ACÚSTICA BÁSICA Y AVANZADA

     La Acústica es la rama de la ciencia que estudia el sonido y los fenómenos que lo generan.
¿Qué entendemos por sonido?
Podemos simplemente llamar sonido a lo que percibimos a través de nuestros oídos, o bien explicarlo como un fenómeno psíquico, una reacción de nuestro organismo ante un estímulo, que procesado por un complejo sistema auditivo da como resultado una sensación. La verdad, aunque parezca extraño para muchos, es que no existe el sonido, es sólo un producto artificial creado por nuestra mente, algo virtual. Este último comentario quizás no sea muy incentivo para que el lector continúe, pero sí lo será el conocer las razones de tal hecho.

Es fundamental que el técnico, o bien el "moderno artista del sonido" conozca en detalle los temas relacionados a la Acústica, ya que trabajará no sólo sobre composiciones, rítmicas y melodías, sino también sobre el sonido en sí mismo como cuerpo individual de un conjunto ordenado, ya sea modificándolo, creándolo, mutándolo, reparándolo, adaptándolo, etc.

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     Intentaremos primeramente explicar el sonido de una forma somera, para luego extendernos y profundizar. Vamos a imaginar para esto un suceso sonoro de las siguientes características: En un ambiente cualquiera, se pulsa una cuerda de guitarra.
El cuerpo que genera el sonido (cuerda de guitarra) comienza por una vibración propia, esta vibración del cuerpo se disipa en el ambiente en forma de presiones y depresiones, generando ondas de prisión que se propagaran en forma omnidireccional. Es decir, hacia todos lados y en forma circular, de forma análoga a las ondas que se generan en el agua al tirar una piedra, creándose ondas en forma de circunferencias que se expanden ampliándose en la superficie del agua.
Éstas ondas llegan hasta nuestros oídos, órganos sensibles a las mismas, los cuales son capaces de interpretar las presiones y depresiones, y procesarlas para enviarle al cerebro una pseudo-información, que él mismo interpretará finalmente como un sonido.

¿Por qué no existe entonces el sonido? Digamos entonces que nuestro sistema se adaptó con el tiempo al medio ambiente, y como manifiesto de este fenómeno buscó una forma de comunicarnos cada vez que algún cambio se diera en el entorno, utilizando un medio diferente a la vista. El hombre luego aprovechó esta adaptación como un recurso cuando vio que podía generar sonidos y tener control sobre el sonido que generaba, y así creó las artes relacionadas al sonido, como la música, la producción sonora, etc. (O bien, las alarmas contra incendios, timbres, campanas, etc.).

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3.1. Concepto y tipos de onda

     Para entender qué es en realidad una onda, imaginemos un cubo muy grande representando un ambiente, y el mismo completamente lleno de bolitas (canicas), de forma tal que nada más en absoluto pueda caber en nuestro cubo. Ahora bien, ¿Qué sucedería si dentro del cubo algo se moviera fuertemente? Sea lo que sea que se mueva, golpearía contra una o más bolitas, las que a su vez golpearían a las que están a su alrededor, y así sucesivamente hasta que las bolitas se choquen contra las paredes o bien provoquen el desbordamiento del cubo.
Volvamos ahora al ejemplo anterior donde teníamos un ambiente, y una cuerda de guitarra era pulsada. La cuerda de la guitarra vibrará a una altísima velocidad (miles de veces por segundo) golpeando las moléculas de aire que tiene a su alrededor generando presiones de aire que se moverán de forma omnidireccional propagándose por todo el ambiente, llegando a nuestros oídos, golpeando y rebotando en las paredes, y extendiéndose por el medio hasta perder energía y desaparecer. A ese movimiento ondulatorio de presión lo llamamos onda.
En Física existen dos tipos de ondas, que son las llamadas transversales y longitudinales. El primer caso, las transversales, es el movimiento que se genera a lo largo de un plano, en el cuerpo mismo, aplicable al caso de la cuerda de guitarra (y demás instrumentos de cuerda). Este tipo de ondas son estacionarias, no son ondas de propagación sino que permanecen dentro del cuerpo que las genera, sin salir al exterior. (Las moléculas que conforman la cuerda de guitarra estarían golpeándose las unas a las otras, generando una presión en movimiento dentro del cuerpo de la cuerda).
El sonido llega a nuestros oídos a partir de las ondas longitudinales, que se generan a raíz de las anteriormente mencionadas, ya que como se dijo, transfieren presiones al medio propagando la onda. Cualquier cuerpo físico puede vibrar, y por ende generar ondas longitudinales.

