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Presión sonora y sonoridad (II): valor RMS, vúmetros y picómetros

    En este artículo...

Introducción: los viejos medidores nunca mueren

Recuerda que este tutorial es continuación de una entrega anterior. En ella hablábamos de cómo sentimos el nivel de las señales audio. Lo sentimos no por la amplitud (presión sonora) sino por la energía (vinculada al cuadrado de la amplitud), y de forma ‘promediada’ no instantánea. A este respecto es habitual caracterizar en las señales su valor RMS y aplicar una representación dinámica del nivel de la señal a lo largo del tiempo a través de los llamados vúmetros. Ambos dan entrada en mediciones objetivas a algunas características propias de nuestra percepción subjetiva del nivel de las señales audio. Por otra parte diferentes tipos de picómetro se usan para poder valorar el mayor nivel que presenta una señal, que tiene interés sobre todo cara a no causar problemas (saturaciones, recortes) en los sistemas que atraviese esa señal.

Tanto los medidores RMS como lo vúmetros y muchos de los así llamados picómetros 'a la antigua usanza' deberían ir desapareciendo en favor de otras estrategias de medida que se han estandarizado después (como EBU R128) y que tienen mucha mayor capacidad de informar sobre las cuestiones que interesan que estas otras. Pero aunque las mediciones EBU R128 son no ya sólo recomendables sino cada vez más exigidas, lo son a efectos del producto final (p.ej. midiendo un máster estéreo). Allí donde se necesita visualizar muchas señales (cualquier mesa o sistema multipista) la exigente definición de EBU R128 resulta desproporcionada y se tiene por suficiente orientación la que dan vúmetros y picómetros más tradicionales, y también de mucho menor coste y complejidad.

Los medidores de tipo RMS, VU y PPM (Peak Program Meter) forman una vieja escuela que se resiste a desaparecer, y conocerlos y diferenciarlos sigue siendo necesario.

Tutoriales sobre los dB (decibelios)

Es apropiado revisar en este punto algunos otros tutoriales que ya hemos publicado en otros momentos y en los que encontraréis una presentación de los dBs:

Así mismo, para lo que vamos a contar hoy, es bueno que entiendas la diferencia en el uso de unidades de tipo dB para caracterizar potencia/energía y para caracterizar amplitud. Algo que intentábamos abordar en esta otra entrega.

Puedes optar por leer esos tutos antes de este o bien por volver a ellos si no te encuentras del todo cómodo con algo de lo que contamos hoy.

Valor RMS (root mean square), valor pico, valor pico-pico

A partir del discurso que hicimos en la entrega anterior, sabemos que sentimos la energía, no la amplitud, y que sentimos un 'promedio' de la energía, no sus variaciones instantáneas. No extrañará entonces que se prefiera abordar los cálculos de ese promedio sobre la energía incluso cuando los resultados a veces luego se ofrezcan en términos de amplitud. Esto es lo que sucede cuando hablamos del valor RMS de una señal.

Nuestras representaciones gráficas en un DAW, la representación de señal en un osciloscopio, los valores medidos por un polímetro… son todos valores referidos a la amplitud. Es la amplitud un ámbito habitual para la representación, aunque nuestra sensación auditiva venga vinculada a la energía. El cálculo del valor RMS permite obtener un valor `promedio’ de la energía de una señal cíclica pero describirlo a través de una ‘amplitud’ equivalente de forma que ese valor RMS (por las siglas en inglés de ‘root mean square’) pueda compararse con las representaciones y mediciones habituales, casi siempre realizadas en amplitud.

Pensemos en una señal cuya amplitud esté definida por s(t). Sin pérdida de generalidad, a efectos de ilustrarlo, haremos representación de una sinusoidal. Si pintamos también la senoide al cuadrado:

Arriba: un seno. Debajo: su cuadrado
pablofcid

El seno al cuadrado (proporcional por tanto a la energía del seno original) resulta ser una nueva senoide de frecuencia doble que ahora oscila entre 0 y 1 (un resultado que no vamos a justificar aquí pero que es fácil de verificar con reglas básicas de trigonometría).

El valor medio de una señal audio s(t) es cero (son señales sin DC) y por tanto no nos dice nada de si era una señal grande o pequeña. Pero podemos calcular el valor medio de su cuadrado, que resulta ser 0,5 en el caso de la sinusoide anterior. Podemos concebir que el valor promedio del cuadrado de la señal caracteriza la energía en promedio de nuestra señal. Por ser un valor promedio en energía es además más significativo perceptualmente.

