Todas las disciplinas tienen un lenguaje propio. Todas usan términos o definen conceptos que, fuera de contexto, suenan a chino mandarín. En el audio, el decibel es uno de esos conceptos.
La razón por la que son algo difíciles de entender, es que no son tan intuitivos como las unidades que usamos cotidianamente. Eso sí, son quizás la mejor manera de expresar lo que expresan, pero eso no quiere decir que no puedan ser algo confusos.
En este artículo, te voy a explicar de dónde vienen, para qué y por qué se usan los decibeles. Entender todo esto nos ayudará a mejorar nuestro entendimiento sobre el uso de herramientas que operamos a diario en el entorno de audio.
¿Qué son?
Son una unidad logarítmica que compara dos magnitudes de un mismo fenómeno. Con ella se pueden comparar cosas como voltajes, corrientes, potencias, ganancia, presiones sonoras, etc.
Seguro que lo viste en el colegio pero, el logaritmo (de una base determinada) de un número real positivo, es el número al que tenemos que elevar la base para obtener dicho número. El logaritmo más «común» es de base 10. Es decir que el logaritmo de 100 en base 10 es 2 ¿por qué? Porque debemos elevar 10^2 para obtener 100.
Los logaritmos (y por tanto, los decibeles) facilitan la comparación de números que tienen varios órdenes de magnitud de diferencia, cosa que sería muy poco práctica en el uso normal que les vamos a dar.
Mediante el uso de decibeles podemos hacer comparaciones entre una magnitud conocida y un valor que queremos conocer. A esto se lo conoce como «decibeles referenciados» y es lo que le da una verdadera utilidad al concepto.
Otro dato interesante acerca de los decibeles es que, no tienen unidades ya que son una medida de comparación entre dos magnitudes iguales; por ejemplo dos valores de presión sonora, voltaje, corriente, etc.
Como curiosidad, el término decibel proviene de la unión del multiplicador «deci» que quiere decir «10» y «Bell», en honor a Alexander Graham Bell.
El uso de los decibeles: una cuestión de percepción
La manera en la que el ser humano percibe distintos fenómenos entre ellos: los cambios de presión sonora, intensidad lumínica, etc. es no lineal. Es decir por ejemplo, un cambio del doble de la presión sonora en pascales, no es percibido como el doble para el sentido de la audición, más bien el cambio va a seguir una razón logarítmica.
En contrapartida el peso es una unidad lineal, ya que por ejemplo una persona de 20 kg pesa el doble que una de 10 kg; porque en ese caso no estamos hablando de un fenómeno que involucre la percepción.
En el ser humano los cambios percibidos en la presión y frecuencia están basados en el cambio porcentual de una condición inicial, por lo tanto siguen una razón matemática. Por ejemplo se ha demostrado que para incrementar el nivel subjetivo producido por un parlante, la potencia aplicada debe aumentar en 26 %, más allá de la cantidad inicial. Si teníamos 1 Watt inicialmente debemos aumentar a 1.26 Watts para percibir el cambio. En cambio si tenemos 100 Watts inicialmente, necesitamos 126 Watts para producir el mismo incremento subjetivo.
Por este motivo para el cálculo del decibel se usan los logaritmos, que son números proporcionales. En particular se usa la base 10 para los cálculos con logaritmos en audio.
Ejemplo de algunos valores numéricos y su equivalencia en Bels.
Como podemos ver en la tabla los logaritmos cumplen dos propósitos, actuar como una proporción y al mismo tiempo comprimir la escala de valores, para poder usarlos con mayor simplicidad.
Para calcular el decibel o dB, tan solo debemos multiplicar por 10 el valor obtenido en el cálculo del Bel.
dB = 10 log (W1/W2)
La expresión para calcular el decibel está definida para la potencia, tanto eléctrica como acústica. Si queremos calcular lo que sucede con magnitudes que no son la potencia, por ejemplo: voltaje o presión sonora, es necesario hacerlas proporcional a la potencia, mediante la ecuación de la potencia.
Ecuación para el cálculo de la potencia, expresada en términos de voltaje:
W= (V2/R)
Donde,
W es la potencia en Watts.
V es Voltaje en Volts.
R es la resistencia en Ohms.