3.2. Presión y compresión

     Decimos que los cuerpos vibran, y transfieren presión al medio. ¿Cómo sucede esto? El cuerpo al moverse comprime el aire que se encuentra frente a él, es decir, el espacio que separa las moléculas de aire frente al cuerpo, disminuye; apareciendo entonces una “Zona de compresión”. La misma alcanza un máximo de compresión cuando el cuerpo que las comprime se detiene (la cuerda que se estira hasta un máximo posible, para flexionarse hacia atrás y volver). Desde este punto, la zona comprimida se desplazará por el medio formando un frente de presión. Las próximas oscilaciones de la cuerda generarán una y otra vez zonas de presión hasta dejar de vibrar.
Las ondas de sonido se desplazan así por el aire, de molécula a molécula, mediante la transferencia de presión recibida por el cuerpo vibratorio (la cuerda), sin existir traslado de materia sino de presión, volviendo cada molécula a su posición original después de transferir la presión a sus vecinas.
Pero para que realmente exista sonido propiamente dicho, este fenómeno debe cumplir ciertos requisitos: es necesario que estos cambios de presión producidos en el aire sean armónicos, que sucedan de forma sucesiva y oscilatoria.
Para ejemplificar esto dicho, utilizaremos el ejemplo clásico de la lamina que vibra sujeta en un extremo (Fig. a.1), este tipo de onda se denomina “Sinusoidal” (Fig. a.1 y a.2)

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     Todas las ondas tienen los siguientes parámetros, que son atributos variables de las mismas que diferencian unas de otras:

a. AMPLITUD: Es la elongación máxima de la onda, corresponde al máximo de presión que ésta imprime en el medio. Cuanto mayor sea la amplitud, mayor será la intensidad de sonido que percibiremos, por ende, decimos que la amplitud está relacionada con el volumen.

b. PERÍODO: En el movimiento uniforme de la onda, el período es el tiempo que tarda en dar una vuelta completa. En el gráfico podemos verlo como el tiempo transcurrido desde el punto donde se genera la onda, pasa por el punto máximo de amplitud, decae hasta el punto mínimo de amplitud, y vuelve al punto inicial. Si cortáramos ese tramo, podríamos doblarlo y forma un círculo.

c. PRESIÓN o AMPLITUD DE MUESTREO: Es el valor máximo de presión tomado mediante un muestreo en cualquier momento. Sirve para conocer la intensidad máxima de la presión en un instante deseado.

d. AMPLITUD PICO a PICO: Es el valor máximo de presión y depresión que es capaz de generar la onda, la que dará lugar al volumen máximo que percibiremos. Estará dado por la energía inicial con que el cuerpo genera las presiones de aire.

e. CICLO: Es la compresión tomada desde el punto inicial o de no-compresión, hasta su máximo de compresión. Desde este máximo, hasta su máximo inverso (depresión), y de éste hacia su estado inicial. Podríamos definirlo como una oscilación completa de la onda.
La cantidad de ciclos por segundo se denomina frecuencia.
(Fig. b.1)

f. FRECUENCIA: Es la cantidad de ciclos que una onda puede generar en un segundo. Se mide en Hertz, y es la función inversa del período. Si sé que el período de una onda es 0.5 seg. (tarda 0.5 seg. en completar un ciclo), la frecuencia de la onda será entonces de 2 ciclos por segundo, o 2 Hertz.
En otras palabras, el período me dice cuánto tiempo tarda una onda en realizar un ciclo completo; y la frecuencia, la cantidad de ciclos que la misma realiza en un segundo.