Por otra parte, ese mismo valor es la energía que tendría una señal de amplitud constante e igual a la raíz cuadrada de 0,5 lo que arroja el resultado 0,707. Nuestra senoide original, oscilante (AC) entre +1 y -1 desarrolla la misma energía que una señal constante (DC) de amplitud 0,707. Este tipo de cálculo es el que se denomina RMS, y habla del valor de amplitud de una señal de nivel constante (DC) que tendría la misma energía que la señal estudiada.

En el caso del seno, el valor RMS es de 0,707 veces el valor de pico.

Valor RMS frente a pico y pico-pico
pablofcid

Otras formas de señal pueden tener otros valores RMS. Si pensáis en una señal cuadrada, su valor pico y su valor RMS coinciden, podéis pensar vosotros mismos porqué.

Con señales cíclicas como las que venimos comentando el cálculo puede hacerse sobre un único periodo y valdrá para cualquier momento, pero con señales no cíclicas estaremos normalmente estimando un valor RMS extendiendo el promedio sobre cierta duración de observación. En esos casos no se tratará de un valor constante, sino variable. Evolucionará describiendo subidas y bajadas de nivel a modo de una envolvente, un contorno que permitirá seguir las variaciones de nivel RMS de la señal.

Aunque los vúmetros son lo primero que viene a la cabeza cuando pensamos en medidores, en algunos sistemas contamos también con medidores RMS. Los analógicos suelen ser aproximados, no exactos (el cálculo del valor RMS en analógico no es trivial).

RMS meter, dentro del pluginTripleMeter
pspaudioware.com

En el caso de implementaciones digitales pueden ser medidores de verdadero valor RMS (calculan la media del cuadrado de la señal) con tiempo de promediado a veces fijo y en el orden de los 300ms. (por ser la constante de tiempo típica en vúmetros) y otras veces ajustable por el usuario.

El vúmetro

Vúmetros y picómetros son dos herramientas habituales en audio, con objetivos bien diferentes.

Un vúmetro (nombre coloquial -no existe en el diccionario RAE-) o ‘VU meter’ mide los llamados Volume Unit (VU) como forma de representar algo parecido al nivel percibido del audio. Existen normas internacionales que describen en detalle sus características y requisitos (ANSI C16.5-1942 y otras posteriores) pero que no necesitamos conocer en profundidad.

Si en RMS hablábamos de calcular el cuadrado (energía) para acabar obteniendo un valor de amplitud, en el caso del vúmetro se trata de un tipo de medidor (un galvanómetro de aguja, como el de los voltímetros) que mide la corriente (por tanto una amplitud). Pero el etiquetado del medidor usa una escala en decibelios, y por tanto se hace en términos de energía/potencia: las marcas, además del 0 VU que indica un punto de referencia, se realizan a +/-3 dB (potencia doble/mitad respecto al umbral) y semejantes. Como resultado la lectura sobre la escala de un vúmetro nos muestra un valor relacionado con la energía de la señal y sus variaciones a lo largo del tiempo, y lo hace aplicando una escala en dB y un promediado que resulta ser bastante largo.

VU meter, dentro del pluginTripleMeter
pspaudioware.com

Físicamente los vúmetros de aguja hacen pasar una corriente por la bobina acoplada a la aguja que proviene de rectificar (onda completa) la señal audio. La bobina, por estar dentro del campo magnético producido por un imán, se desplaza en función de esa corriente. Pero la inercia mecánica del conjunto más la electrónica que lo acompaña hacen que haya un tiempo de reacción que dista de ser instantáneo. El tiempo de integración del conjunto está en unos 300 ms (tanto de activación como de desactivación), con lo que cambios veloces (como los que se dan en muchísimos transitorios en audio) no llegan a visualizarse. A cambio sí se obtiene un desplazamiento que encaja aproximadamente con una cierta sensación de sonoridad basada en ese promedio.

Ya hemos mencionado que las marcas realizadas en la escala del galvanómetro vienen etiquetadas en dB, de forma que expresan energía/potencia aunque la aguja se mueve por acción de la corriente (amplitud). Como pasa a todos los sistemas basados en estos galvanómetros de aguja, los valores sólo son relativamente fiables en la zona de amplia deflexión (desplazamiento) de la aguja, mientras en las zonas de poco recorrido el grado de error posible sube. Pero como el interés de estos medidores está en poder vigilar los momentos fuertes, no es una pega seria. Existen también vúmetros realizados con barra de leds, en sustitución de la aguja, y un circuito que puede ser analógico o digital para definir el patrón de iluminación en cada momento.

