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El oído es sin lugar a dudas, uno de los “componentes” de cualquier sistema de sonido, por tanto conocer el funcionamiento de este órgano es tan importante como saber algo sobre altoparlantes, casettes o amplificadores de sonido. Además, el funcionamiento de ese órgano es fundamental, al igual que la vista, para que el ser humano se pueda comunicar con sus semejantes.

Técnicamente el altoparlante es el eslabón más débil de un sistema de sonido, que comienza con las personas que generan los sonidos o los armonizan y que termina en quienes escuchan. También forman parte de esa cadena los estudios de grabación, estaciones de radio, equipo electrónico etc. Electrónicamente hablando, debido a los avances tecnológicos hay micrófonos que tienen una respuesta casi ideal, con muy poca distorsión; los amplificadores de audio también son “casi” perfectos. De hecho es prácticamente imposible notar cualquier mejora en ellos, de forma meramente auditiva. Pero, son los altoparlantes y el ambiente que los rodean los que introducen las mayores deficiencias. Sin embargo, la cadena se extiende un poco más allá, al oído y al cerebro del que escucha y es desde el punto de vista de la ingeniería, en el enlace oído-cerebro, donde se encuentra el eslabón más débil de la cadena.

La respuesta del cerebro no es plana y varía con el nivel de presión del sonido. Hasta un tono varía con la intensidad del sonido, en una especie de “modulación de frecuencia humana”. La distorsión en el oído es atroz, por decir lo menos. Cuando el oído es excitado con sólo 2 frecuencias, se producen más de 60 combinaciones (batidos) y subproductos de intermodulación. La respuesta del oído a las frecuencias, es todo, menos lineal, es decir no todos los sonidos (graves y agudos) se escuchan con igual intensidad. Además, hay que multiplicar la potencia del sonido 10 veces, para que el oído pueda percibir apenas una sensación del doble de intensidad. Para hacer las cosas peores, el control de calidad en la “fabricación de los oídos” es verdaderamente desastroso. Además de eso, el oído se desgasta con la edad, en un grado que depende del sexo, siendo además muy sensible a simples enfermedades. Por otra parte, el oído humano no es tan perfecto como lo es, el de algunos animales. De manera que, pareciera ser que este órgano es desde el punto de vista de la ingeniería uno de los más débiles eslabones de la cadena. Pero veamos cuán cierto es eso.

En términos de ingeniería, el oído es un transductor barométrico autocompensado con analizador de espectro incorporado, conectado a un computador con memoria de gran capacidad. Simplemente, el sonido es una rápida variación en la presión barométrica (aire) que es recolectado por el oído externo (la oreja) y conducido hacia el diafragma, una membrana muy delicada de aproximadamente 6 mm de diámetro. Las variaciones de presión hacen vibrar el diafragma de la misma manera que vibra el diafragma de un micrófono. Está presión es muy pequeña y por tanto el movimiento es insignificante (10 a 40 millonésimas de pulgada). Para evitar que se rompa, debido a movimientos mucho más grandes, como el producido por los cambios de presión barométrica causados por el clima y la altura, el oído tiene un sistema de auto compensación. La parte interior del oído (detrás del diafragma) está ventilado al mundo exterior por un pequeño conducto de unos 4 cm de largo llamado Trompa de Eustaquio, que se extiende desde la parte media (oído medio) hasta la faringe. Cuando uno se resfría, el conducto se tapa y la presión exterior y la interior no se igualan. Es entonces cuando uno siente que se le “tapa” el oído; lo que es particularmente molesto cuando se viaja en avión. Por la misma razón, los micrófonos requieren y tienen una pequeña abertura para la fuga de aire en la parte posterior.

El movimiento del diafragma o Tímpano, está acoplado por una cadena de pequeños huesos llamados, debido a su apariencia, Martillo, Yunque y Estribo. Estos huesos forman un transformador mecánico igualador de impedancias para conectar el Tímpano con la Cóclea, que se encuentra en el oído interno y que está suspendida en un líquido.

Lo que ocurre cuando uno se resfría, es que la Trompa de Eustaquio se bloquea con mucus que llega hasta el oído medio, causando el “frenado” de los huesitos. Entonces uno pierde audición y siente el oído “inundado.” En condiciones normales, las vibraciones captadas por la oreja llegan al diafragma y son transmitidas a través de la cadena de huesitos hasta la “ventana oval” la cual, a su vez, transmite las vibraciones a través del líquido contenido en el oído interno. El movimiento del líquido excita las fibras microscópicas (unas 24 mil) que tapizan la membrana basilar de la Cóclea y que están conectadas al Nervio Basilar, el cual transmite al cerebro los impulsos nerviosos. Generalmente se piensa que las fibras microscópicas responden selectivamente a diferentes frecuencias y que así informan al cerebro del tono musical. De cualquier manera, el cerebro compara los impulsos nerviosos con los que existen en la memoria y categoriza los sonidos. Una muy compleja pieza de ingeniería en verdad.

