watios y decibelios

#1 por xavicaster el 03/02/2012
Ante todo, quede constancia que el artículo no es mio, he estado mirando las normas del foro y creo que no infrinjo ninguna, pero si es así, pido disculpas.
Rebuscando sobre watios y decibelios he encontrado en esta página "http://hermeticoguitar.blogspot.com/2011/03/watios-y-decibelios-confusiones-tipicas.html"una explicación bastante sencilla de la típica confusión sobre watios y decibelios.
Watios y Decibelios: confusiones típicas
¿Por qué un amplificador con menos Watios suena aparentemente más fuerte que un amplificador con más Watios?

Esta es una pregunta que cualquiera se hace o se hará cuando compare dos amplificadores de distinta potencia y descubra que el "pequeñín" suena más fuerte que el "grandote".
Otra de las típicas confusiones es que un amplificador con el doble de potencia sonará el doble de fuerte (100W = 2 x 50W, por ejemplo).

Hay que explicar una serie de conceptos para aclarar estas dudas: Potencia, Decibelios y SPL.
Pues... vamos a ello.


Potencia eléctrica del amplificador (Watios)

Definición de Potencia eléctrica

La potencia mide la cantidad de trabajo realizada por cualquier agente en un determinado tiempo.
Imaginemos que somos un grupo de amigos intentando levantar una piedra de 1 Kg a un metro de altura (un mostrador). Más o menos, todos podremos levantarla con la misma facilidad, en el mismo tiempo.
Si lo intentamos ahora con una piedra de 30 Kg, a algunos les va a costar menos y, a otros les va a costar más tiempo llevarla la metro de altura.
Si lo intentamos con una piedra de 80 Kg, puede que la mayoría no puedan levantarla hasta el mostrador y, de los que puedan, unos lo harán más rápido que otros.
Para cada piedra que todos hayamos conseguido subir ese metro de altura, TODOS habremos realizado el mismo trabajo (habremos tenido que aplicar la misma fuerza para desplazar la piedra un metro), habremos gastado la misma energía (energía = trabajo), sin embargo, cada uno lo habrá conseguido en un tiempo distinto. Los más rápidos son los más potentes, los más lentos los menos potentes.

En electricidad, la potencia es el producto de la Diferencia de potencial (voltaje) por la intensidad de la corriente en el circuito y, es la cantidad de energía que puede producir por unidad de tiempo. Parte de esa energía se disipará en calor y, otra parte servirá para el trabajo para el que haya sido diseñado el circuito.
En el caso de los amplificadores guitarra, la energía útil remanente es empleada para mover la(s) bobina(s) del altavoz (o altavoces).

La unidad de potencia es el Watio (W).
El amplificador, conectado a la red eléctrica consume energía eléctrica a determinado ratio por hora, igual que una bombilla tiene un consumo de X Watios, un amplificador tiene un consumo determinado de potencia.
Esta energía de entrada se transforma en calor, disipado por los componentes electrónicos del circuito (y, especialmente en las válvulas y resistencias), quedando cierto porcentaje para que el amplificador realice su cometido: amplificar la débil señal de nuestra guitarra, convirtiendolo en una señal eléctrica con la suficiente energía para mover un altavoz con suficiencia.

Al porcentaje de la energía de entrada que es capaz el amplificador de entregar en su salida, se le llama rendimiento o eficiencia. Dados dos amplificadores que producen 50W de salida, si uno consume 100W, mientras el otro consume 75W, el que consume 75W es más eficiente que el que consume 100W.
El amplificador que consume 100W ha logrado aprovechar tan solo el 50% de la energía consumida, mientras que el que consume 75W ha logrado aprovechar un 66,66% de la energía consumida, lo que beneficia nuestra factura eléctrica.


Potencia de un amplificador de válvulas

La potencia de un amplificador de válvulas depende, básicamente, de la eficiencia de sus válvulas y, dicha eficiencia depende tanto de los propios límites de cada válvula, como del diseño del amplificador, en sí.
Los diseños llamados single-end (una única válvula de potencia al final, por ejemplo), suelen ser menos eficientes que los diseños llamados en pull-push. Los diseños pull-push suelen aprovechar mejor la energía consumida en la entrada, entregando más energía en la salida que los diseños single-end (aunque los single-end suelen tener un sonido más musical... pero... eso es otra película).

Cada tipo de valvula puede ofrecer un rango de potencias determinado, hasta cierto máximo, dependiendo del diseño del amplificador.
Por ejemplo, una EL84 podría estar entregando unos 12 Watios en single-end, clase A pura, unos 15W en diseños cathode-biased y, hasta unos 20W en diseños clase AB con fixed-bias.