Los VU meters ‘serios’ están además calibrados y rotulados de forma tal que se puede saber qué nivel de señal eléctrica promedio los atraviesa. En su escala en decibelios, el nivel 0 VU debería corresponder a una señal de nivel +4dBu, que es un valor estándar en interfaces audio del que hemos hecho presentación en otro tutorial acerca de los niveles estándar de línea +4dBu y -10dBV. Pese a todo, debería consultarse en el manual de cada equipo qué es lo que realmente indica la posición 0 VU, puesto que hay equipos que lo hacen corresponder a 0 dBu (y más raramente a otros valores) en lugar de a +4 dBu. En algunos casos veréis de hecho que no usan el nombre 'VU meter' sino 'dB meter' y siempre conviene conocer la correspondencia real.

De los valores medios a los cresta: la holgura de los sistemas

Recordad en todo caso que ese valor 0 VU y los +4dBu que suele representar, son un nivel estandarizado para facilitar la interconexión de sistemas audio profesional, pero que estos sistemas admiten señal por encima de ese nivel sin entrar todavía en niveles de distorsión severos. Cuando las señales se trabajan a nivel analógico, se sabe que los sistemas tendrán unos codos relativamente suaves de saturación, por lo que la entrada ocasional en esos codos puede ser tolerable.

Además las señales habituales sólo manifiestan picos ocasionales. Así el factor de cresta del habla (diferencia entre el nivel pico y el nivel RMS) suele decirse que ronda los 12 dB, que ascienden a 18-20 dB para música. En consonancia con esto, es muy normal que los sistemas 'pro' tengan una holgura de 20dB por encima de esos +4dBu. Es decir, se diseñan para mantener una buena calidad (una distorsión baja) incluso cuando las señales llegan a niveles 20dB por encima del nivel de referencia pro +4dBu. Se espera que esas incursiones sean esporádicas, pero los sistemas las toleran sin mermar gravemente la calidad.

Tened también en cuenta que algunos sistemas software para medición de tipo vúmetro admiten configurar detalladamente algunos parámetros internos con lo que se distancian de la versión canónica de un vúmetro. Por ejemplo el TripleMeter de PSP que estamos mostrando en las imágenes admite definir a gusto el nivel de referencia, así como los tiempos de subida y bajada en cuanto a la reacción de la 'aguja', entre otros muchos parámetros editables. Una libertad que atenta contra el objetivo de 'estandarizar' las formas de medir, pero que a cambio puede a veces ayudarnos a investigar más a fondo qué sucede en algún tipo de señal o situación que enfrentemos.

Picómetros

Nos gusten más o menos, los ‘VU meter’ o ‘vúmetros’ son un estándar, y hay que acostumbrarse a usarlos con sus pros y sus contras. Entre los contras, el más evidente es el de que no muestran los valores pico ni las evoluciones vertiginosas en la señal, cosas ambas que son importantes en algunos tipos de situaciones y sistemas. En particular son esenciales en los sistemas digitales, por lo cual en ellos aparecen los picómetros, que sí representan valores pico.

En contraposición a los 'lentísimos' vúmetros, todavía en la çepoca analógica, aparecieron los PPM (Program Peak level Meters) que a pesar de su nombre no eran capaces de visualizar el pico verdadero de las señales. Se trataba más bien de vúmetros ágiles, con tiempo de activación en el orden de pocos milisegundos (una decena, por ejemplo). Los tiempos de desactivación, por el contrario, ascendían mucho, incluso por encima del segundo, para permitir que un pico breve quedara señalado el suficiente tiempo como para que el usuario no dejara de verlo.

PPM meter, dentro del pluginTripleMeter
pspaudioware.com

A día de hoy, en sistemas digitales, sí tenemos posibilidades de representar el verdadero pico, no sólo como lo que correspondería a la muestra más alta sino incluso contando con las excursiones de la señal entre cada dos muestras (y que pueden llevar el pico a valores más allá de los presentes en las muestras). Sobre 'True peak metering: qué es y cómo usarlo' publicamos ya un tutorial que podéis revisar.

Pero eso es meternos ya en el terreno de definiciones y usos más modernos de los tipos de medidores para audio, con EBU R128 como ejemplo paradigmático y práctico del tipo de mediciones que se aplican hoy en las señales finales y en la masterización, y del que ya nos habló Euridia tiempo atrás en este artículo.

Algunas herramientas y plugins

Si queréis contar con un medidor capaz de operar en RMS, VU, PPM y EBU R128, podéis considerar el gratuito MV Meter de TB-Pro Audio, de cuya versión 2 tenéis referencia en esta noticia. Hay otros muchísimos, y es más que posible que vuestro DAW ya incorpore medidores de todo tipo. Por ejemplo Cubase cuenta desde la versión 8 con medidores en el master capaces de ofrecer datos conformes a EBU R128, además de otras medidas más clásicas tipo vúmetro.