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5.1. Velocidad de propagación

     Ya hemos visto que el sonido se propaga por el medio donde se ubica el cuerpo que lo genera, transfiriéndose la presión de molécula a molécula de aire. Cuanto más cerca estén entre sí dichas moléculas, será menor el tiempo que tardará una en transferirle esa presión a sus vecinas, por ende, será mayor la velocidad de propagación.
En medios más densos, donde las moléculas están muy cerca unas de otras, la velocidad de propagación es superior, ya que alcanza a sus vecinas mas rápido.
Existen sin embargo varios factores que resultan variables de la velocidad de propagación en un medio, como ser la temperatura. Cuando la temperatura es mayor, el medio es menos denso, ya que por ley física las moléculas tienden a alejarse entre sí cuando se da dicha condición.
En el aire, a una temperatura de entre 0º C y 20º C, la velocidad de propagación es de entre 330 y 340 mts./seg.. Supondremos entonces que cuanto mas frío esté el aire, la velocidad de propagación será mayor; pero la Física pone aquí otra variable: Entre las moléculas existe lo que se llama energía cinética, y es la utilizada por éstas para moverse de un lado a otro. Al aumentar la temperatura en ciertos medios, la cantidad de energía cinética entre las moléculas también aumenta, y esto produce una mayor velocidad de propagación.

A continuación, tenemos una tabla de velocidad de propagación en diferentes medios:

MEDIO	VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
Aire a 0º C	333 mts/seg
Aire a 20º C	343 mts/seg
Vapor de agua	401 mts/seg
Agua dulce	1450 mts/seg
Agua de mar	1504 mts/seg
Gasolina	1166 mts/seg
Acero	5000 mts/seg
Plomo	1227 mts/seg
Vacío	0 mts/seg

5.2. Longitud de onda

     La distancia recorrida por un frente de presión en un período de tiempo (lo que tarda en generarse un ciclo completo) se denomina longitud de onda, por ende, a mayor longitud de onda, menor frecuencia (Fig. c.1), y viceversa, las frecuencias más altas tienen menor amplitud de onda, ya que completan un ciclo en menor tiempo.
Por ultimo en lo relacionado a la propagación, decimos que el nivel de la señal decae en función del tiempo. Ya que a medida que la onda realiza su recorrido, son más las moléculas a las que tiene que transferir presión, y la energía se pierde entonces en un momento dado, dejando de existir la onda.

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     El volumen acústico refiere al nivel de presión sonora generado en el ambiente, y está relacionado con la intensidad. Como sabemos, la intensidad se mide en dB (decibeles), que es una unidad no absoluta, sino relativa (logarítmica). La presión sonora también se puede medir y se lo hace con otra medida relativa llamada “dB SPL”, donde “SPL” deviene de “Sound Preassure Level”.
¿Qué queremos decir con unidades relativas y no absolutas? Que el valor obtenido esta basado en una relación matemática logarítmica, que sigue una proporción potencial, por ejemplo:

Log de 1 = 10
Log de 2 = 100
Log de 3 = 1000

Por ende, no es válido asociar un valor de 0 dB a una cantidad nula de volumen (y es por eso que cuando tenemos un fader de una consola en 0 dB escuchamos un volumen razonable del sonido y no nulo).

Por otro lado, el volumen que percibimos por nuestros oídos esta basado en un factor subjetivo (el oído, como veremos adelante, tiene un mecanismo de resistencia que actúa como un compresor) por lo tanto, para que el volumen que percibamos sea del doble de potencia, necesitaremos aumentar aproximadamente 10 veces el nivel de intensidad. Con una simple duplicación de la potencia sólo se logra un aumento de aproximadamente 3 dB.

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     Lo que conocemos como el efecto de Reverberancia es la sensación de espacialidad que producen muchos procesadores de sonido, pero estos mismos se basan en un efecto natural que se produce cuando las ondas sonoras generadas por una fuente chocan contra paredes u objetos, y a los oídos del que escucha llega no solo el sonido directo de la fuente, sino también las reflexiones del mismo. Estas ultimas llegan siempre después del sonido directo, ya que han recorrido una mayor distancia “rebotando” (Fig. d.1) entre paredes u objetos antes de llegar a nuestros oídos. Pero esta diferencia esta dada por un lapsus de tiempo tan pequeño que nuestro cerebro no logra separar las primeras de las segundas, dándose el efecto de reverberancia.

En una circunstancia parecida se da el efecto del eco, esto es cuando la superficie donde el sonido se refleja se encuentra lejos de la fuente que lo genera, entonces el tiempo entre las reflexiones y el sonido directo es suficientemente mayor como para que nuestro cerebro pueda distinguir las unas de las otras y escucharlas por separado en diferencia de tiempo.

