Reverberación

La reverberación , en psicoacústica y acústica , es una persistencia del sonido después de que se produce el sonido. ^[1] Una reverberación, o reverberación , se crea cuando un sonido o una señal se refleja, lo que hace que se acumulen numerosos reflejos y luego decaigan cuando el sonido es absorbido por las superficies de los objetos en el espacio, que podrían incluir muebles, personas y aire . ^[2] Esto se nota más cuando la fuente de sonido se detiene pero los reflejos continúan, su amplitud disminuye, hasta que se llega a cero.

El acorde de C con reverberación en una guitarra.

La reverberación depende de la frecuencia: la duración del decaimiento, o tiempo de reverberación, recibe una consideración especial en el diseño arquitectónico de espacios que necesitan tener tiempos de reverberación específicos para lograr un rendimiento óptimo para su actividad prevista. ^[3] En comparación con un eco distinto , que es detectable a un mínimo de 50 a 100  ms después del sonido anterior, la reverberación es la ocurrencia de reflexiones que llegan en una secuencia de menos de aproximadamente 50 ms. A medida que pasa el tiempo, la amplitud de los reflejos se reduce gradualmente a niveles imperceptibles. La reverberación no se limita a los espacios interiores, ya que existe en los bosques y otros entornos al aire libre donde existe la reflexión.

La reverberación ocurre naturalmente cuando una persona canta, habla o toca un instrumento acústicamente en una sala o espacio de actuación con superficies que reflejan el sonido. ^[4] El sonido de la reverberación a menudo se agrega electrónicamente a las voces de los cantantes y de los instrumentos musicales . Esto se hace tanto en los sistemas de sonido en vivo y grabaciones de sonido mediante el uso de unidades de efectos . Las unidades de efectos especializadas en la generación del efecto de reverberación se denominan comúnmente reverberaciones.

Mientras que la reverberación normalmente se suma a la naturalidad del sonido grabado al agregar una sensación de espacio, la reverberación puede reducir la inteligibilidad del habla , especialmente cuando también hay ruido. Los usuarios de audífonos con frecuencia informan dificultades para comprender el habla en situaciones reverberantes y ruidosas. La reverberación es una fuente muy importante de errores en el reconocimiento automático de voz . La desverberación es el proceso de reducir el nivel de reverberación en un sonido o señal.

Tiempo de reverberación

Nivel sonoro en una cavidad reverberante excitada por un pulso, en función del tiempo (diagrama muy simplificado).

El tiempo de reverberación es una medida del tiempo necesario para que el sonido se "desvanezca" en un área cerrada después de que la fuente del sonido se haya detenido.

Cuando se trata de medir con precisión el tiempo de reverberación con un medidor, se utiliza el término T ₆₀ ^[5] (una abreviatura de Reverberation Time 60 dB). T ₆₀ proporciona una medición objetiva del tiempo de reverberación. Se define como el tiempo que tarda el nivel de presión sonora en reducirse en 60  dB , medido después de que finaliza abruptamente la señal de prueba generada.

El tiempo de reverberación se indica con frecuencia como un valor único si se mide como una señal de banda ancha (20 Hz a 20 kHz). Sin embargo, al ser dependiente de la frecuencia, se puede describir con mayor precisión en términos de bandas de frecuencia (una octava, 1/3 de octava, 1/6 de octava, etc.). Al ser dependiente de la frecuencia, el tiempo de reverberación medido en bandas estrechas diferirá dependiendo de la banda de frecuencia que se mida. Para mayor precisión, es importante saber qué rangos de frecuencias se describen mediante una medición del tiempo de reverberación.

A finales del siglo XIX, Wallace Clement Sabine inició experimentos en la Universidad de Harvard para investigar el impacto de la absorción en el tiempo de reverberación. Usando una caja de viento portátil y tubos de órgano como fuente de sonido, un cronómetro y sus oídos, midió el tiempo desde la interrupción de la fuente hasta la inaudibilidad (una diferencia de aproximadamente 60 dB). Encontró que el tiempo de reverberación es proporcional a las dimensiones de la habitación e inversamente proporcional a la cantidad de absorción presente.

