Armas sónicas

Este post tiene como objetivo hablar de un tema, que en primer momento me pareció más apropiado de la ciencia ficción que de la realidad actual, sin embargo una vez comienzas a investigar descubres, que está más cerca de nosotros de lo que creemos.

En primer lugar, creo que es mejor hacer un repaso por la historia y los usos bélicos del sonido. EL sonido siempre ha sido usado como arma para atemorizar al enemigo, infundir valor en tus propias tropas, o incluso permitirte llegar a estados de trance en los que puedas resistir el dolor o entrar en estados de furia. Todos recordamos en la películas de vaqueros como los indios bailaban alrededor del fuego durante horas, esta ficción se basa en pruebas reales de culturas dispersas por todo el mundo, que usando sonidos de frecuencias bajas conseguían efectos potenciadores.

Baile de guerra de nativos americanos

A la hora de mejorar el valor de las tropas en la batalla se han usado multitud de sonidos, desde cuernos a tambores, aunque sin embargo uno de los sonidos que mejor representa este uso de los sonidos es la gaita escocesa, muy usada en las batallas libradas por Escocia, o unidades escocesas, principalmente en la Edad Media, y en los siglos posteriores a esta.

Gaitas escocesas

Finalmente mencionar un ejemplo de música utilizada para desmoralizar al enemigo llevado al cine en la película “Apocalypsis Now”.

Apocalypsis Now

Sin embargo, en la actualidad se ha investigado el uso letal y no letal de armas que usan el sonido como forma de herir o incapacitar al enemigo, a lo largo de la segunda guerra mundial, tanto británicos como japoneses, llevaron a cabo experimentos y publicaron estudios sobre la posibilidad de utilizar para uso letal el sonido, sin embargo debido a las distancias estudiadas las potencias requeridas eran totalmente teóricas, siendo imposible llevarlas a la práctica.

En los años posteriores se publicaron estudios en varias partes del mundo sobre el uso de armas de sonidos con el objetivo de controlar multitudes o disuadir a la población, es decir, uso no letal, y como posible sustituto a las usadas actualmente, pelotas de goma y gases lacrimógenos, sin embargo, de momento los resultados eran demasiado caros y poco precisos para ser usados fuera de la investigación.

En las últimas décadas, se han desarrollado estudios para medir el efecto del sonido en el cuerpo humano en función de su frecuencia y su potencia, se ha demostrado que el efecto que tiene el sonido en el organismo es muy variado, desde romper tímpanos si se aplica un sonido lo suficientemente fuerte, a sentir náuseas y mareos en caso de aplicar infrasonidos o pérdida de las capacidades motoras para sonidos de muy baja frecuencia. A continuación, describiremos algunos efectos en los principales órganos al aplicar ciertos tipos de sonidos.

Con sonidos de muy alta potencia, en primer lugar perdemos audición de forma temporal o permanente dependiendo el tiempo de exposición y la potencia del sonido, produciendo daños en el oído interno y en el oído externo. A potencias aún mayores se pueden llegar a dañar otros órganos como los pulmones.

Con sonidos de bajas frecuencias, se han producido efectos muy diversos. Malestar, mareos, pérdida de conciencia  y pérdida del control de los ojos; sin embargo, estos efectos son muy variables de un individuo a otro y son difíciles de reproducir en distintos laboratorios por lo que su validez o su uso está en entredicho. Con sonidos de 0.5 Hz se ha observado que a los 175 dB tanto seres humanos como otros animales, pierden la capacidad de respirar adecuadamente produciendo asfixia y temblores. Aunque esta situación es reversible una vez se deja de aplicar el tratamiento, se puede producir salivación, sudoración, y otros efectos con frecuencias menores a 50 Hz y potencias superiores a 150dB.

Si aplicamos ultrasonidos; es decir, sonidos a altas frecuencias, el efecto principal es un aumento de temperatura corporal que podría producir daños cutáneos o en órganos internos, así como la total incapacitación de las funciones básicas del organismo y, finalmente, la muerte por el aumento brusco de la temperatura corporal. Actualmente, se encuentran en desarrollo armas que utilizan estas frecuencias, la más conocida es la llamada “Guardia silencioso”. Este emisor de rayos es capaz de aumentar la temperatura corporal a 50 grados y es capaz de traspasar la ropa; sin embargo, no paredes u obstáculos más grandes. Esta nueva arma presentada recientemente fue probada delante de varios periodistas, que sufrieron efectos no permanentes en sus organismos que les dejaron totalmente incapacitados.

Por tanto, como podemos ver, aunque el sonido como arma todavía pertenece al campo de la ciencia ficción por sus altos costes energéticos y monetarios, empiezan a convivir con nosotros algunas aplicaciones que nos permitan hacernos una idea del potencial del sonido y su poder.

