EL MICRÓFONO: SENSIBILIDAD, IMPEDANCIA, RESPUESTA EN FRECUENCIA
El micrófono es un transductor electroacústico que convierte las ondas sonoras en una señal eléctrica de audio, manteniendo la amplitud y contenido frecuencial del sonido captado. Esta señal eléctrica se envía hasta el ordenador a través del conector correspondiente de la placa base o de la tarjeta de sonido.
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Un buen micrófono es clave para participar activamente en una videoconferencia, para grabar un vídeo y subirlo a Youtube o para jugar en equipo, por ejemplo al Counter Strike.
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A continuación encontrarás todo lo que necesitas saber para comprar el mejor micrófono para tu PC:
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1. Sensibilidad
2. Impedancia
3. Respuesta en frecuencia
4. SPL máximo y THD
5. Nivel de ruido propio o nivel equivalente de ruido
6. Rango dinámico
7. Relación señal ruido o SNR
8. Directividad o patrón de captación
9. El transductor o cápsula: tipos de micrófonos
10. Interfaz de comunicaciones
11. Frecuencia de muestreo y profundidad de bit
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1. SENSIBILIDAD DEL MICRÓFONO
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La sensibilidad o eficiencia de un micrófono es el nivel de señal eléctrica en milivoltios que genera en su salida cuando incide sobre su diafragma una onda sonora con una frecuencia de 1 kHz y un nivel de presión sonora (SPL, Sound Pressure Level) de 1 Pa.
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Una mayor sensibilidad indica que el micrófono generará una señal eléctrica de mayor amplitud para la misma onda sonora de entrada. Los fabricantes ofrecen este valor en mV/Pa o en dB. Esto hace que tengamos que realizar algún pequeño cálculo para poder comparar dos micrófonos. Veamos un ejemplo:
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Blue Yeti X: Sensibilidad = 4,5mV/Pa (0,0045 V/Pa)
Owlotech X2: Sensibilidad = -35dB
¿Cuál de los dos tiene una sensibilidad más alta?
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Lo más sencillo es pasar a dB la sensibilidad del primero. Para ello haremos multiplicaremos por 20 el logaritmo en base 10 de la sensibilidad en voltios:
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20 x log10 (0,0045) = -46,93 dB.
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El valor es negativo porque 0,0045 < 1 y así ocurrirá para todos los micrófonos. Cuanto mayor sea la sensibilidad más nos acercaremos a 0 dB (sería el valor para 1000 mV/Pa).
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Por tanto, el micrófono Owlotech X2 tiene una sensibilidad mayor que el Blue Yeti X, ya que:
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-35 dB > -46,93 dB.
La sensibilidad no es el parámetro más importante del micrófono ya que no está relacionada con la calidad del audio obtenido. Al contrario, una sensibilidad demasiado alta puede hacer que el micrófono capte demasiado ruido de fondo indeseado. Eso sí, para un mismo sonido de entrada será el que ofrezca una señal eléctrica de amplitud más elevada. Te recomiendo una sensibilidad mínima de 1 mV/Pa (-60 dB).
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2. IMPEDANCIA DEL MICRÓFONO
La impedancia mide la oposición que presenta el micrófono al paso de corriente alterna a través de sus componentes eléctricos y se mide en ohmios (Ω).
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Al ser un valor variable con la frecuencia, los fabricantes ofrecen el valor únicamente para la frecuencia de 1 kHz. El valor típico para un micrófono suele estar entre 16 y 600 Ω, dependiendo del tipo (más adelante veremos los diferentes tipos que existen).
A la hora de conectar el micrófono, es bueno saber que su impedancia tiene que ser como máximo 1/3 de la impedancia de entrada del equipo al que lo conectamos. De esta forma se evitan pérdidas de señal y ruidos de fondo indeseados.
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Al conectarlo a un PC no tendremos problemas con esto ya que las entradas de micrófono de las tarjetas de sonido están en su mayoría preparadas para el rango de impedancias de un micrófono típico para PC. Si el micrófono se conecta a un puerto USB, la señal ya llega al PC amplificada y digitalizada, por lo que no debería haber ningún problema con la impedancia del micrófono.