El tiempo de reverberación óptimo para un espacio en el que se reproduce música depende del tipo de música que se va a reproducir en el espacio. Las salas que se utilizan para el habla suelen necesitar un tiempo de reverberación más corto para que el habla se pueda entender con mayor claridad. Si el sonido reflejado de una sílaba todavía se escucha cuando se pronuncia la siguiente, puede ser difícil entender lo que se dijo. ^[6] "Cat", "Cab" y "Cap" pueden sonar muy similares. Si, por otro lado, el tiempo de reverberación es demasiado corto, el equilibrio tonal y el volumen pueden verse afectados. Los efectos de reverberación se utilizan a menudo en los estudios para agregar profundidad a los sonidos. La reverberación cambia la estructura espectral percibida de un sonido pero no altera el tono.

Los factores básicos que afectan el tiempo de reverberación de una habitación incluyen el tamaño y la forma del recinto, así como los materiales utilizados en la construcción de la habitación. Cada objeto colocado dentro del recinto también puede afectar este tiempo de reverberación, incluidas las personas y sus pertenencias.

Medida del tiempo de reverberación

Determinación automática del valor T20 - Disparo de 5dB - Medición de 20dB - Espacio libre de 10dB hasta el piso de ruido.

Históricamente, el tiempo de reverberación solo se podía medir usando un registrador de nivel (un dispositivo de trazado que grafica el nivel de ruido contra el tiempo en una cinta de papel en movimiento). Se produce un ruido fuerte y, a medida que el sonido se apaga, el rastro en el registrador de nivel mostrará una pendiente distinta. El análisis de esta pendiente revela el tiempo de reverberación medido. Algunos sonómetros digitales modernos pueden realizar este análisis automáticamente. ^[7]

Existen varios métodos para medir el tiempo de reverberación. Un impulso se puede medir creando un ruido suficientemente fuerte (que debe tener un punto de corte definido). Las fuentes de ruido impulsivo , como un disparo de pistola en blanco o la explosión de un globo, se pueden utilizar para medir la respuesta al impulso de una habitación.

Alternativamente, se puede generar una señal de ruido aleatorio , como ruido rosa o ruido blanco, a través de un altavoz y luego apagarse. Esto se conoce como método interrumpido y el resultado medido se conoce como respuesta interrumpida.

También se puede utilizar un sistema de medición de dos puertos para medir el ruido introducido en un espacio y compararlo con lo que se mide posteriormente en el espacio. Considere el sonido reproducido por un altavoz en una habitación. Se puede realizar una grabación del sonido en la habitación y compararlo con lo que se envió al altavoz. Las dos señales se pueden comparar matemáticamente. Este sistema de medición de dos puertos utiliza una transformada de Fourier para derivar matemáticamente la respuesta al impulso de la habitación. A partir de la respuesta al impulso, se puede calcular el tiempo de reverberación. El uso de un sistema de dos puertos permite medir el tiempo de reverberación con señales que no sean impulsos fuertes. Se puede utilizar música o grabaciones de otros sonidos. Esto permite tomar medidas en una habitación después de que la audiencia esté presente.

Bajo algunas restricciones, incluso fuentes de sonido simples como palmas pueden usarse para medir la reverberación ^[8]

El tiempo de reverberación generalmente se expresa como un tiempo de decaimiento y se mide en segundos. Puede que haya o no una declaración de la banda de frecuencia utilizada en la medición. El tiempo de caída es el tiempo que tarda la señal en disminuir 60 dB por debajo del sonido original. A menudo es difícil inyectar suficiente sonido en la habitación para medir una caída de 60 dB, particularmente en frecuencias más bajas. Si la caída es lineal, es suficiente medir una caída de 20 dB y multiplicar el tiempo por 3, o una caída de 30 dB y multiplicar el tiempo por 2. Estos son los métodos de medición denominados T20 y T30.

La medición del tiempo de reverberación RT ₆₀ se define en la norma ISO 3382-1 para espacios de actuación, la norma ISO 3382-2 para salas comunes y la ISO 3382-3 para oficinas diáfanas, así como la norma ASTM E2235.