Os dejamos un pequeño ejemplo,

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Tutorial básico de MatLab

Como ya sabemos, trabajaremos con MatLab. Por ello es conveniente tener ideas claras desde el principio. Es importante saber que MatLab es un acrónimo de Matrix Laboratory, o laboratorio de matrices. Es de suponer entonces que estará optimizado para todas aquellas operaciones en las que las matrices (¿Qué es una matriz? Definición) estén implicadas.

El objetivo final de las diferentes guías que hagamos será entender, al menos en gran parte, cómo funcionan los codificadores de audio, sintetizadores y demás utensilios con audio digital; por ello, y dado que empezaremos desde cero, os escribimos esta guía -básica- que creemos que será muy útil.

  • Iniciación con MatLab

Abramos MatLab para empezar a utilizarlo. Cuando termine de cargar os aparecerá un entorno con diferentes ventanas. Estas ventanas es posible moverlas, de modo que las puedas colocar a tu gusto. Si alguna de ellas no aparece puedes buscarla en Desktop (Escritorio) -> Desktop Layout (Diseño de escritorio); y Desktop -> Toolbars (Barras de herramientas).

Cada una de ellas ejerce una función. Destacamos exclusivamente la línea de comandos, en la cual puedes poner líneas de código y ver el resultado al instante. Escribe en ella “a = 1” (sin las comillas) y “b = a + 10”. Tras realizar este paso vemos la utilidad de otra ventana, el workspace o espacio de trabajo donde se muestras y almacenan las variables que estamos utilizando. Para borrar las variables del espacio de trabajo escribe en la línea de comandos “clear”. Para borrar el texto que aparece en la ventana de la línea de comandos escribe “clc”.

Destacar que en MatLab se trabaja con archivos de texto, llamados scripts, del tipo nombre.m, aunque se pueden modificar con cualquier editor de textos cualquiera. Para crear uno de ellos escribe en la línea de comandos “edit prueba.m”. Se abrirá una ventana auxiliar donde podremos colocar nuestro código. Realicemos un script para representar la función x^2. Copia y pega lo siguiente:

x = [0:0.1:10];
y = x.^2;
plot(x,y);

¿Qué es cada línea? Con la primera creamos un vector con el valor inicial hasta el valor final 10 en incrementos de 0.1; es decir, tendremos un vector que irá desde 0, 0.1, 0.2 …, 1, 1.1, 1.2, etc. El punto y coma, “;”, del final sirve para que no aparezca el valor de ‘x’ cuando se ejecute dicha línea. La segunda línea nos crea el vector ‘y’ con los valores de ‘x’ al cuadrado. Es importante poner el punto, “.”, antes de un operador si vamos a trabajar con valores escalares (que no sean matrices). Si no lo ponemos, Matlab lo interpreta como una matriz y calcularía el producto matricial de “x por x”; plot(x,y) representa los valores en pares (x,y) y los une entre ellos.

¡Dale al play! Haz click sobre el icono verde de play para ejecutar el script. Te saldrá la representación de la función que queríamos. Prueba a quitar el punto y coma del final de la línea de ‘x’ o de ‘y’ y observa que ocurre. Ahora, prueba a poner “stem(x,y)” en lugar de la última línea. Sigue dibujando los valores de la función pero esta vez de forma discreta; no los une.

  • Trabajar con matrices

Crear una matriz se basa en escribir valores dentro de corchetes, ‘[]’. Por ejemplo, A = [1 2 3; 4 5 6]. Nos dará una matriz de dos filas con tres columnas. El punto y coma, ‘;’, se utiliza como separador de filas, mientras que los espacios sirven para separar elementos dentro de una misma fila. El contenido de la matriz puede ser incluso un número imaginario o una función que devuelva algún valor. Esto se explicará más adelante.
Como otro dato a tener en cuenta es el operador de trasposición. Al igual que ocurre en matemáticas, nosotros también podremos transponer matrices. Para hacerlo hay que escribir una comilla, ‘, detrás de la matriz. Es decir; “B = A’;” dará como resultado B igual a la matriz A traspuesta.

  • Sentencias de control y funciones

Os presentamos palabras clave para escribir cualquier tipo de código y que son (muy) similares entre todos los lenguajes de programación.

IF: Sirve como condicionante. Por ejemplo, si queremos que se ejecute un trozo de código si se cumple una condición u otro trozo si se cumple la contraria. Analizamos el siguiente ejemplo:

if (i == 2)
   display('i = 2');
else
   display('i vale distinto de 2');
end

Aclarar que la función “display” escribe en la ventana de la línea de comandos lo que está entre las comillas.