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3. RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL MICRÓFONO
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El oído humano es capaz de percibir sonidos cuya frecuencia se encuentre entre 20 y 20000 Hz. Por debajo de 20 Hz están los infrasonidos y por encima de 20000 Hz se encuentran los ultrasonidos, utilizados en medicina para fisioterapia, detección de objetos, medida de caudales, distancias, etc. El margen de frecuencias audibles se divide en tres zonas o bandas de forma aproximada:
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Graves: de 20 a 400 Hz (bajo, trombón)
Medios: de 400 a 1600 Hz (voces)
Agudos: de 1600 a 20000 Hz (flauta, violín)
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Un micrófono ideal nos permitiría grabar cualquier pieza musical exactamente como está sonando, sin alterar su contenido frecuencial, entre 20 y 20000 Hz. Este comportamiento ideal se conoce como respuesta plana en frecuencia.
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Los micrófonos tienen una respuesta mucho más plana que los altavoces o los auriculares. Aun así, tratan de forma diferente unas frecuencias y otras, por lo que el sonido captado no coincide totalmente con el sonido original. Evidentemente, si bajamos mucho la calidad del micrófono, la respuesta en frecuencia puede que no sea tan plana como comento.
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La mejor forma de valorar la respuesta en frecuencia de un micrófono es consultando la gráfica que muestra su sensibilidad en decibelios para todo el rango frecuencial. Es habitual elegir 1 kHz como frecuencia de referencia, para la que se asigna un valor de salida de 0 dB, y luego analizar el resto de frecuencias, viendo la diferencia respecto a 1 kHz.
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La distancia estándar a la que se ubicó el generador de ondas para la realización de la gráfica siguiente fue de 1 metro:
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Se observa que para la frecuencia de 1 kHz el valor de salida es 0 dB.
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El resto de valores son pequeñas variaciones respecto a esta frecuencia (mínimas entre 600 Hz y 16000 Hz). También vemos que por debajo de 300 Hz la respuesta en frecuencia del micrófono es configurable, pudiendo elegir entre una respuesta muy plana o una menor o mayor atenuación para los graves.
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En ocasiones el fabricante no proporciona una gráfica similar a la anterior para el micrófono en el que estamos interesados. Si proporciona en cambio una información del tipo “20 Hz – 20000 Hz ±3 dB”. Esto quiere decir que las variaciones en frecuencia no superan los 3 dB en todo el rango audible. Esta variación estándar de ±3 dB es una respuesta plana a efectos prácticos.
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Muchas veces el fabricante especifica únicamente “20 Hz – 20000 Hz” sin decir nada respecto al comportamiento en frecuencia del micrófono. En este caso podemos intentar localizar información adicional en el sitio web siguiente:
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4. SPL MÁXIMO Y THD DEL MICRÓFONO
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El SPL máximo es el mayor nivel de presión sonora aplicable al diafragma del micrófono sin que distorsione de forma perceptible, es decir, sin que la distorsión armónica total o THD > 0,5%. Para más detalles respecto a la THD dirígete a la sección de los auriculares en esta misma web.
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Manteniendo la THD por debajo del 0,5% (e incluso por debajo del 1%) la distorsión es imperceptible, por lo que la calidad del sonido grabado será buena. Lógicamente, cuanto más baja sea la THD mejor.
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No debe confundirse el SPL máximo con el nivel de corte. El nivel de corte es el nivel de presión sonora para el cual la distorsión se percibe claramente. Lógicamente, el valor del nivel de corte será superior al del SPL máximo tratado en este apartado.
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5. NIVEL DE RUIDO PROPIO O NIVEL EQUIVALENTE DE RUIDO DEL MICRÓFONO
El nivel de ruido propio es el nivel de presión sonora a la entrada del micrófono que crea la misma tensión de salida del micrófono en ausencia de sonido. Cualquier nivel de presión sonora por debajo de este valor no será procesado por el micrófono.
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Este valor es el límite inferior del rango dinámico del micrófono y es un parámetro crítico si se pretenden grabar sonidos muy débiles. Lógicamente, cuanto más bajo sea mejor.
