Nivel (audio)

En tecnología de audio, el nivel es la relación, expresada en decibelios (dB) , entre dos potencias, una de las cuales es la del punto de medición y la otra una potencia de referencia.

Definición

• La potencia es la cantidad que permite vincular la señal eléctrica con la señal sonora que describe, y el nivel de audio con el nivel de sonido. De hecho, la sensación sonora depende únicamente de la potencia de la onda sonora en cada una de las frecuencias que el oído puede distinguir.
• La señal eléctrica en los dispositivos de audio suele ser voltaje. Luego consideramos el valor efectivo de la tensión en una ventana de tiempo definida, es decir, la tensión continua que proporcionaría la misma potencia que la de la señal si se aplicara a una resistencia. La relación entre el valor efectivo de la señal y el de la referencia se expresa en decibelios. El decibel se define como el décimo del logaritmo de la relación de potencia, por lo que tenemos una magnitud establecida en una relación de potencia.
• El monitoreo de nivel a veces implica verificar que la amplitud de los picos de señal no exceda los límites permitidos. En este caso, el nivel de pico es la amplitud ,. Estrictamente hablando, deben usarse porcentajes, ya que la amplitud por sí sola no determina la potencia, y los decibeles en principio se aplican a las relaciones de potencia o valores efectivos, pero en la práctica, la mayor parte se expresa, a menudo este valor en decibelios.

Conveniente

En los sistemas de sonido , grabación de sonido , radio , televisión , procesamos información que es primero sonido en forma de presión acústica , luego procesada en forma de señal eléctrica , antes de volver a transformarse en presión acústica. La señal eléctrica es un voltaje o corriente eléctrica , cuya magnitud puede variar de un dispositivo a otro. Todo lo que importa, desde un punto de vista práctico, es su relación con el valor nominal.

Los instrumentos de monitoreo de nivel de audio indican la desviación del valor nominal en decibelios (dB) .

La graduación logarítmica es conveniente porque representa bastante bien la percepción humana, una vez que la señal se vuelve a transformar en ondas sonoras (ver Volumen ). Además, permite hacer adiciones donde sea necesario, con las tensiones, multiplicar y comparar cantidades muy diferentes.

Indicaciones del instrumento de monitoreo de nivel de audio

Indicación de nivel	Relación al valor nominal	Impresión de sonido
+16  dB	× 6,4
+10  dB	× 3,2	dos veces más fuerte (ver Sone )
+6  dB	× 2
+3  dB	× 1,4
+2  dB	× 1,25
+1  dB	× 1,12	aumento apenas perceptible
0  dB	× 1	Presión o presión acústica nominal
−3  dB	÷ 1.4
−6  dB	÷ 2
−12  dB	÷ 4
−14  dB	÷ 5
−20  dB	÷ 10	cuatro veces más débil
−40  dB	÷ 100	dieciséis veces más débil
−60  dB	÷ 1000	apenas audible en general

Varias instituciones de radiodifusión han definido estándares para los niveles y graduación de los instrumentos de monitoreo de nivel de audio.

Alineación de nivel

El procedimiento de alineación de nivel muestra la ventaja de considerar solo las relaciones a valor nominal. Consiste en ajustar las ganancias de entrada o salida de sucesivos dispositivos en la cadena de audio (por ejemplo, una salida de consola y una entrada de grabadora) para que todos sus instrumentos muestren el nivel de referencia.

No importa el valor en voltios ni la potencia disipada entre las máquinas: una vez alineados los niveles, ya no tocamos los ajustes intermedios, y sabemos que si la modulación es correcta en uno de los dispositivos, es correcta en todos. .

Ejemplo: alineación de nivel, consola analógica, grabadora digital:

1. Ingrese una señal de referencia de 1000  Hz en la consola;
2. Ajuste los potenciómetros y las barras de tiro para que el indicador de salida esté en 0 VU;
3. Ajuste el potenciómetro de entrada de la grabadora para que sea −18 dBFS (nivel de referencia estándar en Europa, −20 dBFS en Norteamérica y para teatros).

Al estar alineados los niveles de referencia, ahora tenemos que evaluar la señal de un VU-metro (en la consola) y de un PPM (en la grabadora).