Potencia máxima y potencia RMS

Por tanto, el tipo de válvulas empleado y el diseño del amplificador (clase, tipo de bias, voltaje, corriente) alrededor de dichas válvulas va a marcar la potencia máxima del amplificador.
Pero, esa potencia máxima va a depender también de la impedancia de los altavoces.

En general, un amplificador se diseña para soportar una impedancia mínima y varias impedancias mayores.
Contra más pequeño es el valor de la impedancia mínima, más fuerte trabaja el amplificador.
Valores típicos de impedancia mínima suelen ser 4 u 8 Ohmnios en amplificadores de guitarra de válvuas e, incluso menores (2 Ohmnios, por ejemplo) en amplificadores de transistores para bajo.
Por tanto, los valores de potencia que suele indicar el fabricante se suelen referir a la potencia con la impedancia mínima soportada por el amplificador.

Si el amplificador tiene una potencia máxima de 100W a 4 Ohmnios y, lo enchufamos a un recinto de altavoces de 8 Ohmnios, habremos bajado la potencia más o menos a la mitad. Al aumentar la resistencia de la carga (impedancia), reducimos el voltaje y, como Potencia = voltaje * intensidad, disminuye la potencia entregada.
Con 16 Ohmnios, habríamos reducido la potencia más o menos a una cuarta parte...

Vale, ya vemos que si el recinto de altavoces no tiene la impedancia mínima del amplificador, no estaremos obteniendo su máxima potencia (aunque esto puede servir también para hacerlo funcionar a volúmenes más soportables, aunque perdiendo ciertos matices en el sonido).
Por tanto, es interesante ver las especificaciones técnicas del amplificador y, sobre todo en el caso de los combos, comprobar qué impedancia tiene el altavoz montado en fábrica. No es extraño que el combo tenga una impedancia mínima de 8 Ohmnios pero acabe montando altavoces de 16 Ohmnios (reduciendo su potencia). Esto es muy típico en los amplificadores de PA, donde la confusión con la potencia está al orden del día.

El tema no acaba aquí. Mientras que en corriente continua es muy fácil medir cualquiera de las variables eléctricas (votaje, resistencia, intensidad...), en corriente alterna la cosa se complica. La corriente alterna cambia de fase y de signo (positiva o negativa) cíclicamente. Para aproximar los valores de las variables eléctricas a los valores medidos en corriente continua, se desarrolló una compleja fórmula matemática llamada Root Mean Square (RMS), que indica valores medios.

El amplificador no entrega su potencia de forma lineal y constante, sino que lo hace de forma discontínua. El valor medio entre picos y valles de potencia es la denominada Potencia RMS y, es el valor que realmente importa, porque indica el nivel medio de potencia que puede entregar el amplificador de forma constante.
Los picos suelen estar en un 200% del valor RMS. Si el amplificador tiene una potencia de 100W RMS, los picos suelen estar en los 200W de potencia máxima.
Por tanto, otro dato importante en las especificaciones es saber si la potencia que indica el fabricante es una potencia de pico máximo o RMS (la norma en amplificadores de válvulas es RMS).

Si el amplificador entrega 50W RMS, necesitaremos un altavoz que soporte 50W RMS (o más, para mayor seguridad) y picos de 100W (o más para mayor seguridad), a la impedancia mínima especificada para el amplificador.

Vale, ahora queda claro que no es lo mismo un amplificador de 50W (máximo) o 50W RMS. El de 50W máximos entregará cerca de 25W RMS y, si encima le colocamos un altavoz con una impedencia superior a la mínima, aún entregará menos... ¿vamos captando?.


Los Altavoces

En este punto queda claro que la energía generada por el amplificador se transforma en energía para mover la bobina de los altavoces y, así generar el movimiento en la membrana que mueve el aire, por presión, convirtiéndo dicha energía en sonido pero... ¿qué papel juegan los altavoces en esta confusión entre potencia y sonoridad?.

Por un lado, ya hemos hablado de que la impedancia de los altavoces incrementa la resistencia en la etapa de potencia del amplficador, disminuyendo la potencia generada (y, por tanto, la energía disponible que debe transformarse en sonido). Pero, los watios de potencia de un amplificador o de un altavoz no nos dicen nada sobre su eficiencia al transformar dicha energía en sonido.


