Decibeles: qué son y para qué sirven

En este artículo, te explicamos todo sobre los decibeles. De dónde vienen, para qué y por qué se usan los decibeles. Entender todo esto nos ayudará a mejorar nuestro entendimiento sobre el uso de herramientas que operamos a diario en el entorno de audio.

Todas las disciplinas tienen un lenguaje propio. Todas usan términos o definen conceptos que, fuera de contexto, suenan a chino mandarín. En el audio, el decibel es uno de esos conceptos.

La razón por la que son algo difíciles de entender, es que no son tan intuitivos como las unidades que usamos cotidianamente. Eso sí, son quizás la mejor manera de expresar lo que expresan, pero eso no quiere decir que no puedan ser algo confusos.

¿Qué son los decibeles?

Son una unidad logarítmica que compara dos magnitudes de un mismo fenómeno. Con ella se pueden comparar cosas como voltaje, corriente, potencia, ganancia, presión sonora, etc.

Seguro que lo viste en el colegio pero, el logaritmo (de una base determinada)  de un número real positivo, es el número al que tenemos que elevar la base para obtener dicho número.

El logaritmo más común es el de base 10, donde, por ejemplo, el logaritmo de 100 es 2 porque es el resultado de elevar 10 al cuadrado.

Los logaritmos, y por tanto, los decibeles, facilitan la comparación de números que tienen varios órdenes de magnitud de diferencia, cosa que sería muy poco práctica en el uso normal que les vamos a dar.

Mediante el uso de decibeles podemos hacer comparaciones entre una magnitud conocida y un valor que queremos conocer. 

A esto se lo conoce como "decibeles referenciados" y es lo que le da una verdadera utilidad al concepto.

Los decibeles no tienen unidades ya que son una medida de comparación entre dos magnitudes iguales; por ejemplo dos valores de presión sonora, voltaje, corriente, etc.

El uso de los decibeles: una cuestión de percepción

La manera en la que el ser humano percibe fenómenos como la presión sonora o la intensidad lumínica no es lineal.

Un cambio del doble de la presión sonora en pascales, no es percibido como el doble por nuestros oídos sino que sigue una razón logarítmica.

En el ser humano los cambios percibidos en la presión acústica y frecuencia están basados en el cambio porcentual de una condición inicial, por lo que siguen una razón matemática. 

Se ha demostrado que para incrementar el nivel subjetivo producido por un parlante, la potencia aplicada debe aumentar en 26%, más allá de la cantidad inicial. 

Si teníamos 1 Watt inicialmente debemos aumentar a 1.26 Watts para percibir el cambio. 

En cambio si tenemos 100 Watts inicialmente, necesitamos 126 Watts para producir el mismo incremento subjetivo.

Por este motivo para el cálculo del decibel se usan los logaritmos, que son números proporcionales. En particular se usa la base 10 para los cálculos con logaritmos en audio.

En la tabla, los logaritmos cumplen dos propósitos: actuar como una proporción y al mismo tiempo comprimir la escala de valores, para poder usarlos con mayor simplicidad.

Para calcular el decibel o dB, tan solo debemos multiplicar por 10 el valor obtenido en el cálculo del Bel.

La expresión para calcular el decibel está definida para la potencia, tanto eléctrica como acústica. Si queremos calcular lo que sucede con magnitudes que no son la potencia, por ejemplo: voltaje o presión sonora, es necesario hacerlas proporcional a la potencia, mediante la ecuación de la potencia.

Ecuación para el cálculo de la potencia, expresada en términos de voltaje:

Donde,

W es la potencia en Watts.

V es Voltaje en Volts.

R es la resistencia en Ohms.

Teniendo en cuenta esto último y para simplificar la operatoria, el cuadrado del voltaje pasa a multiplicar la expresión del decibel. Por lo tanto para el cálculo de voltaje y presión sonora la expresión del decibel es:

Decibeles referenciados

En muchas de las aplicaciones del decibel se usan valores referenciales de la magnitud estudiada, para establecer un punto de comparación que tenga significado práctico. 

Los decibeles que usan una unidad comparativa se llaman referenciados y se pueden diferenciar por que llevan un sufijo al lado del término dB.

Dependiendo el fenómeno que estemos estudiando: presión sonora, voltaje, potencia eléctrica, etc. vamos a usar distintas referencias en cada caso. 

