es grabar a 4 bits y los Khz lo mas bajo posible, el problema es la baja calidad del sonido, los ruidos, la estática, incluso cortes en el sonido, por esta razón casi siempre se usa para muestras de sonido. La ventaja mas grande es la de su compatibilidad para convertirse en varios formatos por medio del software adecuado, un ejemplo de ello es pasar de Wav a Mp3

Algunos softwares para formato Wav

 

Grabadora de sonido, herramienta incluida con Windows, permite editar sonidos Wav de corta duración.

Formato MP3
Formato MP3. Este formato de compresión de audio qu fue creado por el Moving Picture Expert Grup, (diseñadores y programadores de normas de compresión de audio y video) trabajando bajo la dirección de International Standards organizatión (ISO). 

Se identifican con la extensión MP3, esta norma fue lanzada el año 1995 a la Internet, actualmente se trabaja en el sucesor que será el MP4 con una compresión de 40 a 1. La calidad de sonido del MP3 y su pequeño tamaño lo hecho muy popular en Internet, su algoritmo se basa en la forma de escuchar que tiene el oído humano, pues las frecuencias que quedan fuera de la audición no son registradas en el archivo (las mayores de 20khz y las menores de 20hz). 

Esto se traduce en archivos mucho mas pequeños, sin una perdida de la calidad del sonido.
Al usar el formato a MP3 se puede reducir la pista de un CD a un factor de 12 a 1, (1 minuto de calidad CD en formato MP3 equivale a 1MB aprox.) pero lo mas importante es que no pierde calidad de sonido. 

Factores de incluso 24 a 1 son aceptables. El uso mas corriente que se la da a estos formatos es el de almacenamiento de música por lo que primero se debe grabar el CD en el disco duro del computador para luego pasarlo al formato MP3, para esto se debe tener un Ripeers que cumple la función de pasar desde formato CDA (CD) a Wav, (existen algunos CD no aceptan ripeado), luego se debe tener un encoder estos programas pasan de formato Wav a MP3. Se debe tener en cuenta la calidad que se desea, a mayor tamaño de archivo mayor calidad. 

Esto se especifica eligiendo los Kbps (512, 256, 128, 64, 32, 20, 16), los Khz (48000, 44100, 32000, 24000, 22050, 16000, 11025, 8000) y si es estéreo o mono y como es la calidad del Wav que se está trabajando.
La desventaja de estos archivos es que se necesita una maquina potente pues usan a fondo el procesador, pues al igual que los formato Zip deben descomprimirse para poder escucharse.

Algunos softwares para MP3

Programa para reproducir formato MP3, el mas usado actualmente por su diseño y rapidez, se puede bajar gratis desde Internet (Winamp.com). Además puede reproducir otros formatos como Midi, Wav etc.

Formato VQF
El formato VQF, es un nuevo formato de compresión de áudio desarrollado por la empresa japonesa Yamaha, tiene carácterísticas similar al MP3, pero la compresión y calidad es mejor, se habla de un 30% menos de tamaño, un VQf de 96 kbps es mejor que un MP3 de 128 Kbps. 

El formato no es aun muy difundido en comparación con el MP3, pero se cree que es cuestión de tiempo para que los usuarios comparen las ventajas del archivo y su popularidad suba.
Todas estas ventajas se convierten en desventajas al pensar en el hardware, pues necesita mayor cantidad de RAM (mínimo de 16, se recomienda 32) y de velocidad (Pentium de 200 Khz), aunque se dice que si se corre un MP3 mientras se trabaja en otra cosa y el computador soporta, tendría que soportar este formato. 