Existe una clasificación de estas reflexiones, basada en el tiempo que tardan en llegar al oído, y en cómo lo hacen, ya que algunas ondas reflexionadas rebotan varias veces contra diferentes superficies antes de llegar a los oídos, y otras por contrario sólo rebotan algunas veces y llegan de forma más temprana.
A estas últimas se las denomina “Early Reflections”, o reflexiones tempranas, siendo el resto las que dan lugar al “sonido reverberante”, que según la intensidad irá decayendo según la cantidad de rebotes que hayan dado. Este sonido se caracteriza por su persistencia en el tiempo, es decir, una vez que la fuente ha dejado de generar sonido, las ondas previamente emitidas por la fuente, siguen rebotando en el ambiente hasta decaer.
El tema de la reverberancia es tenido en cuenta como factor positivo y negativo.
En estudios de grabación se intenta eliminar, ya que no se desea grabar más que el sonido directo de un instrumento (salvo en excepciones donde se utilizan micrófonos para grabar el “sonido ambiental” y mezclarlo con el sonido directo grabado).
También se utiliza potencialmente en teatros, operas, etc. para tener un control de la acústica del lugar. En un recinto de tal tipo se toman precauciones a gran escala para no encontrar problemas una vez construido el ambiente.

El tiempo de reverberancia es la duración en el tiempo de las reflexiones del sonido. En estudios de grabación o salas “acustizadas”, se intenta controlar este fenómeno utilizando materiales que absorben el sonido evitando que se refleje y rebote. Se coloca para ello paneles de material absorbente en todas las superficies, incluso en forma de paneles flotantes empotrados en el techo y direccionados en ángulo, hacia adelante y atrás.

Estos materiales absorbentes son variados, ya que las diferentes frecuencias actúan en forma diferente frente a los materiales, hay algunos que absorben en mayor cantidad a las frecuencias altas que las bajas, lo que da una mayor brillantez al sonido reverberante (o más opaco). Como las frecuencias bajas son las mas difíciles de absorber, se construyen dispositivos especialmente diseñados para su absorción llamados trampas de graves o “Low Traps” (este último podría ser un nombre registrado pero sólo lo mencionamos como un standard).
El hecho de controlar la reflexión de las frecuencias bajas resulta de mayor importancia principalmente por:

MATERIAL ABSORBENTE	COEFICIENTE DE ABSORCIÓN
	0.5 Khz.	1 Khz.	4 Khz.
Pared con revoque	0.0015	0.020	0.025
Pared madera	0,080	0,090	0,100
Alfombra	0,080	0,120	0,100
Cortina Terciopelo	0,350	0,450	0,350
Panel de yeso perforado	0,800	0,600	0,550

Como vemos, las propiedades del material hacen al factor de absorción, y la porosidad del material dan lugar a una mayor absorción.
Podemos decir de modo general, que los materiales más blandos amortiguarán mejor a las frecuencias bajas, mientras que los materiales porosos absorberán con mas eficacia a las frecuencias altas. Los materiales sólidos y duros reflejarán casi la totalidad del sonido que impacte sobre ellos.

Para finalizar esta sección, enumeraremos los atributos de la reverberancia que hemos visto:

Tiempo de reverberancia: Sostenido de las mismas. Dado por las características del recinto y la absorción de las superficies.
Brillo de reverberancia: Cantidad de frecuencias altas que posee el sonido reverberante, dado por las características de absorción de los materiales utilizados.
Retardo en la percepción del sonido directo: Distancia entre la fuente generadora y el oyente.