Los valores de las referencias, provienen de una cantidad significativa para el fenómeno que se está estudiando.

dB NPS o dB SPL (Nivel de Presión Sonora)

Se usa cuando estudiamos la presión sonora y se refiere a cuan fuerte suena o se percibe una fuente.

La referencia que se toma para el cálculo del nivel de presión sonora es el sonido más bajo que puede escuchar una persona sana y joven en las frecuencias medias.

A esto también se lo conoce como "umbral de audición".

La presión sonora se mide en pascales y la referencia es de 20 micro pascales (20x 10-6), que equivale a 0 dB. Recordemos que al tratarse de una medida de presión la expresión para el cálculo del decibel es:

[formula] db NPS = 20log (P / 20x10^-6)[/formula]

Para hacernos una idea de la amplitud del rango de escucha del oído humano, este va desde el valor de referencia, 20 micro pascales, hasta 200 pascales que equivalen a 140 dB.

La variación de la presión sonora que percibimos es inmensa (supera el millón de veces), lo que transforma al decibel en una unidad idónea para comprimir la escala y hacer comparaciones sencillas.

El ser humano tiene un rango tan amplio de escucha, como un factor evolutivo que nos permite percibir sonidos que puedan representar peligro.

Decibeles ponderados

Los decibeles ponderados incorporan curvas de atenuación que se aplican en la medición de la presión sonora para acercar el valor de lectura a lo que percibe el oído a distintos niveles y frecuencias de escucha.  

La explicación del uso de estas curvas es que el oído humano no tiene la misma respuesta en frecuencia a todos los niveles de presión sonora. 

Específicamente tiene un pronunciado filtro en bajos y agudos a bajos niveles de escucha.

Por esa razón mediciones con sonómetros/decibelímetros a bajos niveles de presión sonora, tienden a reflejar valores mucho mayores que el nivel percibido, que es el que necesitamos evaluar. 

Recordemos que las bajas frecuencias influyen mucho en la medición.

Para reflejar mejor como actúa el oído ante distintos niveles de presión sonora, se crearon curvas de ecualización inversas a la respuesta del oído. 

De esta manera se compensa la lectura y los valores que se obtienen son más realistas. Las curvas usadas normalmente son tres (A,B y C) y cada una se usa en un rango de nivel de presión sonora específica.

• Ponderación curva A: es una inversión de la curva de 40 phones de audición, está pensada para mediciones de presión sonora menores a 55 dB. El resultado de la medición es en dBA.
• Ponderación curva B: es una inversión de la curva de 70 phones de audición. Está pensada para hacer mediciones con un nivel de presión sonora intermedio, de 55 a 85 dB. El resultado de la medición es en dBB.
• Ponderación curva C: es una inversión de la curva de 100 phones de audición. Está pensada para hacer mediciones con un nivel de presión sonora alto, mayor a 85 dB. El resultado de la medición es en dBC.

Imagen: gráfico de respuesta en frecuencia de las distintas curvas de ponderación aplicadas a sonómetros o decibelímetros.

Imagen: ejemplo de sonómetro o decibelímetro, donde se evalúa el nivel de presión sonora en dB. Por lo general los sonómetros nos permiten usar las curvas de ponderación para tener un valor de lectura más realista.

Decibeles de potencia

En audio se usan principalmente dos decibeles referidos a la potencia, dependiendo del valor que se maneja en cada situación. Con valores bajos de potencia se usa el dBm y con valores altos se usa el dBW.

dBm

Es un decibel referenciado a una potencia de un mili Watt para una carga de 600Ω. Recordemos que muchas de las cosas que usamos hoy en día en audio, provienen de la telefonía o las radiocomunicaciones.

En un comienzo las empresas de telefonía medían el nivel de las señales que enviaban por la línea, que tenía una impedancia de 600 Ω.

En esos tiempos la transferencia de señales óptima requería que la impedancia entre el dispositivo de salida y de recepción estuviera igualada. 

A esta transferencia se le llama de máxima potencia y es por eso que muchos equipos, algunos hasta la fecha, tienen una impedancia de salida de 600 Ω.

[formula]dBm = 10 log (P/1×10^-3 W)[/formula]

dBW

Es un decibel referenciado a una potencia de 1 Watt, se usa cuando las potencias son iguales o mayores a 1 Watt. 