Decibelios (dB)

El decibelio es una décima parte de un Belio. Un belio establece una relación logarítmica entre la diferencia de potencia de un determinado valor respecto a un valor de referencia. Al umbral de audición humano (el nivel sonoro en el que se empieza a escuchar algún sonido) se le da un valor de 0 dB y, sirve como el valor de referencia (igual que indicamos la altura de una montaña respecto al nivel del mar, al que llamamos cero).
Como es logarítmico, cada aumento de 1 Belio supone un aumento 10 veces mayor respecto a la potencia anterior; así, 1 dB es 10 veces más potente que 0 dB y, 2 dB 10 veces más potente que 1 dB y 100 veces más potente que 0 dB.
Como el Belio es una unidad muy grande, se utiliza el decibelio para medir la sonoridad, respecto al umbral de audición humana. El umbral de dolor (cuando el sonido genera dolor en los oídos) se situa en unos 140 dB.

Para hacernos una idea, la respiración tranquila suena a 10 dB, una conversación a unos 40 dB, el tráfico a unos 90 dB, 130 dB corresponden al despegue de un avión a reacción, 140 es el umbral del dolor y, el valor más grande registrado son 180 dB, producidos por la explosión del volcán Krakatoa.


Nivel de Presión Sonora (SPL)

Del inglés Sound Pressure Level (Nivel de Presión Sonora).
El nivel de presión sonora mide la intensidad del sonido instantánea que llega a cierto punto, entre el umbral de audición y el umbral del dolor.

Aunque los cambios de presión del aire se miden en pascales, al existir un rango de valores muy alto entre el umbral de audición (20 micro-Pascales) y el del dolor (200 Pascales), se utiliza la escala del decibelio (logarítmica), tomando como valor de referencia los 20 micro-pascales.

Hablando en plata, cuántas veces más fuerte es la patada que da el sonido en un punto determinado.

Generalmente, los altavoces indican el nivel de SPL máximos que pueden generar y, ese nivel de presión sonora se refiere al que recibiríamos a una distancia de 1 m desde el altavoz, por watio.

Puesto que el sonido se produce al comprimir las moléculas del aire, que viajan en forma de onda, presionando nuestro tímpano (de forma inversa a como trabaja un altavoz), los cambios en sonoridad (lo fuerte que suena algo) se miden en decibelios SPL y, no en Watios, algo que confunde mucha gente.

Existe cierta relación entre los Watios y la diferencia de decibelios SPL producidos pero, para nada es una relación 1 a 1. Si doblamos los watios (pasamos de 50W a 100W) estamos aumentando la presión sonora en unos 3 dB, no en el doble; si 50W producían 102 dB, 100W habrán producido 105 dB, no 204 dB (¡¡¡recordemos que el valor máximo medido es de 180 dB!!!).


Eficiencia del altavoz

Igual que hemos visto que no todos los amplificadors son igual de eficientes transformando la energía que toman de la corriente eléctrica en energía para mover el altavoz, no todos los altavoces trabajan con la misma eficiencia para convertir la energía que le llega del amplificador en ondas de presión sonora (sonido).

En principio, altavoces que soportan mayor potencia deberían ser capaces de mover más aire que altavoces de menor potencia y, ésto, a grandes rasgos es así pero, dentro de potencias similares, no todos ofrecen la misma sonoridad.
Por ejemplo los Celestion G12 "Blue Bulldog", que montaban los Vox AC30 eran capaces de generar 100 dB SPL, que significa que 1 W de potencia, medida a 1 metro del altavoz genera 100 dB SPL. Los Jensen de la época (Fender, básicamente) generaban entre 90 y 96 dB. Los famosos Celestion Greenback generan 97 dB, por ejemplo.
Como los decibelios siguen una escala logarítimica, 1 dB más supone un cambio claramente audible en el aumento de la diferencia de la presión sonora y 3 dB representan un claro salto en "volumen" (sonoridad).


Diseño del recinto de altavoces

El tamaño del propio altavoz (membrana) determina también la cantidad de aire que puede mover en un solo golpe (movimiento de membrana). Dos altavoces mueven más aire que uno solo, 4 mueven más que 2 y, 8 más que 4.

Además del tamaño, número y eficiencia de los altavoces, el diseño de la caja o recinto (dimensiones, forma, componentes...) que los contiene contribuye a cómo se proyecta el sonido y, también a qué frecuencias se proyectan con mayor fuerza y claridad.


¿Burro grande, ande o no ande?