Significado de los niveles: qué tener en cuenta

Los medidores de nivel de audio guían a los operadores que ajustan el equipo e intervienen para asegurar al mismo tiempo dos objetivos:

1. Los dispositivos de procesamiento de señales tienen un límite de nivel más allá del cual la distorsión de la señal está fuera de los límites permitidos. Los operadores deben asegurarse de que el valor de la señal no exceda los límites prescritos para el equipo.
2. Los operadores deben asegurar un volumen de sonido subjetivo ( sonoridad ) adecuado y correspondiente a las expectativas de los oyentes.

La importancia relativa de estos objetivos varía de un caso a otro. En cualquier caso, podemos decir que aunque están relacionados, no son iguales. Para lograr lo primero, debemos considerar el valor instantáneo de la señal más fuerte, mientras que es una cantidad relacionada con el valor efectivo que da el volumen del sonido ( sonoridad , sonoridad ). Es fácil ver que se trata de dos cosas muy diferentes.

Los instrumentos de seguimiento ( seguimiento ) a nivel están más orientados hacia una u otra función.

• El medidor de VU está orientado hacia el volumen . Da una indicación del valor rms medio integrado durante aproximadamente un cuarto de segundo. Deducimos los picos probables por hábito o intuición, o por oído; pero entonces ya es demasiado tarde.
• El PPM está orientado hacia el nivel máximo. Indica picos de modulación, integrados a más de 5  ms . El volumen se evalúa de oído.
• Los medidores de nivel máximo audio-digitales están dedicados exclusivamente a la monitorización de nivel máximo.

Con una señal variable, durante el funcionamiento, estos indicadores pueden dar información muy diferente, aunque estén perfectamente alineados.

Los dispositivos de monitoreo de señal digital desarrollados gradualmente a partir de 1980 combinan

• un verdadero indicador de pico que da la mejor idea posible del nivel máximo,
• un indicador de sonoridad, de los cuales hay dos tipos.
  • CBS  (en) (LK) que da una indicación de la sonoridad instantánea (constante de tiempo idéntica a la del VU-metro o SVI ).
  • Unidad de sonoridad EBU (LU) ( Unidad de sonoridad )) que proporciona una lista del volumen de sensación momentánea (de 0,4  s ), a corto plazo (4  s ) y todo un programa o programas de una estación, así como una indicación de Dinámica de sonido .

De cualquier manera, los operadores deben sintonizar los dispositivos lo mejor que puedan para una señal en constante cambio. Incluso cuando hay repeticiones, dos actuaciones nunca son exactamente iguales. Para que las sorpresas tengan las menores consecuencias posibles, existe una diferencia entre el nivel nominal y el nivel máximo. Esta diferencia se llama reserva o modulación proporcionada en el espacio para la cabeza en inglés ( altura del techo ). Se expresa en decibelios. La reserva tiende a reducirse a medida que los indicadores de nivel se vuelven más precisos y los operadores se ayudan con dispositivos de control dinámico , compresores y limitadores .

Cálculo de decibelios

Conversión

El decibel es una relación de potencia. Para comparar vatios, unidad de potencia, usamos la fórmula:

noIvmiatu=10Iniciar sesión10⁡WWrmiF[DB]{\ Displaystyle nivel = 10 \ log _ {10} {\ frac {W} {W_ {ref}}} \ qquad [dB]}

Para encontrar vatios a partir de decibelios

pagtuIssanovsmi=10noIvmiatu10WrmiF[W]{\ Displaystyle power = 10 ^ {\ frac {level} {10}} {W_ {ref}} \ qquad [W]}

Estas fórmulas son válidas para una señal estable y constante.

La potencia es proporcional al cuadrado del voltaje. El cuadrado es multiplicar el logaritmo por dos, entonces aplicamos las fórmulas:

noIvmiatu=20Iniciar sesión10⁡VVrmiF[DB]{\ Displaystyle nivel = 20 \ log _ {10} {\ frac {V} {V_ {ref}}} \ qquad [dB]}

Para encontrar voltios a partir de decibelios

tminosIono=10noIvmiatu20VrmiF[V]{\ Displaystyle tensión = 10 ^ {\ frac {nivel} {20}} {V_ {ref}} \ qquad [V]}

Estas fórmulas se aplican al valor efectivo , es decir, al valor medio del cuadrado de la cantidad.

Los valores dados en la tabla anterior son suficientes para todas las conversiones. Solo recuerda que multiplicar valores equivale a sumar decibelios y dividir equivale a restar decibeles.