El concepto de tiempo de reverberación supone implícitamente que la tasa de caída del sonido es exponencial, por lo que el nivel de sonido disminuye regularmente, a una tasa de tantos dB por segundo. No suele ser el caso en habitaciones reales, dependiendo de la disposición de las superficies reflectantes, dispersivas y absorbentes. Además, la medición sucesiva del nivel de sonido a menudo produce resultados muy diferentes, ya que las diferencias de fase en el sonido excitante se acumulan en ondas sonoras notablemente diferentes. En 1965, Manfred R. Schroeder publicó "Un nuevo método para medir el tiempo de reverberación" en el Journal of the Acoustical Society of America . Propuso medir, no la potencia del sonido, sino la energía, integrándolo. Esto hizo posible mostrar la variación en la tasa de decaimiento y liberar a los acústicos de la necesidad de promediar muchas mediciones.

Ecuación de sabine

La ecuación de reverberación de Sabine se desarrolló a fines de la década de 1890 de manera empírica . Estableció una relación entre el T ₆₀ de una habitación, su volumen y su absorción total (en sabines ). Esto viene dado por la ecuación:

${\displaystyle T_{60}={\frac {24\ln 10^{1}}{c_{20}}}{\frac {V}{Sa}}\approx 0.1611\,\mathrm {s} \mathrm {m} ^{-1}{\frac {V}{Sa}}}$.

donde c ₂₀ es la velocidad del sonido en la habitación (a 20 ° C), V es el volumen de la habitación en m ³ , S área de superficie total de la habitación en m ² , a es el coeficiente de absorción promedio de las superficies de la habitación, y el producto Sa es la absorción total en sabinas.

La absorción total en sabinas (y por lo tanto el tiempo de reverberación) generalmente cambia dependiendo de la frecuencia (que está definida por las propiedades acústicas del espacio). La ecuación no tiene en cuenta la forma de la habitación o las pérdidas del sonido que viaja por el aire (importante en espacios más grandes). La mayoría de las salas absorben menos energía sonora en los rangos de frecuencias más bajas, lo que da como resultado tiempos de reverberación más largos a frecuencias más bajas.

Sabine concluyó que el tiempo de reverberación depende de la reflectividad del sonido de varias superficies disponibles dentro de la sala. Si la reflexión es coherente, el tiempo de reverberación de la sala será mayor; el sonido tardará más en extinguirse.

El tiempo de reverberación RT ₆₀ y el volumen V de la habitación tienen una gran influencia en la distancia crítica d _c (ecuación condicional):

${\displaystyle d_{\mathrm {c} }\approx 0{.}057\cdot {\sqrt {\frac {V}{RT_{60}}}}}$

donde la distancia crítica ${\displaystyle d_{c}}$ se mide en metros, volumen ${\displaystyle V}$se mide en m³ y el tiempo de reverberación RT ₆₀ se mide en segundos .

Ecuación de Eyring

La ecuación del tiempo de reverberación de Eyring fue propuesta por Carl F. Eyring de Bell Labs en 1930. ^[9] Esta ecuación tiene como objetivo estimar mejor el tiempo de reverberación en habitaciones pequeñas con cantidades relativamente grandes de absorción de sonido, identificadas por Eyring como habitaciones "muertas". Estas salas tienden a tener tiempos de reverberación más bajos que las salas más grandes y con mayor acústica en vivo. La ecuación de Eyring es similar en forma a la ecuación de Sabine, pero incluye modificaciones para escalar logarítmicamente el término de absorción . Las unidades y variables dentro de la ecuación son las mismas que las definidas para la ecuación de Sabine. El tiempo de reverberación de Eyring viene dado por la ecuación:

${\displaystyle T_{60}\approx -0.161\ {\frac {V}{S\ln(1-a)}}}$.

La ecuación de Eyring se desarrolló a partir de los primeros principios utilizando un modelo de fuente de imagen de reflexión del sonido, a diferencia del enfoque empírico de Sabine . Los resultados experimentales obtenidos por Sabine coinciden en general con la ecuación de Eyring ya que las dos fórmulas se vuelven idénticas para salas muy vivas, el tipo en el que trabajó Sabine. Sin embargo, la ecuación de Eyring se vuelve más válida para habitaciones más pequeñas con grandes cantidades de absorción. Como resultado, la ecuación de Eyring a menudo se implementa para estimar el tiempo de reverberación en las salas de control de los estudios de grabación u otros entornos de escucha críticos con altas cantidades de absorción de sonido. La ecuación de Sabine tiende a predecir en exceso el tiempo de reverberación para habitaciones pequeñas con altas cantidades de absorción. Por esta razón, las calculadoras de tiempo de reverberación disponibles para entornos de estudios de grabación más pequeños, como los estudios de grabación domésticos , a menudo utilizan la ecuación de Eyring.