Vale, ya hemos visto que hay varios factores que van a determinar si un amplificador va a sonar más fuerte que otro y, a veces, va a sonar más fuerte el pequeño que el grande, dependiendo de la eficiencia del conjunto amplficador-altavoces. O sea, que monto los altavoces con mayor sensibilidad (eficiencia), de la mínima impedancia que soporta el amplificador y, ¡hala, a petarla!.

Pues.... NO. Esto no es una competición de a ver quién la tiene más grande. Estamos hablando de música y, la música se percibe individualmente de formas distintas.
El amplificador (incluyendo los altavoces) es nuestra principal herramienta como guitarristas (¿no era la guitarra?... pues... hasta una guitarra barata suena bien en un gran amplificador pero, lo contrario es falso) y, hay amplificadores y altavoces para todos los gustos.
Cuando se diseña un amplificador y, se empareja con ciertos altavoces, se está buscando cierto sonido en concreto y, si el sonido lo ofrece un altavoz menos eficiente pues, ese es el altavoz adecuado y, da lo mismo si el del vecino peta más, si el sonido que entrega no encaja con nuestros intereses.

Por otro lado, igual que es una chorrada conducir un Ferrari Testarrosa por la ciudad (te pegas el vacile pero... ¿aprovechas las posibilidades del coche?), es una chorrada tener un Full Stack de 200W con dos pantallas de 4 altavoces de 12 pulgadas (encima Blue Bulldog), para tocar a 70 dB. No estaremos sacando ni lo mejor de las válvulas ni lo mejor de los altavoces, ya que ambos estarán trabajando por debajo de su nivel óptimo, donde producen los sonidos más interesantes.
Por eso, en estudios de grabación (por ejemplo), se han impuesto pequeños amplificadores que, al poder subirlos en ganancia y volumen, han entregado un tono delicioso.
Ejemplos son el Fender Tweed, el Champ, el Blues Jr y, similares. El mejor disco de Clapton se grabó con un combo de 18W (llamado BluesBreaker, por el disco). En la mayoría de discos de Zeppelin, Jimi Page grabó con un combo Supro de 15-20W, etc. Y, es que no es lo mismo la sonoridad necesaria para llenar un estadio que para una habitación de ensayo o un estudio; la potencia del amplificador y de los altavoces debe estar en consonancia con los niveles sonoros a los que vamos a hacerlo funcionar.


Nota final de advertencia sobre el cable del altavoz

Veo que muchos guitarristas e, incluso algún ingeniero de sonido, consideran que para conectar el recinto de altavoces al amplificador se puede utilizar cualquier cable de instrumento.
Cualquiera que entienda de amplificadores (y, no hablo de mí, que no entiendo nada) te dirá que debe emplearse cable de altavoces, que si no, corres el riesgo de estropear el altavoz y/o el amplificador (generalmente el transformador de salida, una auténtica ruina, vaya). Aunque nadie suele explicar por qué.

Hemos visto arriba que la potencia del amplificador es el producto del voltaje por la intensidad de la corriente generados. Si el voltaje en la salida es de unos 370 Voltios y la potencia RMS del amplificador es de 50W, significa que la intensidad de la corriente es de:

P = V * I, entonces I = P / V
I = 50 W / 370 V = 0,135 Amperios = 135 mA

En los cables de instrumento, concretamente en la guitarra eléctrica, estamos hablando de voltajes del orden de los mili-voltios (1000 veces inferiores) y de intensidades mucho más bajas y, por tanto, generan una energía muchísimo inferior (unas 1000 veces inferior).

Dependiendo de la potencia, el cable conductor debe presentar diferente sección (grosor, calibre). Señales de baja potencia pueden viajar produciendo poco o despreciable calentamiento por conductores del calibre de un cabello, sin embargo, señales de gran potencia requieren conductores de mayor sección, que puedan "tragar" más electrones (la intensidad es el número de electrones que se mueve por el cable) y que puedan disipar mejor el calor generado por la resistencia que ofrece el conductor al paso de los electrones.

Fijaros en la red electrica que suministra energía eléctrica en tu casa. De la central salen cables de considerable grosor. A cada casa, en la acometida de entrada, llega un cable de un grosor bastante menor al que viaja por las torres del tendido eléctrico. Del cuadro central de tu casa, salen cables más pequeños que el de acometida, que reparten la potencia de entrada (la dividen) y, así sucesivamente.
En el cuadro de tu casa, hay un magneto-térmico que se disparará si hay un recalentamiento en tu cableado. Ese recalentamiento se produce porque en una de esas ramificaciones has colgado un montón de cosas o una tan solo cuyo consumo es mayor que el que soporta el cable. Si no existiera el magnetotérmico, se podría llegar a incendiar la instalación eléctrica, si el exceso de potencia se mantiene durante determinado tiempo.