Ejemplo: ¿cuánto es 33 dBu? :

• 33 dBu es 31 dBV (menos 2  dB )

• 31 = 20 + 6 + 6 -1
• 20  dB es equivalente a × 10
• 6  dB es equivalente a × 2
• 1  dB es equivalente a × 1,12 (o + 12%)

por lo tanto el valor en voltios es 10 x 2 x 2 ÷ 1,12 = 40-12% = 35 y que unas cuantas rondas precaución de 36  V .

(Los decibelios están hechos para ir rápido. No se preocupe por dividir entre 1,12 y no más de dos dígitos significativos).

Leemos este valor en una documentación (ninguna pantalla da este tipo de valor). Por tanto, se supone que se trata de una señal sinusoidal . Encontrado 36  V de rms , ¿cuál es la amplitud ?

La amplitud de una señal sinusoidal es √2 veces el valor rms, por lo que la amplitud es aproximadamente 1.4 × 36 = 50  V , lo que significa que la señal evoluciona entre +50  V y -50  V (si lee que la fuente de alimentación del circuito es de ± 48  V , eso no se puede hacer).

Ejemplo: ¿Cuál es el nivel máximo en el mejor de los casos para un circuito alimentado con ± 25  V  ? :

Suponga que necesita 2  V entre la fuente de alimentación y el pico de la onda sinusoidal para mantener una tasa de distorsión correcta.

• La amplitud de la sinusoide más grande posible es 23  V o 10 × 2 × 1,15,
• el valor efectivo es igual a la amplitud dividida por √2 (lo que hace −3  dB ),

por lo tanto, el valor de esta señal máxima (sinusoidal) es 20 + 6 + 1-3 = 24 dBV = 26dBu.

(Los decibelios están hechos para ir rápido, por lo que × 1,15 es lo mismo que × 1,12 y es 1  dB )

Ejemplo: un gráfico de barras muestra −23 dBu con ruido rosa, ¿cuál es el voltaje? :

Vamos a rendirnos.

El ruido rosa tiene un factor de cresta de 4 (o 12  dB ), mientras que una onda sinusoidal tiene un factor de cresta de √2 (3  dB ) A menos que el gráfico de barras indique claramente el valor que indica ( "verdadero valor eficaz», por ejemplo), no sé en qué valor de la señal se basa (máximo, pico, pico a pico, promedio, valor rms).

Si usamos niveles y no voltajes, es porque es lo único que cuenta para la explotación de equipos de audio. Si mantenemos los márgenes ( reserva de modulación , headroom ) es porque son necesarios para la mayoría de señales, mientras que las sinusoides solo se utilizan para alinear los sistemas.

Niveles de referencia

Los manuales de usuario, a veces inscripciones en el equipo, indican el nivel de referencia de la indicación en dB por unas letras después de las letras dB:

Niveles de referencia

Indicación	Nivel de referencia	Observaciones
dBu	0,775  V	Medido sin carga
dBm	1  mW	Medido en una carga de línea telefónica normal, 600  ohmios , 0,775  V corresponde a una potencia de 1  mW (0,001  vatios ) . DBm ya no se usa en audio.
dBV	1  V	Medido sin carga. Casi +2 dBu
dBFS	Digital a gran escala	Escala completa . La magnitud máxima de la escala digital. Siempre negativo
dBFSTP	Digital a gran escala	Pico verdadero de escala completa . El nivel de pico real, incluso entre muestras digitales, en relación con la magnitud máxima de la escala digital.
LUFS	Digital a gran escala	Unidad de sonoridad a escala completa . La sonoridad del programa, comparada con la dada por una onda sinusoidal a 1000  Hz a escala completa.

Para obtener más detalles y referencias, fuera del contexto de la señal eléctrica de los equipos de audio, consulte Decibel .

Niveles nominales de dispositivos

Las instrucciones de funcionamiento indican el nivel de salida nominal del equipo analógico.

• Nivel nominal de equipo profesional: 3,1  V rms para una señal sinusoidal (+12 dBu);
• Nivel nominal de las grabadoras de cinta analógicas: en Europa 320  nWb / m (nano Weber por metro), en los Estados Unidos, 185  nWb / m  ;
• Nivel nominal, línea de consumo no balanceada: a menudo −10 dBV.
• 0 VU con señal estable: +4 dBu (el estándar permite un avance que disminuye este nivel). El 0 VU debe estar 8  dB por debajo del nivel nominal incluso si este es diferente del nivel estándar.

