Nivel 2 · Lección 5

Por qué tu afinador necesita tiempo

La idea en una imagen

Dos cuerdas suenan a la vez: la verde, a 440 Hz, y la naranja, un poco más aguda. A la izquierda, las dos cabinas vistas desde la verde: la naranja se va adelantando a su ritmo, y el arco morado marca lo que se ha separado durante el trozo que miras. A la derecha, arriba, la suma de las dos ondas con el trozo analizado en púrpura; debajo, el espectro de ese trozo. Con un trozo corto, las dos notas son una sola montaña.

Dos cuerdas a 440 y 442 Hz suenan juntas con un vaivén de volumen, un ua-ua-ua que se repite dos veces por segundo: es un batido, y lo produce que las dos norias, que arrancan a la par, se van separando a razón de dos vueltas por segundo. Mientras no se hayan separado una vuelta entera, no hay manera de distinguir dos norias de una sola.

Esa es la ley de la lección: para ver dos notas que se llevan unos hercios hay que mirar, como poco, el tiempo que tardan en sacarse una vuelta, que es uno dividido entre esos hercios. Con una décima de segundo, la diferencia mínima es de unos 10 Hz, y con dos segundos, de medio hercio. Mueve la diferencia entre las dos notas y la duración del trozo, y fíjate en el momento en que la montaña se parte en dos.

Paso a paso

El batido: dos cuerdas casi afinadas

Cuando dos notas casi iguales suenan a la vez, el volumen sube y baja con un vaivén que se oye como un ua-ua-ua. Late tantas veces por segundo como hercios se llevan las dos notas: 440 y 442 Hz dan dos latidos por segundo. Los afinadores de pianos lo aprovechan, porque cuando el vaivén desaparece las dos cuerdas están afinadas.

La noria lo explica bien. Las dos cabinas empiezan juntas y suman sus alturas, así que al principio el sonido es fuerte. Como una gira un poco más deprisa, se va adelantando hasta quedar en el lado contrario, y entonces las dos se compensan y el sonido casi se apaga. Cuando le ha sacado una vuelta entera, vuelven a coincidir. Un latido es una vuelta de diferencia, y el tiempo entre latidos es lo que tardan en sacarse esa vuelta.

Consigue que desaparezca el ua-ua: gira la clavija para afinar la segunda cuerda con la primera, que suena a 440 Hz.

Una fila de norias de prueba

La noria de prueba de la lección 4 se enfrentaba a todas las velocidades posibles, y un ordenador solo puede probar una fila finita. Con un trozo de T segundos, las norias de prueba de la transformada discreta de Fourier, la DFT, son las que dan un número entero de vueltas dentro del trozo: cero vueltas, una, dos, tres y así hasta la mitad de la frecuencia de muestreo de la lección 2. Esa fila las deja separadas por uno dividido entre T: de 2 en 2 hercios con medio segundo de trozo, y de 0,5 en 0,5 con dos segundos.

De ahí sale la ley del afinador. Dos notas que se llevan menos que esa separación caen en la misma montaña, y la resolución en frecuencia no puede distinguirlas: con una décima de segundo es de unos 10 Hz y con dos segundos, de medio hercio. Separarlas con limpieza cuesta algo más, según la ventana que uses y cómo estén colocadas las dos notas; con la ventana de Hann, que verás en el paso 4, hace falta alrededor de dos veces y media ese tiempo. La frecuencia de muestreo no cambia nada de esto: solo fija el techo de las frecuencias, que es su mitad.

Un semitono es un 6 % de la frecuencia. En el Mi grave de la guitarra, de 82,41 Hz, el semitono siguiente está a unos 5 Hz, y separarlos exige del orden de 0,2 s o más; en el Mi agudo, de 329,63 Hz, está a unos 20 Hz y bastan del orden de 0,05 s. Un afinador no tarda en calcular: tarda en reunir señal suficiente, y algo más con las notas graves.

Calcular la DFT con su definición exige un número de operaciones que crece como el cuadrado de las muestras. La transformada rápida de Fourier, la FFT, calcula exactamente la misma DFT partiendo el trabajo en mitades que luego se recombinan, y con un millón de muestras pasa de un billón de operaciones a unos veinte millones. No es otra transformada ni una aproximación, sino la misma cuenta ordenada de otra manera.

Elige una pareja de notas y busca el trozo más corto que las separa en dos picos. Consigue las tres parejas.