También es justo nombrar PSP Triplemeter, del que hemos tomado las figuras que ilustran nuestro texto, el cual cuenta con medidores VU, RMS y PPM que podéis ver en este vídeo:

Pablo Fernández-Cid
EL AUTOR

Pablo no puede callar cuando se habla de tecnologías audio/música. Doctor en teleco. Ha creado diversos dispositivos hard y soft y realizado programaciones para músicos y audiovisuales. Toca ocasionalmente en grupo por Madrid (teclados, claro).

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Comentarios
  • Mister Carrington
    #1 por Mister Carrington el 11/12/2017
    ¿Delicioso? No; más aún.

    Gracias a la simulación podemos ver este vídeo tan facilito sobre cómo cada medida se refleja en la escala.

    No sé si morirán los vúmetros, pero desde luego aún los veremos por muchos años y como siempre esta es la excusa para educar los oídos y no estar pegados como moscas al maravilloso EBU R128 y estándares venideros.

    Un placer leer estos artículos...
  • Frank Drebin
    #2 por Frank Drebin el 11/12/2017
    toston para jovenes y obvio para viejos..
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  • Last_Monkey
    #3 por Last_Monkey el 11/12/2017
    Si, desde luego que si.
    Muchas gracias al autor.
  • Last_Monkey
    #4 por Last_Monkey el 11/12/2017
    Mi comentario #3 iba para #1
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  • Libertizer
    #5 por Libertizer el 11/12/2017
    #2

    toston para ¨vagos sin limite de edad¨
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  • malonso
    Ban
    #6 por malonso el 12/12/2017
    Exelente articulo, ameno (dentro de lo que cabe) y muy ilustrativo...Una cuestión...Si es verdad que se utiliza los valores RMS, pero no hay que olvidar, y más en la música electronica, algunos sonidos que provocan "peaks" en nuestros vumetros, y que la caracteristica de un buen previo es el tiempo de subida y respuesta de estas señales transitorias (cajas, bombos, etc)...¿ como promediamos esas señales ?...es una pregunta para la galeria, la experiencia de los "vejunos" nos hace lidiar con esas señales sin problemas.
  • pablofcid
    #7 por pablofcid el 12/12/2017
    #6
    Aprovecho tu intervención para ampliar.

    Lo del tiempo de subida/bajada (el slew rate del ampli o previo) ante un salto abrupto puede también expresarse en términos de ancho de banda. Un pico, un salto o un escalón son señales exigentes en ancho de banda y matemáticamente se puede asociar el slew al ancho de banda (vale, no del todo, porque uno es un fenómeno no lineal y el otro lineal, pero hablando de sistemas de buena calidad sí hay una relación importante aunque no una equivalencia 100%).

    Por definición, siendo sonidos transitorios, escapan a ser caracterizados con sistemas que impliquen promediado. Y esos parámetros (slew -en una visión temporal'- o ancho de banda -en una visión 'frecuencial'-) serían los que nos permitirían saber cómo de 'veloces' reaccionan nuestros sistemas ante los cambios y por tanto cómo respetan la forma -no sólo el nivel- de la señal, en particular ante variaciones bruscas y transitorios.

    En un sistema analógico, el promedio (el vúmetro) es la medida 'reina' porque sabemos que el sistema tiene holguras generosas por encima de 0 VU (incluso hasta +24 en algunos equipos) capaces de acomodar las 'crestas' de una señal que en el vúmetro esté rondando los 0VU, e incluso si se sobrepasara (ya de forma extremadamente esporádica) esa holgura, la saturación suave analógica haría menos importante esa distorsión.

    La respuesta a los cambios abruptos y los sonidos impulsivos, tal como dices, se percibe con facilidad por un oído entrenado, al que no se escapa un cierto ablandamiento del carácter impulsivo y decidido de esos transitorios. También solemos tener desarrollada (y se puede entrenar) la escucha de posibles distorsiones de fase (no sólo de nivel), a lo que dediqué un par de artículos (los dos primeros míos en hispasonic) intentando contar en qué consiste la fase y educar en cómo oírla (a través de unos ejemplos y la analogía con sonidos 'burbuja' y sonidos 'láser' según sean las frecuencias agudas o las graves las que se retrasen más).
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  • Zip
    #8 por Zip el 12/12/2017
    simplemente FANTASTICO!
  • FernanYEA
    #9 por FernanYEA el 13/12/2017
    genial! gracias!
  • Fran Sánchez
    #10 por Fran Sánchez el 19/12/2017
    Gracias por esta maravilla de artículo!