Lo que se encuentra entre paréntesis (i == 2) significa, literalmente, que “si i es igual a 2”, entonces haz lo que encuentra debajo; es decir, display(‘i = 2’). En caso contrario, ‘else’, haz lo que esté debajo de ‘else’. Para cerrar la sentencia SIEMPRE hay que poner ‘end’. En caso contrario dará error.

FOR: Útil a la hora de formar bucles, por ejemplo, para incrementar variables. La sintaxis es la que sigue,

for (i = 1:10)
    haz_lo_que_sea;
end

Con ello hemos hecho un bucle. Al entrar en él, la variable ‘i’ tomará el valor 1 y se ejecuta haz_lo_que_sea. Vuelve al paso anterior e incrementa ‘i’ en una unidad y vuelve a ejecutar haz_lo_que_sea. Así hasta llegar al valor de i = 10, que hará lo mismo y saldrá. Importante, al igual que antes, poner ‘end’ al final.

WHILE: Al igual que la anterior, se trata de un bucle, aunque cambia sutilmente.

while (i < 10)
    haz_lo_que_sea;
    i = i + 1;
end

En este caso, la sentencia se repetirá “mientras (i sea menor de 10)”. Es decir; que si la variable ‘i’ nunca supera ese valor, el bucle se mantendrá indefinidamente. Por ello es aconsejable incluir una línea que incremente la variable que se usa como condicionante, tal y como véis en el ejemplo.

Por supuesto, en los paréntesis condicionantes anteriores sólo hemos puesto condiciones respectivas a números, pero también podríamos poner que la longitud de una cadena de caracteres sea mayor que un número o que el seno de un ángulo sea menor que uno, por poner distintos ejemplos.

Hasta ahora sólo hemos destacado sentencias que serán utilizadas en, probablemente, todos tus scripts. Te presentamos seguidamente qué es una función y algunos ejemplos ya escritos dentro del entorno de desarrollo.

Definimos una función como un código escrito a la cual se le pasan unos parámetros de entrada con los que interacciona para devolver un resultado. En MatLab, el nombre de la función debe corresponder con el nombre de archivo. Creamos una función para ejemplarizar. Al igual que antes, escribe en línea de comandos “edit valor_cuadratico.m”, que será una función que devolverá el número elevado al cuadrado. Dentro de él:

function [y] = valor_cuadratico(x)
y = x.^2;

La primera línea define que estamos dentro de una función. Los parámetros de salida (resultados) se ponen entre corchetes; si tuviéramos dos valores de salida podríamos poner “[y z]”. Posteriormente el nombre de la función -que recalcamos que tiene que tener el mismo nombre que el del archivo- y, finalmente, los parámetros de entrada. En caso de tener varios los separaríamos mediante comas, ‘,’. Para ver su utilidad id a la línea de comandos y escribir “valor_cuadrático(3)”. Como es lógico, devolverá 9. Así de sencillo 😉

Para terminar detallamos los ejemplos dentro de MatLab. Si habéis estado atentos, en el primer ejemplo escribimos “plot(x,y)”. Efectivamente, se trata de una función. En ese caso, los parámetros de entrada eran dos vectores en lugar de números (o escalares) y no tiene valores de salida. Análogamente vimos “stem”, pero para valores discretos.

– length(x): devuelve la longitud de un vector ‘x’. Dicho vector puede ser numérico o bien de caracteres.

– size(A): siendo A una matriz devuelve dos elementos dentro de un vector, fila y columna.

– sum(A): suma los elementos en una misma fila de una matriz A. Es posible hacer “sum(sum(A))” para conseguir la suma total de todos los elementos de la matriz.

Por último y no menos importante, de hecho, será vuestra mejor ayuda, es la funcion ‘help’. En la línea de comandos escribe ‘help’ + función, vendrá una extensa ayuda explicando qué hace dicha función y que parámetros modificadores utiliza.

¡Son bienvenidos comentarios y dudas que te hayan podido surgir!

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Por qué suenan los instrumentos eléctricos

Pastillas electromagnéticas

Un instrumento eléctrico (guitarra, bajo, violín…) carece de caja de resonancia y, por tanto no proyecta el sonido. Si pruebas a tocarlo sin enchufar a un amplificador, comprobarás que suena muy bajito. Es por esto que necesita de un medio para recoger el sonido de las cuerdas e introducirlo en un amplificador, para poder escucharlo a través de un altavoz. Este medio es una pastilla electromagnética.

En principio podríamos decir que una pastilla es como un micrófono, ya que se coloca cerca de las cuerdas, recoge el sonido que emiten, y lo manda por un cable en forma de señal eléctrica. Pero su funcionamiento es totalmente diferente.