* Existen salas totalmente “mudas” llamadas “salas anecoicas”, y son utilizadas para realizar estudios de captación e irradiación para parlantes y micrófonos

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     De forma general, llamaremos fase al ángulo inicial que toma una onda Sinusoidal en su estado inicial. Como vemos en los gráficos, dos ondas Sinusoidales con atributos idénticos en amplitud y frecuencia, pueden diferir en la fase, lo que coloca a la segunda en una posición “adelantada” con respecto a la primera. Decimos que las ondas están “desfasadas”. (Fig. e.1)
Existen circunstancias en las que el sonido puede desaparecer, de forma parcial o completa, por problemas de desfasamiento. Este fenómeno es conocido como cancelación, y se da cuando coinciden en tiempo dos ondas desfasadas de frecuencias iguales y muy similares.
¿Cómo sucede esto? Cuando en un mismo canal se suman dos ondas de este tipo, resulta que la onda desfasada invierte el favor de amplitud de la contraria, anulando el sonido o quitándole volumen. (Fig. e.2).
El fenómeno de la cancelación debe tenerse siempre en cuenta como un tema serio, ya que es muy fácil de producirse accidentalmente cuando se usan pistas duplicadas de bajos o bombos, cuando se utiliza más de un instrumento generador de low para lograr una mayor potencia (por ejemplo, pegar dos samples de bombos).
Podemos realizar un experimento para probar la cancelación de fase fácilmente, con un editor de audio cualquiera, abrimos un sample cualquiera, no importa que sea un generador de low ya que la cancelación de fase se dará en cualquier frecuencia.
Seleccionamos toda la cadena de audio, la copiamos, creamos un nuevo archivo y pegamos la copia. A la copia, le invertimos la fase (en Wavelab®: Process > Invert Fase), y la pegamos sobre el sample original (en Wavelab®: Edit > Paste Special > Mix). Veremos que la cadena de audio desaparece por completo y queda sólo silencio. Al pegar el audio con fase invertida se han sumado las ondas y por resultado se obtuvo silencio. Esto es como sumar en matemática:
+2 +(-2) = 0.

¡Esto nos sugiere ser muy cuidadosos a la hora de componer!

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9.1. Composición armónica

(Fig. f.1) Armónico 3

     Todos los sonidos se diferencian entre sí. Más allá de la duración en el tiempo, podemos reconocerlos por su tonalidad (grave, agudo) ó su cuerpo (delgado, grueso). La razón principal por la cual podemos encontrar esta diferencia está dada porque los cuerpos no vibran a una sola frecuencia, sino a más de una. Podemos lograr una vibración de una sola frecuencia con un instrumento tal como el diapasón de precisión, pero todo instrumento musical constará de varias frecuencias que sumadas conforman el sonido particular del mismo. A este conjunto de frecuencias que conforman un sonido lo llamamos composición armónica de un sonido.

(Fig. f.2) Armónico 1

Existe principalmente una frecuencia fundamental (Fig. f.4), que es la principal frecuencia de un sonido por la cual lo reconocemos. Luego aparecen una serie de frecuencias llamadas armónicos (Fig. f.1 – f.3), que son múltiplos de la fundamental, es decir, mantienen una relación con la frecuencia fundamental.

Supongamos un instrumento como la guitarra, una nota de guitarra constará básicamente de una frecuencia fundamental, con una amplitud específica y un conjunto de armónicos de diferentes frecuencias y amplitudes que la fundamental. Reconocemos la fundamental por tener mayor amplitud que los armónicos.
Todas estas frecuencias se suman (Fig. f.5) entre sí, formando una forma de onda especifica (Fig. f.6)

(Fig. f.3) Armónico 2

En la figura e.7 podemos ver la representación de los armónicos que componen la onda. Las barras representan una frecuencia y su elongación, la amplitud de la misma. Reconocemos la fundamental por ser la más alta.
A veces podemos distinguir la composición fácilmente, en un bombo tenemos un conjunto de frecuencias medias-bajas que componen el low del instrumento, generado por la vibración de la amplia caja resonante del bombo. Pero también tenemos frecuencias generadas por la misma patada, o también llamada kick del bombo, aparece por la vibración de la membrana frontal golpeada.

(Fig. f.4) Frecuencia Fundamental

Ahora bien, si quisiéramos encontrar una división armónica de un instrumento como el violín, no podríamos; las diferentes vibraciones de la cuerda cuando es frotada con el arco están dadas por fenómenos físicos propios de los instrumentos de cuerda.
Cuando dos sonidos suenan en la misma nota pero son igualmente identificables el uno del otro, decimos que difieren en timbre. A pesar de estar sonando en la misma nota podemos identificar una diferencia existencial debido a su composición armónica.