Teniendo en cuenta esto último y para simplificar la operatoria, el cuadrado del voltaje pasa a multiplicar la expresión del decibel. Por lo tanto para el cálculo de voltaje y presión sonora la expresión del decibel es:
dB = 20 log (V1/V2)
Decibeles referenciados
En muchas de las aplicaciones del decibel se usan valores referenciales de la magnitud estudiada, para establecer un punto de comparación que tenga significado práctico. Los decibeles que usan una unidad comparativa se llaman referenciados.
Dependiendo el fenómeno que estemos estudiando: presión sonora, voltaje, potencia eléctrica, etc. vamos a usar distintas referencias en cada caso. Los valores de las referencias, provienen de una cantidad significativa para el fenómeno en cuestión.
Ejemplos de algunos de los decibeles referenciados más usados en audio.
dBNPS (Nivel de Presión Sonora)
Se usa cuando estudiamos la presión sonora y se refiere a cuan «fuerte» suena o se percibe una fuente, ya sea un instrumento musical, parlante, voz, etc. La referencia que se toma para el cálculo es el sonido más bajo que puede escuchar una persona sana y joven, en las frecuencias medias. También llamado umbral de audición.
La presión sonora se mide en pascales y la referencia es de 20 micro pascales (20x 10-6), que equivale a 0 dB. Recordemos que al tratarse de una medida de presión la expresión para el cálculo del decibel es:
dBNPS = 20 log (P/20×10-6 )
Para darnos una idea de la amplitud del rango de escucha del oído, este va desde el valor de referencia, 20 micro pascales, hasta 200 pascales que equivalen a 140 dB. La variación de la presión sonora es inmensa y es superior a un millón de veces, lo que transforma al decibel en una unidad idónea para comprimir la escala y hacer comparaciones sencillas.
El ser humano tiene un rango tan amplio de escucha, como un factor evolutivo que nos permite estar alerta de los peligros que pueden avecinarse. En épocas antiguas un sonido fuerte significaba algún animal grande o suceso que había que anticipar.
Rango de audición del oído humano demostrado con valores relativos en presión sonora y decibeles.
Ponderaciones
Son curvas de atenuación que se aplican en la medición de la presión sonora, para acercar la misma a lo que percibe el oído a distintos niveles y frecuencias. Esto se debe a que el oído no tiene la misma respuesta en frecuencia a todos los niveles de presión sonora. Específicamente tiene un pronunciado filtro en bajos y agudos en especial a bajos niveles de escucha.
Entonces las mediciones con sonómetros/decibelímetros a bajos niveles de presión sonora, tienden a reflejar valores mucho mayores que el nivel percibido, que es el que necesitamos evaluar. Recordemos que las bajas frecuencias influyen mucho en la medición.
Por este motivo y para reflejar mejor como actúa el oído ante distintos niveles de presión sonora, se crearon curvas de ecualización inversas a la respuesta del oído. De esta manera se compensa la lectura y los valores que se obtienen son más realistas. Las curvas usadas normalmente son tres (A,B y C) y cada una se usa en un rango de nivel de presión sonora.
Curva A: Es una inversión de la curva de 40 phones de audición, está pensada para mediciones de presión sonora menores a 55 dB. El resultado de la medición es en dBA.
Curva B: Es una inversión de la curva de 70 phones de audición. Está pensada para hacer mediciones con nivel de presión sonora intermedio, de 55 a 85 dB. El resultado de la medición es en dBB.
Curva C: Es una inversión de la curva de 100 phones de audición. Está pensada para hacer mediciones con un nivel de presión sonora alto, mayor a 85 dB. El resultado de la medición es en dBC.
Curva de respuesta en frecuencia generada con las ponderaciones A, B Y C.
Decibeles de potencia
En audio se usan principalmente dos decibeles referidos a la potencia, dependiendo del valor que se maneja en cada situación. Con valores bajos de potencia se usa el dBm y con valores altos se usa el dBW.
dBm
Es un decibel referido a una potencia de un mili Watt para una carga de 600Ω. Recordemos que muchas de las cosas que usamos hoy en día en audio, provienen de la telefonía o las radiocomunicaciones. En un comienzo las empresas de telefonía medían el nivel de las señales que enviaban por la línea, que tenía una impedancia de 600 Ω.