La costura del trozo

La DFT esconde un supuesto: trata el trozo como si se repitiera sin fin, una copia pegada detrás de otra. Si la noria da un número entero de vueltas en el trozo, el final empalma con el principio y todo cuadra, y el área aparece solo en una barra. Si no, al pegar las copias queda un salto en la costura, y dibujar un salto exige muchas norias distintas: la energía de la noria se derrama por las barras vecinas. A ese reparto se lo llama fuga espectral.

Con una voz real casi nunca cuadran las vueltas, porque nadie canta una nota justo en la frecuencia de una barra de la DFT, así que la fuga es lo normal. También es normal que el pico de una nota se reparta entre dos barras vecinas: la nota cae entre dos norias de prueba, y eso no significa que haya dos notas ni que la medida esté mal.

Consigue que toda la energía caiga en una sola barra: ajusta la frecuencia hasta que el trozo dé un número entero de vueltas.

Suavizar los bordes

Para que la costura no tenga salto se multiplica el trozo por una campana que empieza y acaba en cero, una ventana. La más usada lleva el nombre del meteorólogo austriaco Julius von Hann, y muchos programas la llaman «hanning», un nombre que se quedó por costumbre. Con ella, el final y el principio valen cero y empalman sin salto, y la falda del pico baja muchísimo.

A cambio, la montaña se ensancha un poco: es un compromiso entre la anchura del pico y la altura de la fuga. La ventana no quita el ruido ni aumenta la resolución. Para separar dos tonos iguales muy juntos, la rectangular, que es no poner ventana, separa antes; para ver una nota débil junto a una fuerte, gana la de Hann, o la de Blackman, que baja la falda todavía más.

Junto a una nota fuerte hay otra unas trescientas veces más débil. Encuentra su pico: prueba las ventanas y toca el espectro donde la veas.

Los ceros no hacen milagros

Hay un truco para que un espectro salga más suave: añadir ceros al final del trozo antes de calcular la DFT, el relleno con ceros. Con más ceros salen más barras, más juntas, y la montaña se dibuja con más puntos y queda más lisa. Pero los ceros no son señal: la montaña es la misma, con la misma anchura, solo que mejor dibujada.

Sirve para otra cosa. Con una nota sola, limpia y quieta, el relleno ayuda a localizar el centro de la montaña con más finura que la rejilla de la DFT, interpolando entre barras. Eso es precisión, y es distinto de la resolución: puedes decir con exactitud dónde está una nota, pero no separar dos que están dentro de la misma montaña. Para eso hace falta más señal, no más ceros.

Dos notas de 440 y 450 Hz suenan juntas, pero ves un solo pico. Consigue ver dos.

Mirar lo grande y lo pequeño a la vez

Un espectro suele mirarse en decibelios, porque en una escala lineal lo pequeño se aplasta contra el suelo. Los decibelios cuentan cuántas veces cabe un factor diez: con amplitudes, cada 20 dB la amplitud se divide por diez, así que un armónico a −40 dB es cien veces más pequeño que el pico, y uno a −60 dB, mil veces. El decibelio es la décima parte del belio, que lleva el nombre de Alexander Graham Bell.

Hay una trampa frecuente: −3 dB es la mitad de potencia, mientras que −6 dB es la mitad de amplitud, que es un cuarto de la potencia.

El espectro de una «aaa» sintética tiene muchos armónicos, cada vez más pequeños. ¿Cuántos asoman por encima de −60 dB?

En tu voz

Qué grabar. Un silbido sostenido de unos segundos o una «aaa» larga: son los tramos 2 y 3 de la grabación de referencia de la serie. Intenta mantener la nota lo más quieta que puedas. Graba con el micrófono si tu navegador lo deja; si no, sube un audio grabado con el móvil o prueba con los ejemplos sintéticos.

Qué mirar. El laboratorio se queda con el trozo de tu grabación donde hay más sonido y calcula su espectro dos veces, con uno corto, de una décima de segundo, y con uno largo, que puedes alargar hasta dos segundos. Con la ventana de Hann, la anchura del pico es de unos 20 Hz con la décima de segundo y de 1 Hz con los dos segundos. Pero una nota humana no es una noria perfecta: varía unos cents, y por eso el pico del trozo largo suele salir más ancho que la teoría, o con dos jorobas, y escuchar más tiempo solo afina la lectura si la nota se queda quieta. Con la «aaa» verás la fila de armónicos de la lección 4, cada uno más fino con el trozo largo.