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6. RANGO DINÁMICO DEL MICRÓFONO
El rango dinámico es el rango en el que el micrófono funciona correctamente, expresado en dB. Está limitado por abajo por el nivel de ruido propio y limitado por arriba por el SPL máximo. Se calcula restando al SPL máximo el nivel de ruido propio (ambos valores en dB). Enseguida vemos un ejemplo para aclarar estos conceptos.
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7. RELACIÓN SEÑAL RUIDO O SNR DEL MICRÓFONO
La relación señal/ruido o SNR (Signal to Noise Ratio) de un micrófono es la diferencia (en dB) entre una señal de entrada de un nivel de presión sonora de 1 Pa (94 dB) y el nivel de ruido propio.
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Es una forma de comparar cómo de importante es el ruido propio respecto a una presión sonora de entrada estándar. Lógicamente, cuando mayor sea este valor mejor.
Veamos un ejemplo para aclarar estos cuatro últimos conceptos:
Especificaciones del micrófono SE Electronics, modelo RNT:
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a) Nivel máximo de presión del sonido o SPL (1 kHz): 151 dB
b) Nivel equivalente de ruido o ruido propio: 18 dB
c) Rango dinámico: 133 dB
d) Relación señal/ruido o SNR: 76 dB
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La interpretación de estos datos es:
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a) Por encima de 151 dB tendremos distorsión.
b) Por debajo de 18 dB el micrófono no capta nada.
c) Según los dos datos anteriores, el rango dinámico es de 151 dB – 18 dB = 133 dB.
d) Según la definición de SNR y la segunda especificación, SNR = 94 dB – 18 dB = 76 dB.
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8. DIRECTIVIDAD O PATRÓN DE CAPTACIÓN DEL MICRÓFONO
Dependiendo de su diseño, los micrófonos se optimizan para su uso en distintos escenarios, maximizando la captación en una dirección y minimizándola en otras. Por ejemplo, un micrófono optimizado para un locutor de fútbol maximizará las ondas sonoras que le lleguen por delante y atenuará el resto.
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Vamos a ver los distintos patrones de captación que podemos encontrar.
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8.1 OMNIDIRECCIONALES
Los micrófonos diseñados con este patrón son sensibles a las ondas sonoras que inciden desde cualquier dirección. Se utilizan con frecuencia en los estudios de radio, ubicándolos en el centro de una mesa redonda y permitiendo a todos los invitados utilizar el mismo micrófono. También es ideal para captar el sonido ambiente en lugares abiertos.
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Su patrón de captación es el siguiente:
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8.2 BIDIRECCIONALES
Son micrófonos que maximizan la captación de ondas sonoras que le llegan de frente y a 180º de la misma (frente y espalda del micro). El patrón puede ser más o menos directivo, lo importante es que se priorizan las dos direcciones comentadas. Es ideal para la grabación de una entrevista o cualquier diálogo en el que ambas personas se sienten enfrente.
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Su patrón de captación es el siguiente:
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8.3 CARDIOIDE
Se maximiza la captación desde el frontal del micrófono, reduciendo al máximo el resto. Es ideal para comentaristas en eventos deportivos, en los que interesa que el ruido procedente del público se reduzca todo lo posible.
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Su patrón de captación es el siguiente:
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8.4 SUPERCARDIOIDE
En estos micrófonos también se prioriza la captación del audio procedente de la zona frontal, pero no se eliminan por completo los sonidos que vienen de la parte trasera.
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Su patrón de captación es el siguiente:
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Muchos micrófonos de gama media-alta disponen de patrones configurables, lo que permite utilizarlos en multitud de situaciones de forma óptima.
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9. EL TRANSDUCTOR O CÁPSULA DEL MICRÓFONO
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Como ya comentamos al inicio de esta sección, el micrófono es un transductor electroacústico, que convierte las ondas sonoras en una señal eléctrica de audio, manteniendo la amplitud y contenido frecuencial del sonido entrante.
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El transductor o cápsula es el componente encargado de convertir las ondas sonoras en una señal eléctrica.