Rango dinámico

Hay límites entre el sonido más débil y el sonido más fuerte que podemos escuchar y es lo que llamamos Rango Dinámico. Para una persona normal, ese rango es notablemente amplio; más de 120 dB o sea una relación de potencia de 1 a 1 billón. Dicho de otra forma, el sonido más débil, que el oído humano puede percibir, es 1 billón de veces más débil que el sonido más fuerte que podemos soportar. Esto, comparado con los 60 dB de rango dinámico de un buen equipo de sonido (1 a 1 millón) es de veras notable. A 1 Khz (1000 vibraciones por segundo) , el umbral de audición corresponde a una presión sonora de 0.0002 dinas/cm2, que es el llamado nivel de 0 dB. En el otro extremo, está el conocido como umbral del dolor que corresponde a 120 dB, es decir una presión de 200 dinas/cm2. Pero, varias cosas pueden causar la elevación del umbral de audición (pérdida de audición): bloqueo de la Trompa de Eustaquio, daño causado por enfermedades, o exposición constante a niveles elevados de sonido. Aún la percepción de sonidos muy fuertes por lapsos cortos, causa una modificación temporal del umbral de audición. La exposición permanente, por otro lado, causa daño irreversible. Es bien sabido que los músicos de rock sufren de pérdida de la audición, la mayor de las veces en forma permanente.

Para lograr ese fantástico rango dinámico, el oído utiliza una técnica que se utiliza normalmente en audio: compresión del sonido. Como ya se ha explicado, nosotros no reaccionamos al sonido en forma lineal. Esto es, doblando la intensidad del sonido no resulta en una percepción, por el cerebro, del doble de intensidad. Si bien es cierto que la intensidad es dependiente de la frecuencia, es necesario aumentar la potencia en 10 dB para que el cerebro perciba un incremento del doble de la potencia. Así, el incremento de 120 dB que podemos escuchar corresponde a sólo un rango de 12 a 1. De esa forma ha trabajado siempre el cerebro así que no hay que preocuparse, pues él está ya acostumbrado a esa compresión y por tanto no “percibe” ninguna distorsión, psicoacusticamente hablando.

Aunque el oído comprime los 120 dB de rango de potencia en una escala de intensidad de algo así como una relación de 12 a 1, es capaz de percibir una gama muy grande de diferentes intensidades de sonido. El cambio mínimo que podemos percibir depende tanto de la frecuencia como de la intensidad, pero depende también en cuan cercano (en el tiempo) se presentan los dos niveles. Nuestro “computador cerebral” tiene buena memoria pero no lo es tanto para los valores absolutos. En condiciones de laboratorio, es posible detectar un cambio de 0.25 a 1 dB lo que es bastante para un rango total de 120 dB.

¿Distorsión?

Se han efectuado mediciones en la Cóclea de un gato para determinar los productos de intermodulación generados por la aplicación de una señal sinusoidal (un sonido puro) de 700 y 1200 Hz. Se generaron hasta 66 productos con amplitudes de 0.1% hasta 18%. Una intermodulación de 18% está lejos de ser alta fidelidad, pero la pregunta es: ¿Podría el gato reconocer los sonidos si se eliminaran los 66 productos de intermodulación? Como el gato siempre escucho como lo hace, su cerebro no tendría esos sonidos en “memoria” y por tanto no los reconocería. ¿Es eso “distorsión”, o seria verdadera distorsión la eliminación de los 66 productos de intermodulación?

El oído sufre otro tipo de distorsión también, una especie de cambio en el tono, al variar la amplitud del sonido. Se ha determinado experimentalmente que al variar la intensidad de un sonido de 100 Hz desde 40 dB hasta 100 dB, el tono aparente varia en aproximadamente 10%. El efecto es menos severo a 500 Hz, resultando en una variación de sólo un 2%.

Edad, sexo y audición.

Desafortunadamente, la audición degenera con la edad, más para los hombres que para las mujeres. Esto fue demostrado en pruebas efectuadas poco antes de la Segunda Guerra Mundial, durante la Feria Mundial de 1939. Se comprobó que hasta los 40 años, la pérdida es insignificante y confinada en las frecuencias altas. Hacia los 60, la mayoría de los hombres tienen una pérdida notable de audición especialmente en el rango de las altas frecuencias. Es desafortunado, pero no tan malo, si lo comparamos con un equipo de sonido que trabaje 24 horas al día durante 60 años en iguales condiciones, sin sufrir algún deterioro.

Curvas de Fletcher-Munson.

Se sabe, desde hace muchos años, que la respuesta del oído humano no es plana. Los señores Fletcher y Munson de los Laboratorios Bell, establecieron que para producir la misma sensación que la obtenida con notas medias, es necesaria más energía para las muy bajas y para las muy altas frecuencias. En verdad, nosotros somos más sensibles a las frecuencias que están alrededor de 2000 Hz. Otros investigadores notaron los mismos efectos, pero no hay que preocuparse pues “oímos como oímos.” Eso es lo que nuestro cerebro espera, no otra cosa.

No obstante, hay otro fenómeno que fue descubierto por Fletcher y Munson y que sí le interesa al audiófilo. No sólo, no es plana la respuesta del oído, sino que el grado de aplanamiento depende de su intensidad. Conforme la intensidad del sonido diminuye, éste necesita un refuerzo en las muy bajas y muy altas frecuencias para percibir igual intensidad que las frecuencias medias. De manera que, aunque no importa que nuestra audición no sea plana en una sala de conciertos, sí importa cuando escuchamos en casa a diferente nivel relativo de sonido.

Por eso, es que muchos equipos de sonido tienen un control llamado “Loudness” o “Contour”. En un sistema bien diseñado, al ajustar el volumen a niveles bajos, las bajas frecuencias y en alguna medida las altas también, son reforzadas para compensar ese desbalance psicoacústico. En un buen diseño debe haber un control de volumen y otro de “loudness” pues éste sólo se debe usar los niveles bajos de volumen, pero muchos equipos modernos tienen la compensación interna y por tanto no hay que preocuparse por ello.