Lo que tienes que recordar

  1. La DFT prueba solo las norias que dan un número entero de vueltas en el trozo, separadas uno dividido entre su duración. Dos notas más juntas que eso se funden en una montaña, y para separarlas hay que escuchar más tiempo, no subir la frecuencia de muestreo ni rellenar con ceros.
  2. Si la noria no da vueltas completas, la costura del trozo tiene un salto y la energía se derrama por las barras vecinas: es la fuga espectral. Una ventana la reduce a cambio de ensanchar un poco el pico.
  3. La FFT es la misma DFT calculada mucho más deprisa, y los decibelios permiten ver lo pequeño junto a lo grande: cada 20 dB, la amplitud se divide por diez.

Errores típicos

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Rincón matemático

Las fórmulas, para quien las quiera. Cada una va después de su lectura en palabras.

La DFT

El coeficiente número k de la DFT es el área del producto de la señal por la noria de prueba número k, con N muestras:

X[k] = \sum_{n=0}^{N-1} x[n]\,e^{-i 2\pi k n / N}, \qquad k = 0, 1, \dots, N-1

La rejilla de frecuencias

La noria de prueba número k da k vueltas en el trozo; su frecuencia es k veces la frecuencia de muestreo dividida entre N, y las barras están separadas uno dividido entre la duración T del trozo:

f_k = \frac{k\,f_s}{N}, \qquad \Delta f = \frac{f_s}{N} = \frac{1}{T}

El batido

Dos senos casi iguales suman una nota intermedia multiplicada por un coseno lento, de frecuencia la mitad de la diferencia. El volumen es el valor absoluto de ese coseno, que llega a su máximo dos veces por ciclo, así que el oído cuenta tantos latidos por segundo como hercios de diferencia:

\sin(2\pi f_1 t) + \sin(2\pi f_2 t) = 2\cos\!\left(2\pi\,\tfrac{f_1 - f_2}{2}\,t\right)\sin\!\left(2\pi\,\tfrac{f_1 + f_2}{2}\,t\right), \qquad f_{\text{batido}} = |f_1 - f_2|

Cortar un trozo es poner una ventana

Cortar un trozo equivale a multiplicar la señal por una ventana, y el espectro del trozo es el de la señal emborronado por el de la ventana (la barra * es la convolución de la lección 7):

x_w[n] = x[n]\,w[n] \quad\Longrightarrow\quad X_w(f) = (X * W)(f)

La ventana de Hann

La ventana de Hann es una campana de coseno que empieza y acaba en cero; esta es la versión periódica, la adecuada para la DFT:

w[n] = \tfrac{1}{2}\left(1 - \cos\frac{2\pi n}{N}\right), \qquad n = 0, \dots, N-1

Cuánto hay que mirar para separar dos picos

Para separar dos picos, la ventana debe abarcar unos K periodos de la frecuencia diferencia. Una condición suficiente es K = 2 con la ventana rectangular y K = 4 con la de Hann (Smith, Spectral Audio Signal Processing); con el criterio de los retos, un valle de al menos 3 dB, salen unos 1,5 y unos 2,4:

T \ge \frac{K}{|f_2 - f_1|}

El relleno con ceros

Rellenar con ceros hasta L muestras solo toma más puntos de la misma curva continua, la del espectro del trozo con ventana:

X_{\text{relleno}}[k] = X_w\!\left(\frac{k\,f_s}{L}\right), \qquad L > N

Decibelios

En decibelios, una razón de amplitudes se mide con 20 veces su logaritmo decimal, y una de potencias, con 10 veces:

L_{\text{dB}} = 20\log_{10}\frac{A}{A_{\text{ref}}} = 10\log_{10}\frac{P}{P_{\text{ref}}}

La FFT

La FFT parte la DFT en la de las muestras pares, E, y la de las impares, O, y las recombina con un giro:

X[k] = E[k] + e^{-i 2\pi k/N}\,O[k], \qquad X[k + N/2] = E[k] - e^{-i 2\pi k/N}\,O[k]

Repetirlo hasta llegar a trozos de una muestra lleva a un coste de unas (N/2)\log_2 N multiplicaciones complejas en lugar de las N^2 de la definición:

N^2 \;\longrightarrow\; \tfrac{N}{2}\log_2 N

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