Coeficiente de absorción

El coeficiente de absorción de un material es un número entre 0 y 1 que indica la proporción de sonido que absorbe la superficie en comparación con la proporción que se refleja en la habitación. Una ventana grande y completamente abierta no ofrecería ningún reflejo, ya que cualquier sonido que llegara a ella saldría directamente y no se reflejaría ningún sonido. Esto tendría un coeficiente de absorción de 1. Por el contrario, un techo de hormigón pintado liso y grueso sería el equivalente acústico de un espejo y tendría un coeficiente de absorción muy cercano a 0.

Reverberación en la composición e interpretación musical

Varios compositores emplean el efecto de reverberación como principal recurso sonoro, teniendo una relevancia comparable a la del instrumento solista. Por ejemplo, Pauline Oliveros , ^[10] Henrique Machado ^[11] y muchos otros. Para emplear las propiedades reverberantes de la habitación, se supone que los compositores deben investigar y sondear la respuesta sonora de ese ambiente en particular, que afectará e inspirará la creación de la obra musical.

Creando efectos de reverberación

Un intérprete o productor de música en vivo o grabada a menudo induce reverberación en una obra. Se han desarrollado varios sistemas para producir o simular la reverberación.

Reverberadores de cámara

Los primeros efectos de reverberación creados para grabaciones utilizaron un espacio físico real como una cámara de eco natural . Un altavoz reproduciría el sonido y luego un micrófono lo recogería de nuevo, incluidos los efectos de reverberación. Aunque esta sigue siendo una técnica común, requiere una sala insonorizada dedicada y es difícil variar el tiempo de reverberación.

Reverberadores de placa

Un sistema de reverberación de placa utiliza un transductor electromecánico , similar al controlador de un altavoz, para crear vibraciones en una gran placa de chapa metálica . El movimiento de la placa es captado por uno o más micrófonos de contacto cuya salida es una señal de audio que puede agregarse a la señal "seca" original. A finales de la década de 1950, Elektro-Mess-Technik (EMT) introdujo el EMT 140. ^[12] Popular en los estudios de grabación, este sistema contribuyó a muchos discos de éxito como los álbumes de los Beatles y Pink Floyd grabados en los estudios de Abbey Road en la década de 1960, y otros grabados por Bill Porter en el RCA Studio B de Nashville . ^{[ cita requerida ]} Las primeras unidades tenían una pastilla para salida mono, y los modelos posteriores presentaban dos pastillas para uso estéreo. El tiempo de reverberación se puede ajustar mediante una almohadilla de amortiguación, hecha de baldosas acústicas enmarcadas. Cuanto más cerca esté el pad de amortiguación, menor será el tiempo de reverberación. Sin embargo, la almohadilla nunca toca la placa. Algunas unidades también cuentan con un control remoto. El EMT 140 pesa 400 libras (180 kg), 600 libras (270 kg) en la caja de envío del fabricante.

Reverberadores de resorte

Un tanque de reverberación de resorte

Un sistema de reverberación de resorte utiliza un transductor en un extremo de un resorte y una pastilla en el otro, similar a los que se usan en las reverberaciones de placa, para crear y capturar vibraciones dentro de un resorte de metal . Laurens Hammond obtuvo una patente sobre un sistema de reverberación mecánica basado en resortes en 1939. ^[13] El órgano Hammond incluía un reverberador de resorte incorporado.

Los reverberadores de resorte alguna vez se usaron ampliamente en la grabación semiprofesional y se incorporan con frecuencia a los amplificadores de guitarra debido a su modesto costo y pequeño tamaño. Una ventaja sobre las alternativas más sofisticadas es que se prestan a la creación de efectos especiales; por ejemplo, balancearlos hacia adelante y hacia atrás crea un sonido estruendoso y estrepitoso causado por los resortes que chocan entre sí.

Reverberadores digitales

Una reverberación digital Strymon BigSky

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Video de demostración de un pedal de reverberación digital , que produce reverberación modulada, brillo de octava arriba y octava abajo.