Se clasifican en diferentes tipos, según la tecnología empleada. A continuación, los vemos en detalle:
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9.1 MICRÓFONO DINÁMICO O DE BOBINA MÓVIL
El funcionamiento de estos micrófonos se basa en el fenómeno de inducción magnética, descubierto por Faraday en 1831. Este dice que un campo magnético variable induce corrientes en un circuito.
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Para aplicar este principio, el diafragma móvil se acopla a una bobina arrollada sobre un imán, el cual genera campos magnéticos permanentes. Cuando una onda sonora incide sobre el diafragma y lo mueve, también se mueve la bobina. Al moverse la bobina el campo magnético varía (es la clave), induciendo corrientes en la bobina proporcionales al movimiento.
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Veamos la imagen:
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Se observa que la bobina (en color morado) está enrollada alrededor de un imán y unida al diafragma flexible (en color verde). Las ondas sonoras (en color azul) mueven el diafragma, que mueve a su vez la bobina. Al moverse la bobina se consigue que varíe el campo magnético, induciendo corrientes y generando en consecuencia la señal de audio resultante Electrical Signal Output.
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La impedancia de estos micrófonos suele ser baja, entre 150 y 600 Ω. Son muy robustos y no necesitan alimentación. Su respuesta en frecuencia suele estar entre 50 Hz y 16 kHz.
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9.2 MICRÓFONO DE CINTA
Estos micrófonos se basan en el mismo principio de campos magnéticos variables que los dinámicos. La diferencia está en la membrana móvil, que en este caso se trata de una cinta de aluminio situada entre los polos de un imán permanente. La onda sonora incide sobre la membrana de aluminio, la cual genera al vibrar una corriente proporcional a la presión acústica entrante.
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Su sensibilidad acostumbra a ser menor que en los micrófonos dinámicos y su respuesta en frecuencia es uniforme de 50 a 15 kHz. Su impedancia es baja, por lo que pueden necesitar un adaptador de impedancias para lograr una salida adecuada.
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9.3 MICRÓFONO DE CONDENSADOR
Estos micrófonos utilizan un condensador como elemento principal. La membrana móvil es una de las placas del condensador, quedando la otra placa fija. Al incidir la onda sonora sobre esta placa y moverla, la capacidad del condensador "C" varía. Esto es debido a que la capacidad de un condensador depende de la distancia entre ambas placas según la fórmula siguiente:
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C = É› x (A/d)
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Donde "É›" es la constante del dieléctrico, "A" la superficie de la placa y "d" la distancia entre placas, la que varía cuando incide la onda sonora.
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Al variar "C" variará la impedancia del condensador "Zc", la cual obedece a la fórmula siguiente:
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Zc= 1 / (ω x C)
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Al variar la impedancia, variará la corriente del circuito eléctrico en el que está el condensador. Esa corriente variable genera una tensión variable en la resistencia de salida, que es la señal final de audio. En la figura siguiente se observa el montaje:
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9.4 MICRÓFONO ELECTRET
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En la figura anterior tenemos los siguientes elementos:
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1. Onda sonora incidente
2. Placa móvil del condensador que actúa como diafragma
3. Placa fija del condensador
4. Fuente de alimentación del circuito eléctrico
5. Resistencia que proporciona una tensión variable al variar la corriente del circuito
6. Señal de salida del micrófono
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El inconveniente principal de este tipo de micrófonos es que necesita alimentación externa, la cual se suministra a través del propio cable de conexión. Esta alimentación se conoce como fantasma o phantom y los voltajes suelen estar comprendidos entre 9 y 48 voltios.
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Su sensibilidad es más elevada que en los dinámicos y también su relación señal/ruido. Su respuesta en frecuencia es más plana que en los dinámicos o de cinta y son poco sensibles a las vibraciones mecánicas. Son más caros que los dinámicos.
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El principio de funcionamiento es similar al del micrófono de condensador, con la diferencia de que la placa fija del condensador es un polímero polarizado eléctricamente y llamado electret. Tienen menor sensibilidad y respuesta menor para las bajas frecuencias que los de condensador. En la imagen siguiente podemos ver su esquema funcional.