Las pastillas electromagnéticas son básicamente imanes con un cable enrollado alrededor, que captan la vibración de las cuerdas y la transforman en una señal eléctrica que se introduce en el cable y se envía al amplificador.

Aquí está la diferencia: mientras que el micrófono capta el sonido que sale de la cuerda, la pastilla capta la vibración de la cuerda al ser punteada.

Explicación física y friki del funcionamiento de una pastilla:

El imán genera un campo magnético cuyas líneas de campo son ascendentes (hacia la cuerda). La cuerda está construida con un material ferromagnético, y cuando vibra corta las líneas de campo, creando variaciones en el campo magnético del imán.

Por la ley de Faraday de inducción electromagnética, sabemos que estas variaciones de campo magnético inducirán una corriente alterna en el cable, cuya frecuencia será la frecuencia de vibración de la cuerda.

Esta señal es muy débil, por lo que todo el cableado y componentes electrónicos del instrumento deberá estar muy bien aislado y apantallado, para evitar que se introduzcan ruidos molestos en nuestra señal.

Dado que los imanes que recogen el sonido de cada cuerda se encuentran muy próximos entre sí, se produce un efecto capacitivo (funciona como un condensador en paralelo). Esto hará que la respuesta en frecuencia tenga resonancias a ciertas frecuencias.

Una vez tenemos el sonido en forma de señal eléctrica, lo mandamos a un amplificador para posteriormente escucharlo a través de un altavoz.

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Auriculares

En esta entrada vamos a describir en líneas generales los diferentes tipos de auriculares y las diferencias entre ellos, para saber por qué unos ofrecen más calidad de audio que otros, y así poder elegir bien cuando decidamos comprarnos unos auriculares nuevos.

Comenzamos dando una breve descripción de lo que es un auricular. Un auricular es un aparato que transforma una señal  eléctrica en una onda sonora audible a través de un pequeño altavoz. Éste será el que nos dé una mejor o peor calidad de sonido, dependiendo del tipo de altavoz que sea. Los altavoces que mejor calidad ofrecen son los que tienen el imán de neodimio, y los más comunes son los que tienen el imán de ferrita.

La diferencia que existe entre un imán de neodimio y uno de ferrita es que con los primeros se puede conseguir más potencia de la que ofrecen los segundos, con un tamaño mucho menor. Además ofrecen una mejor respuesta de graves y aumentan la calidad del sonido en general, amplificando de una mejor forma todas las componentes frecuenciales audibles. Esta es la razón por la que los imanes de neodimio dan más calidad de sonido que los de ferrita.

Ahora pasamos a ver qué tipos de auriculares tenemos en función de la forma y el tamaño:

1-      Los auriculares de oído. Son los más típicos, y los que se llevan usando desde hace más tiempo. En sus primeras versiones resultaban incómodos debido a que tienen que estar introducidos en la parte externa del oído, pero con el paso del tiempo se han ido perfeccionando en comodidad para el usuario. Además han ido evolucionando desde el punto de vista de aislar al usuario del ruido externo.

2-      Los auriculares cerrados. Estos auriculares tienen como punto a favor que aíslan casi de forma completa a la persona que está escuchando música del ruido procedente del exterior, así como no deja que la música se transmita al exterior. Por contra, tienen dificultades para reproducir bajas frecuencias, y los auriculares de este tipo de peor calidad tienen también problemas para reproducir música con calidad, debido a la resonancia que producen este tipo de auriculares.

3-    Los auriculares abiertos. Este tipo de auriculares da un sonido más preciso y consistente. Esto lo consigue dejando escapar el sonido por la parte trasera de los auriculares, consiguiendo de esta forma un sonido más natural. Además son más cómodos porque ejercen menos presión sobre la oreja.

4-      Los auriculares de voz. El último tipo de auriculares que exponemos aquí son aquellos que están pensados para reproducir señales de voz, no señales musicales. Estos están fabricados para tener una reproducción clara y nítida en el rango frecuencial de la voz humana.

Existen las variantes de todos los anteriores tanto en transmisión de las señales de salida del reproductor vía cable como vía wireless.

Por tanto, a la hora de elegir unos auriculares, deberemos saber primero para qué los queremos, cuánto dinero queremos gastarnos, y tener en cuenta el aislamiento que necesitamos con el exterior para no dañar nuestros oídos, ya que si estamos en un entorno ruidoso, tenderemos a subir el volumen del reproductor si nuestros auriculares no nos aíslan bien del ruido externo, pudiendo llegar a dañar los oídos. Aunque para solucionar este último problema, algunas de las mejores firmas están desarrollando y mejorando software que evite el dañar los oídos.

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