(Fig. f.5) Armónicos a sumarse

(Fig. f.6) Suma de armónicos

(Fig. f.7) Armónicos

9.2. Envolventes

     La envolvente de un sonido define su comportamiento y evolución en función del tiempo, aplicable al volumen. Los diferentes instrumentos tienen una envolvente especifica, y los instrumentos electrónicos como sintetizadores permiten al músico realizar ajustes manuales sobre la misma.
La envolvente se divide en cuatro partes, y en la figura e.8 podemos ver su composición:

ATAQUE (attack): Fracción que va desde el inicio del sonido, hasta su punto de volumen máximo.

DECIMIENTO (decay): Desde el punto máximo de volumen, hasta el punto de sostenido.

SOSTENIDO (sustain): Tiempo en que el sonido permanece en un volumen estable.

RELAJAMIENTO (Release): Desde el punto de sostenido hasta que muere el sonido en un punto de volumen nulo.

La envolvente identifica a los instrumentos acústicos ya que la relacionamos con el volumen. Por ejemplo, un instrumento de viento o uno de cuerda tocado con arco tendrá menos ataque que un piano, ya que este último alcanza el punto de volumen máximo más rápido que los anteriores debido al impacto del martillo sobre la cuerda. En los instrumentos electrónicos la función de una envolvente puede ser aplicada no sólo al volumen sino a una extensa lista de atributos, ya sean filtros, efectos, etc.

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     Seguiremos viendo algunos atributos del sonido que conforman su carácter o personalidad. En este caso los atributos son puramente subjetivos, como sabemos el sonido es una percepción, y lo único que podemos distinguir en los diferentes sonidos son sensaciones.

La tonalidad (o altura) está definida por la predominancia de frecuencias graves, medias o agudas. Está relacionada entonces con la frecuencia, pero no existe en realidad una relación tono-frecuencia en un sonido puro de intensidad constante. El tono subirá si la frecuencia se incrementa, pero el tono de un sonido puro de frecuencia constante disminuye al aumentar su intensidad.
Cuando nuestro oído escucha un conjunto de frecuencias que constituyen un conjunto de armónicos, asigna un tono a la combinación de los mismos según sus amplitudes, y tal tono lo asocia con la frecuencia fundamental. Dicha sensación es tan definida que se podría eliminar la fundamental por completo y nuestro oído aún la escucharía. Nuestro sistema auditivo puede entonces reconstruir las frecuencias fundamentales no existentes, mientras existan los armónicos apropiados.

En los sonidos musicales, el espectro de frecuencias es aún más complejo de lo que hemos visto hasta el momento. No tiene en sí mismo una frecuencia fundamental definida, sino una distribución de frecuencias continuas, con picos de intensidad o frecuencias que son identificados como la fundamental y sus sobretonos.

Podemos decir entonces que el tono está relacionado con la frecuencia del sonido, el timbre con componente armónica del mismo, y la intensidad o volumen con la amplitud. El hombre ha desarrollado una extensa lista de caracterizaciones subjetivas para definir los diferentes sonidos, tales como opaco, brillante, nasal, pronunciado, pastoso, limpio, rasposo, gordo, flaco, etc.

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     Se define como ruido a una onda cuya oscilación no es periódica ni armónica. Podemos clasificar el ruido en dos grupos: Blanco y Rosa.
El ruido Rosa es un tipo de ruido aleatorio cuyo contenido de energía disminuye en 3 dB por octava de frecuencia, lo que lo hace un ruido de banda limitado. Es fuerte en zonas de frecuencias bajas y se va haciendo más débil hacia las zonas de frecuencias altas.
El ruido Blanco es un ruido que contiene por igual todos los componentes dentro del rango de frecuencias audible. Es un ruido plano, pero no es así como lo percibimos ya que para percibir las frecuencias bajas necesitamos una mayor potencia, dada la sensibilidad de nuestros oídos hacia las mismas.

Los diferentes tipos de ruido son utilizados para realizar comprobaciones de sonido, video, entre otros.

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“ACUSTICA BÁSICA Y AVANZADA” fue escrito para el portal http://www.acusmatica.com.ar/.
Esperando que el mismo sea útil y enriquecedor para el lector, dejo mis saludos para quienes dedicaron su tiempo a aprender de él.

AUTOR: Eduardo Garcia Rajo.
CONTACTO: egr()acusmatica.com.ar

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