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9.5 MICRÓFONO PIEZOELÉCTRICO
El elemento móvil que genera la señal eléctrica en estos micrófonos es un cristal piezoeléctrico (cerámica, por ejemplo). Este tipo de materiales tienen la propiedad de generar una señal eléctrica proporcional a la presión ejercida sobre ellos. Cuando la onda sonora incide sobre el material piezoeléctrico, genera una tensión de salida proporcional a la intensidad de dicha onda. Su respuesta en frecuencia es insuficiente para utilizarse en sistemas de grabación.
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9.6 MICRÓFONO DE CARBÓN
Estos micrófonos utilizan una cápsula llena de grafito o antracita, sobre la que inciden las ondas sonoras. Las variaciones de presión comprimen y descomprimen la cápsula de carbón, variando su resistencia. Esta variación de resistencia hace variar en consecuencia la corriente de salida de la cápsula. Un primer inconveniente es que requieren de alimentación externa, como los de condensador. Además su respuesta en frecuencia es muy limitada, utilizándose sólo en telefonía y porteros electrónicos.
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En la siguiente imagen se puede ver su esquema de funcionamiento.
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10. INTERFAZ DE COMUNICACIONES DEL MICRÓFONO
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Los conectores más comunes utilizados por los micrófonos son:
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Jack de 3,5 o 6,35 mm: son los conectores más habituales en micrófonos de gama baja y media.
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XLR-3: utilizado en micrófonos profesionales de alta gama.
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USB: ideal para conexión con el ordenador. El estar alimentados a través de la propia conexión no tienen problema en amplificar y realizar la conversión analógica/digital antes de enviar los datos al PC.
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11. FRECUENCIA DE MUESTREO Y PROFUNDIDAD DE BIT DEL MICRÓFONO
Como hemos comentado en el apartado anterior, los micrófonos para PC realizan la conversión analógica/digital antes de enviar el audio al ordenador. La calidad de esta conversión es importante, ya que toda la información que perdamos en este proceso no podremos recuperarla más adelante. Los fabricantes nos ofrecen dos valores relacionados con la bondad de esta conversión: la frecuencia de muestreo y la profundidad de bit.
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11.1 FRECUENCIA DE MUESTREO
Nos indica a qué velocidad se capturan las muestras de la señal analógica. Cuanto más alta sea más se parecerá la señal digitalizada a la analógica y más espacio ocupará el archivo digital correspondiente.
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11.2 PROFUNDIDAD DE BIT
Es la cantidad de bits utilizados para almacenar la amplitud de la señal muestreada, también conocida como velocidad de bit o tasa de bit. Al digitalizar una señal analógica, la cual tiene infinitas amplitudes posibles, nos vemos obligados a perder información. Esto es debido a que hay ajustar la amplitud real a la amplitud más próxima que permite nuestra codificación digital.
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Cuantos más bits tengamos más fiel será la señal digitalizada, pero más espacio ocupará el archivo. Un valor correcto serían los 16 bits utilizados por el CD, los cuales nos ofrecen un total de 65536 valores posibles para la amplitud de la señal de audio. Con 24 bits tendremos 16777216 valores posibles, aumentando la fidelidad del archivo digital.
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En la siguiente imagen se ven claros los dos conceptos:
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En la gráfica anterior, la línea roja es la señal de audio y los puntos azules las muestras tomadas para digitalizarla. Obsérvese que una vez digitalizada la señal perdemos toda la información que hay entre muestra y muestra. Esto es subsanable si la señal varía lentamente (frecuencias bajas) pero si la señal varía muy deprisa (frecuencias altas) puede ocurrir algo entre muestra y muestra que se pierda en el proceso de muestreo.
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Para la señal anterior disponemos de una profundidad de 3 bits, lo que nos da un total de 8 niveles positivos y 8 negativos. A la pérdida de información entre muestras comentada antes, se añade un efecto de redondeo en el momento de asignar la amplitud de cada punto azul muestreado. Si nos fijamos en el cuarto punto, la señal roja está en algo más de 6,5 de amplitud y en cambio se codifica con un 7. Al incrementar el número de bits, aumenta el número de niveles, reduciendo este error de forma drástica.
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