Este decibel está pensado para señales de potencia significativas, como son las que entregan los amplificadores de potencia para uso doméstico, de estudio o refuerzo sonoro.

En la práctica para el cálculo se usa la potencia que se está estudiando contra la referencia.

dBW= 10 log (P/1 W)

Decibeles de voltaje

En equipos de audio en general vamos a encontrar que tanto los de uso doméstico como los de uso profesional, especifican el voltaje de salida en dos medidas de voltaje: dBu (ámbito profesional) y dBV (ámbito doméstico o semi-profesional).

dBu

Es un decibel que tiene como referencia 0.775 Volts, sin una carga asociada y por eso llevan la u de unloaded. 

El valor de referencia tiene que ver con hechos históricos, ya que se tomo justamente el voltaje necesario para generar 1 mili Watt en una carga de 600 Ω.

dBu= 20 log (V/0.775)

Los dispositivos de audio modernos no trabajan con el concepto de impedancia de salida y entrada igualada, como en el caso del dBm. 

Más bien usan impedancias de salida muy bajas e impedancias de entrada muy altas. De esta forma se prioriza la máxima transferencia de voltaje, que es mucho más conveniente que transferir potencia eléctrica.

El nivel de salida de línea de la mayoría de equipos de audio profesional es +4 dBu, que equivale a un voltaje RMS de 1.23 Volts. 

Este valor de voltaje tiene que ver con el rango de operación de los circuitos operacionales modernos y permite tener suficiente headroom para la señal, antes de la distorsión.

dBV

Es un decibel de voltaje que tiene como referencia 1 Volt RMS y es normalmente usado para especificar el nivel de línea en equipos de audio semi-profesionales, tales como reproductores de CD, DVD, video juegos, entre otros.

dBV = 20 log (V/1)

El nivel de línea especificado en este decibel es de  -10 dBV y es equivalente a 0.316 V RMS. 

Este valor de voltaje tiene que ver con el rango de operación de los circuitos operacionales de menor calidad, notar que el valor es aproximadamente cuatro veces menos que el voltaje usado para el nivel de línea profesional.

Los dispositivos que usan este nivel de línea al ser menor que el estandard profesional son más propensos al ruido, que se puede inducir por fuentes de interferencia electromagnéticas.

Decibeles digitales

Son utilizados en los sistemas digitales y nos sirven de mucho para trabajar en audio al usar el secuenciador o los diversos plugins que existen.

dB FS o Full Scale

Es el decibel usado en los sistemas digitales, tales como los secuenciadores o D.A.W, para referirse al máximo nivel de voltaje peak que puede tener una señal antes de clippear el conversor digital. 

La idea de este decibel es establecer el máximo nivel posible que puede tomar la señal para no distorsionar.

Algo importante que hay que notar es que la escala de los DAW esta definida en números negativos, ya que el 0 dB representa el tope de la escala y de ahí el nombre Full Scale. 

Esta referencia puede ser algo confusa, ya que para trabajar en el secuenciador vamos a estar usando valores negativos en decibeles. Tanto para la etapa de ganancia, umbrales del compresor, entre otros ajustes.

Conclusiones

Tal vez los decibeles no son algo que usemos en nuestra vida diaria, fuera del audio o las telecomunicaciones, sin embargo son una herramienta muy útil y fundamental para un montón de disciplinas y aplicaciones entre ellas el sonido y audio.

Como vimos el decibel fue adoptado como unidad de amplio uso en el audio gracias a que se correlaciona bastante bien con la manera en la que  el oído humano percibe los niveles y la frecuencia. 

Una de las ventajas que tiene el decibel es comprimir el inmenso rango de valores de presión que el oído es capaz de percibir y nos lo presenta con números mucho más digeribles.

Los decibeles son muy útiles para comparar especificaciones entre distintos dispositivos o equipos de audio, de una manera fiable y equitativa, siempre que el fabricante sea honesto en sus mediciones.

Vas a encontrar los decibeles mencionados en el artículo en especificaciones de micrófonos, consolas, equipos de audio, DAWs, aislación sonora, acústica y muchas otras aplicaciones.

Espero que este artículo haya sido útil y que haya aclarado de manera sencilla algunos de estos conceptos, que pueden resultar algo complejos en principio. Conocer mejor las herramientas con las que trabajamos nos permite hacer mejor uso de ellas en la práctica.