El objetivo del sistema de nivel es que una vez, durante la preparación o el mantenimiento, nos hemos asegurado de que los instrumentos indican la situación de la señal en relación con la normal (nivel nominal), ya no tenemos que preocuparnos por cuántos voltios , amperios , vatios , pascales o webers .

Precisión del instrumento

Los instrumentos para controlar dispositivos de audio no son instrumentos de medición. Dan indicaciones para el uso óptimo del equipo, pero no están destinados a la medición física ni al mantenimiento. La alineación se realiza con señales sinusoidales , pero el medidor de nivel puede reflejar el valor pico, el valor pico a pico (que no es el mismo cuando la señal no está balanceada), el valor promedio o el valor rms , con varias constantes de tiempo. .

Es peligroso intentar convertir dB a voltios o W sin un estudio cuidadoso de la literatura.

Notas y complementos

Bibliografía

en francés

• Mario Rossi , Audio , Lausanne, Prensas Polytechniques et Universitaires Romandes,2007, 1 st  ed. , 782  p. ( ISBN  978-2-88074-653-7 , leer en línea )
• Jacques Van Den Driessche , “Introducción a la tecnología de audiofrecuencia” , en Daniel Mercier, Le livre des Techniques du son, volumen 2: la technologie , París, Eyrolles,1988
• Comisión Electrotécnica Internacional  : Electropedia 801-22-01 nivel , Electropedia 723-03-10 nivel de una señal de sonido , Electropedia 801-22-10 nivel de pico y Electropedia 806-16-37 nivel de salida máximo

normas

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• (en) UER / UER , UER - Recomendación R 128: Normalización de la sonoridad y nivel máximo permitido de señales de audio , Ginebra, UER / UER,agosto 2011( leer en línea )
• (en) UIT , Recomendación UIT-R BS.1770-2: Algoritmos para medir la sonoridad del programa de audio y el nivel de audio de pico real , UIT,marzo 2011( leer en línea ) ;

en inglés

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• (en) Eddy Bøgh Brixen , Niveles y lecturas de audio , DK Technologies,2007( leer en línea )
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• (en) Pat Brown , "System Gain Structure" , en Glen Ballou (ed.), Handbook for Audio Engineers , Nueva York, Focal Press,2008, c. 33
• ( fr ) Tim Carrol y Jeffrey RiedMiller , "Audio para televisión digital" , en Edmund A. Williams (Editor), Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores , Nueva York, Focal Press,2007, cap. 5-18
• ( fr ) Stanley Salek , Thomas Kite y David Mathew , "Audio Signal Analysis" , en Edmund A. Williams (Editor), National Association of Broadcasters Engineering Handbook , Nueva York, Focal Press,2007, cap. 8-1
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Artículos relacionados

• Modulómetro
• Medidor de VU o IVR , indicador de volumen estándar ( indicador de volumen estándar )
• Medidor de pico de programa , PPM ( medidor de pico de programa )
• Indicador de pico verdadero , indicador de nivel de pico verdadero
• Decibel
• dBFS , decibeles en relación con la escala completa ( decibeles en relación con la escala completa )

Notas

1. Rossi 2007 , p.  28.
2. Van Den Driessche 1988 , p.  13-14.
3. Chinn, Gannett y Morris 1940 .
4. Salek, Kite y Mathew 2007 , p.  1845-1846.
5. Radio y televisión, estándar EBU R-68-2000.
6. Estándar SMPTE RP155. Carroll y Riedmiller 2007: 1319
7. Brixen 2011: 91
8. (en) Descripción en inglés en Orban
9. ITU / UIT BS. 1771-2 adoptado y complementado por la Recomendación R-128 de la UER / UER.
10. Según la ley de Joule, P = U ² / R , donde P es la potencia, U es el voltaje y R es la resistencia de carga. Ver efecto Joule
11. Brixen 2011: 37
12. Brixen 2007: 112
13. Estándar CCIR / IEC, Brixen 2011: 153-154
14. Nivel Ampex, SMPTE, estándar NAB , Brixen 2011: 153-154
15. Van Der Driessche 1988: 23; Brixen 2011, cap. 12; Ballou 2008: 1000; Salek, Kite y Matthew 2007: 1847; Marrón 2008: 1227.

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