Por eso mismo, el cable que une el altavoz al amplificador debe ser un cable con DOS conductores independientes (positivo y negativo), de una sección adecuada. Los cables de instrumento tienen un un conductor de señal (el positivo) que, o bien está rodeado por una malla de conductores finísimos o rodeado de un envoltorio metálico (como el papel de aluminio) o, donde la masa es un simple conductor delgado.
Estos cables no tienen la sección adecuada para la potencia generada por el amplificador.
Así que un recalentamiento de los cables puede crear una rotura interna o, incluso pueden llegar a quemarse y, al desaparecer la carga del altavoz, el amplificador puede dañarse seriamente (e incluso incendiarse).
Así que, por favor, compra cables de altavoz para conectar tu amplificador a tu recinto de altavoces y, no uses nunca un cable de guitarra. Nunca sabes cuándo se va a fundir un plomo... nunca sabes cuándo se fundirá el cable de guitarra...
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3
#2 por tumbalobos el 03/02/2012
Muy interesante e instructivo, mañana me toca cambiar un cable de altavoz.
Un saludo
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#3 por pedroj el 04/02/2012
Todo muy bien explicado, muy buen trabajo.

Mi banda: SHOOTER.
Nuestro Disco: RECHARGED.
Escuchalo en:
http://shooter.bandcamp.com/

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#4 por hantxordoki el 04/02/2012
Gracias tio!! me has aclarado muchas dudas! :ok:
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#5 por Peter Q el 04/02/2012
Muy interesante.
Y que pasa si te hace una pantalla (como yo), que cable habria que poner desde el jack del recinto al altavoz?
Y si hay gente que le digo que cambien el cable de instrumento por uno de carga (gente que lleva años tocando) y dicen que eso que es?
:saludo: +1

No concibo a Dios como un ser mezquino ni tonto de crear toda esa maravilla del universo solo para que los habitantes de ese miserable planeta de esa pequeñita estrella en el confín de la galaxia, puedan deleitarse en las noches contando estrellas.

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#6 por xavicaster el 04/02/2012
Repito, el artículo NO es mio, tal como pone en el encabezamiento del post, por lo que tampoco puedo resolver dudas, lo siento Peter Q :oops:
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#7 por tumbalobos el 04/02/2012
Como bien dice el articulo, la seccion del cable va en funcion de la potencia que pasara por el.Normalmente los cables de altavoz son de 2 hilos (negro y rojo)y si te fijas en los que instala un sistema profesional de sonido son vastante gruesos. No entiendo porque los sistemas de instrumentos musicales utilizan el mismo tipo de cable para el altavoz que para el instrumento, talvez sea para simplificar los conexionados, sin valorar si se calientan o no.
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mod
#8 por Rius el 04/02/2012
A mi me parece cojonudo que se difunda el conocimiento siempre que se cite al autor y se le pida permiso a él para hacerlo. Lo primero ya lo has hecho, ya sabes que es lo que falta ;)
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#9 por dktulu el 04/02/2012
Cojonudo aporte. +1.

Solo una cosilla, imagino que es un error tipográfico:

xavicaster escribió:
1 dB es 10 veces más potente que 0 dB y, 2 dB 10 veces más potente que 1 dB y 100 veces más potente que 0 dB.


Como se explica justo antes de eso, el aumento de un Belio supone un aumento de diez veces más sobre el nivel anterior, por tanto: 1 B(elio) es 10 veces más potente que 0 B y, 2 B 10 veces más potente que 1 B y 100 veces más potente que 0 B.

Saludos.
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#10 por xavicaster el 04/02/2012
Hola Rius, según cita la página del autor "hermetico guitar" todos los trabajos publicados en su web estan bajo "Creative commons license", que según creo permite la difusión de sus contenidos, si no estoy equivocado...quizás alguién pueda aclarar este tema.
Saludos! :|
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mod
#11 por Rius el 04/02/2012
#10 Ese artículo está bajo esta licencia: http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/es/

Y repito, ante la duda, consulta al autor primero que para eso el trabajo es suyo :)

Un saludo
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#12 por xavicaster el 05/02/2012
#11 , bueno, creo que con el enlace que has puesto queda acalarado el tema. De tomas formas he intentando contactar con el autor, de momento sin resultados. :)
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