Otra desventaja es que los archivos no se pueden llevar a un formato Wav aunque se trabaja en esto.
Aunque es muy nuevo exite un plugin lanzado por MP3 para escuchar este formato, otro programa es de MP3 player llamado K-jofol

Formato RA
(Real Audio), este es el formato mas usado en Internet por su capacidad de reproducción en tiempo real, esto significa que mientras el archivo es bajado se escucha el sonido y cuando se termina de bajar el ya fue reproducido.
Este formato fue desarrollado por RealNetworks. Esta empresa a puesto a disposición de los usuarios softwares para recibir y enviar en tiempo real (Tanto video como Sonido), La empresa es reconocida como una de las mas importantes en el mundo informático pues a puesto a su formato RA a la altura del Wav o del MIDI en popularidad.
El problema mas grabe que tiene es que puede cortarse la reproducción del áudio cuando hay interrupción en la señal de datos, esto ocurre cuando el usuario usa un módem muy lento o hay mucho trafico en la red. 

Real Audio desarrolla una mejora en su formato (RealSystemG2), que incrementa la frecuencia de áudio en un 80% logrando en módem de 28,8 Kbps una mejora en la calidad del áudio. El problema surge en el almacenaje pues producirá archivos demasiado grandes sobretodo para el envió por correo electrónico.

Este producto puede tocar archivos antiguos de RA , Wav. Puede ser usado por Mac y PC.
Para reproducir estos archivos se debe tener Real Audio Player instalado ,el sistema debe contar con:

  • PC superior a 486/66hz
  • 16 MB de RAM
  • 8 MB libre en disco duro
  • Tarjeta de sonido compatible con Windows 95/nt
  • Conexión con Internet, con modem de 28 Kbps

Programa Real Player para escuchar o ver videos desde De Internet, sin la necesidad de almacenar en el disco duro. Es el mas usado por su rapidez, el sonido tiene mejor calidad en las versiones nuevas.

Comparación Entre Formatos

 

FORMATO

EMPRESA

CALIDAD DE SONIDO

TAMAÑO / MIN.

MIDI

Dave Smith

Sonido puro (digital)

21 KB

WAV

Microsoft

Óptimo y flexible

5.3MB

MP3

Moving Picture Expert Grup

Excelente, depende del Wav originario

440 KB

VQF

Yamaha

Optimo, en experimentación

280 KB

RA

Real Networks

Monofónico, Suficiente para sus fines

850 KB

Cada minuto de sonido se toma a la maxima calidad (16 bit y maximo muestreo)

4. Otros Formatos

.au

Formato de sonido muy común encontrado en Internet. Por lo general son de 8 bit y poseen menor calidad que otros formatos. El programa mas usado para este tipo de archivo es Waveform Hold and Modify, que soporta muchos formatos, conversiones entre ellos y funciones de edición y corrección de archivo.

.aiff

( Audio Interchange File Format). Formato de sonido muy simple y popular en Internet, es un formato originario para Macintoch parecido al wav por su tamaño, también puede ser usado en otras plataformas, requiere los mismos programas que el formato au, anteriormente mencionado.

.voc

Son similares a los archivos wav, la diferencia es que traen marcadores de sincronización especialmente para ser usados con imágenes, videos u otros sonidos en aplicaciones multimedia.

.mod

Es la extensión que se aplica a un tipo de fichero que utiliza muestras de de instrumentos digitalizados para crear composiciones en secuenciadores especiales llamados trakers, se comenzó usando solo 4 pistas y actualmente llegan a 32, la calidad sonora es buena y se sigue mejorando. Puede tomar como muestra cualquier sonido digital, el tamaño de los archivos es pequeño y para la reproducción se requiere no se requiere de software especializado.

5. Bibliografía

1.- Microsoft Encarta 98
2.- Sitio Internet Maestros de Web
3.- Sitio Internet Monografías
4.- Sitio Internet VQF
5.- Sitio Internet Winamp
6.- Sitio Internet Real Audio
7.- Sitio Internet MP3
8.- Sitio Internet Universidad de Valladolid
9.- Sitio Internet member.tripod
10.- Sitio Internet Fortunecity

Trabajo enviado por:
Ivan Vejar Vera
rexvej2@hotmail.com
Profesor: Música y computación

Creative Commons License
Artículos ORL by Dr. F. Leandro Loiacono is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Argentina License.
Based on a work at www.alfinal.com/orl.
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