En esos tiempos la transferencia de señales óptima, requería que la impedancia entre el dispositivo de salida y de recepción estuviera igualada. A esta transferencia se le llama de máxima potencia y es por eso que muchos equipos, algunos hasta la fecha, tienen una impedancia de salida de 600 Ω.
dBm = 10 log (P/1×10-3 W)
dBW
Es un decibel referido a una potencia de 1 Watt, se usa cuando las potencias son iguales o mayores a 1 Watt. Por lo tanto está pensado para señales de potencia importantes, como son las que entregan los amplificadores de potencia para uso doméstico, de estudio o refuerzo sonoro.
dBW= 10 log (P/1 W)
Decibeles de voltaje
En general vamos a encontrar que los equipos de audio para uso doméstico o profesional, especifican el voltaje de salida en dos medidas de voltaje: dBu (ámbito profesional) y dBV (ámbito doméstico o semi-profesional).
dBu
Es un decibel que tiene como referencia 0.775 Volts, sin una carga asociada y de ahí proviene la u (unloaded). El valor de referencia tiene que ver con hechos históricos, ya que se tomo justamente el voltaje necesario para generar 1 mili Watt en una carga de 600 Ω.
dBu= 20 log (V/0.775)
Los dispositivos de audio modernos no trabajan con el concepto de impedancia de salida y entrada igualada, como en el caso del dBm. Más bien usan impedancias de salida muy bajas e impedancias de entrada muy altas. De esta forma se prioriza la máxima transferencia de voltaje, que es mucho más conveniente que transferir potencia eléctrica.
El nivel de salida o de línea de la mayoría de equipos de audio profesional es +4 dBu, que equivale a un voltaje RMS de 1.23 Volts. Este valor de voltaje tiene que ver con el rango de operación de los circuitos operacionales modernos y permite tener suficiente headroom para la señal, antes de la distorsión.
dBV
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Es un decibel de voltaje que tiene como referencia 1 Volt RMS y es normalmente usado para especificar el nivel de línea en equipos de audio semi-profesionales, tales como reproductores de CD, DVD, video juegos, entre otros.
dBV = 20 log (V/1)
El nivel de línea especificado en este decibel es de -10 dBV y es equivalente a 0.316 V RMS. Este valor de voltaje tiene que ver con el rango de operación de los circuitos operacionales de menor calidad (notar que el valor es aproximadamente cuatro veces menos que el voltaje usado para el nivel de línea profesional); por lo tanto los dispositivos que usan este nivel de línea son más propensos al ruido, que se puede inducir por fuentes de interferencia electromagnéticas.
Digital
dB FS (Full Scale)
Es el decibel usado en los sistemas digitales, tales como los secuenciadores o D.A.W, para referirse al máximo nivel de voltaje peak que puede tener una señal antes de clippear el conversor digital. La idea de este decibel es establecer el máximo nivel posible que puede tomar la señal para no distorsionar.
Algo importante que hay que notar es que la escala de los secuenciadores esta definida en números negativos, ya que el 0 dB representa el tope de la escala y de ahí el nombre Full Scale. Esta referencia puede ser algo confusa, ya que para trabajar en el secuenciador vamos a estar usando valores negativos en decibeles. Tanto para la etapa de ganancia, umbrales del compresor, entre otros ajustes.
Conclusiones
Tal vez los decibeles no son algo que usemos en nuestra vida diaria, fuera del audio o las telecomunicaciones, sin embargo son una herramienta muy útil y fundamental para un montón de disciplinas y aplicaciones entre ellas el sonido y audio.
Como vimos el decibel fue adoptado como unidad de amplio uso en el audio gracias a que se correlaciona bastante bien con la manera en la que el oído humanopercibe los niveles y la frecuencia. Una de las cosas que hace el decibel es comprimir el inmenso rango de valores de presión que el oído es capaz de percibir y nos lo presenta con unos números mucho más digeribles.
Los decibeles nos van a servir para comparar especificaciones entre distintos dispositivos o equipos de audio, de una manera fiable y equitativa (siempre que el fabricante sea honesto en sus mediciones); es decir nos sirven como marco de referencia.
Como siempre espero que este artículo haya sido útil y que haya aclarado de manera sencilla algunos de estos conceptos, que pueden resultar algo complejos en principio. Creo que sin duda el conocer mejor las herramientas con las que trabajamos nos permite hacer mejor uso de ellas en la práctica.
