compresión de rango dinámico

Un compresor reduce el nivel de una señal de audio si su amplitud supera un cierto umbral . El umbral se suele establecer en decibelios ( dBFS para compresores digitales y dBu para compresores de hardware) ^{[ 8 ]} , donde un umbral más bajo (p. ej.,  -60  dB) significa que se procesa una mayor porción de la señal. Cuando el nivel de la señal está por debajo del umbral, no se realiza ningún procesamiento y la señal de entrada se transmite a la salida sin modificar. Por lo tanto, un umbral más alto, p. ej.,  -5  dB, resulta en menos procesamiento y menos compresión.

El comportamiento de la temporización del umbral está sujeto a los ajustes de ataque y liberación (véase más abajo ). Cuando el nivel de la señal supera el umbral, el funcionamiento del compresor se retrasa según el ajuste de ataque . Durante un tiempo determinado por el ajuste de liberación, una vez que la señal de entrada ha caído por debajo del umbral, el compresor continúa aplicando compresión de rango dinámico.

La cantidad de reducción de ganancia se determina mediante una relación : una relación de 4:1 significa que si el nivel de entrada supera el umbral en 4 dB , el nivel de la señal de salida se reduce a 1 dB por encima del umbral. La ganancia y el nivel de salida se han reducido en 3 dB. Dicho de otro modo, cualquier nivel de señal de entrada que supere el umbral se emitirá, en este caso, a un nivel que representa solo el 25 % (es decir, 1/4) del nivel de entrada por encima del umbral.   

La proporción más alta de${\displaystyle \infty }$:1 se conoce a menudo como limitador y, en efecto, indica que cualquier señal por encima del umbral se reduce al nivel del umbral una vez que ha expirado el tiempo de ataque .

Un compresor puede ofrecer cierto grado de control sobre la rapidez de su acción. El ataque es el periodo en el que el compresor disminuye la ganancia en respuesta al aumento del nivel de entrada hasta alcanzar la ganancia determinada por la relación. La liberación es el periodo en el que el compresor aumenta la ganancia en respuesta a la disminución del nivel de entrada hasta alcanzar la ganancia de salida determinada por la relación o, a la unidad, una vez que el nivel de entrada ha caído por debajo del umbral. Dado que el patrón de sonoridad del material de origen se modifica por el funcionamiento variable en el tiempo del compresor, este puede cambiar el carácter de la señal de forma sutil o bastante perceptible, dependiendo de los ajustes de ataque y liberación utilizados.

La duración de cada período viene determinada por la tasa de cambio y el cambio de ganancia requerido. Para una operación más intuitiva, los controles de ataque y liberación de un compresor se indican con una unidad de tiempo (a menudo milisegundos). Este es el tiempo que tarda la ganancia en cambiar una cantidad fija de dB o un porcentaje fijo hacia la ganancia objetivo. No existe un estándar industrial para el significado exacto de estos parámetros de tiempo. ^{[ 9 ]}

En muchos compresores, el usuario puede ajustar los tiempos de ataque y liberación. Sin embargo, en algunos compresores, estos tiempos están predeterminados por el diseño del circuito y no se pueden ajustar. En ocasiones, los tiempos de ataque y liberación son automáticos o dependen del programa , lo que significa que su comportamiento puede variar según la señal de entrada.

Otro control que puede ofrecer un compresor es la selección de la rodilla. Esto controla si la curva de respuesta entre por debajo y por encima del umbral es abrupta (dura) o gradual (suave). Una rodilla suave aumenta lentamente la relación de compresión a medida que aumenta el nivel y finalmente alcanza la relación de compresión establecida por el usuario. Una rodilla suave reduce la transición potencialmente audible de sin comprimir a comprimido, y es especialmente útil para ajustes de relación más altos, donde el cambio en el umbral sería más notorio. ^{[ 10 ]}

Un compresor con detección de picos responde al nivel máximo de la señal de entrada. Si bien proporciona un control más preciso del nivel máximo, la detección de picos no se corresponde necesariamente con la percepción humana del volumen. Algunos compresores aplican una función de medición de potencia (generalmente el valor cuadrático medio o RMS) a la señal de entrada antes de comparar su nivel con el umbral. Esto produce una compresión más suave que se ajusta mejor a la percepción humana del volumen.

Un compresor en modo de enlace estéreo aplica la misma cantidad de reducción de ganancia a ambos canales, izquierdo y derecho. Esto se hace para evitar el desplazamiento de la imagen que puede ocurrir si cada canal se comprime individualmente. ^{[ 11 ]}

Dado que un compresor descendente solo reduce el nivel de la señal, normalmente se ofrece la posibilidad de añadir una cantidad fija de ganancia de compensación en la salida para obtener un nivel de salida óptimo.

La función de anticipación está diseñada para superar el problema de tener que elegir entre velocidades de ataque lentas que producen cambios de ganancia suaves y velocidades de ataque rápidas capaces de capturar transitorios. La anticipación se implementa dividiendo la señal de entrada y retrasando una de ellas (la señal de audio) durante el tiempo de anticipación. La señal sin retardar (la señal de control de ganancia) se utiliza para comprimir la señal retardada, que luego aparece en la salida. De esta manera, se puede usar una velocidad de ataque más lenta y suave para capturar transitorios. El costo de esta solución es una latencia de audio adicional a través del procesador.

La compresión se aplica con frecuencia en sistemas de audio para restaurantes, tiendas y entornos públicos similares que reproducen música de fondo a un volumen relativamente bajo y necesitan que se comprima, no solo para mantener el volumen bastante constante, sino también para que las partes silenciosas de la música sean audibles por encima del ruido ambiental.

La compresión puede aumentar la ganancia de salida promedio de un amplificador de potencia entre un 50 y un 100 %, aunque con un rango dinámico reducido. En sistemas de megafonía y evacuación, esto mejora la claridad en entornos ruidosos y reduce la cantidad de amplificadores necesarios.

La compresión se usa frecuentemente en la producción musical para lograr que los instrumentos tengan un rango dinámico más consistente, de modo que se integren mejor en la mezcla con los demás instrumentos (sin desaparecer durante breves periodos de tiempo ni opacar a los demás instrumentos durante breves periodos). ^{[ 12 ]} Las interpretaciones vocales en la música rock o pop se comprimen por la misma razón.

La compresión también se puede aplicar a los sonidos de los instrumentos para crear efectos que no se centran principalmente en estabilizar el volumen. Por ejemplo, los sonidos de batería y platillos tienden a desvanecerse rápidamente, pero un compresor puede hacer que el sonido parezca tener una cola más sostenida. Los sonidos de guitarra a menudo se comprimen para producir un sonido más completo y sostenido. Ajustar el tiempo de ataque y liberación de un compresor puede utilizarse para aumentar el contraste entre las partes transitorias y sostenidas de la envolvente de un sonido. ^{[ 13 ]}

La mayoría de los dispositivos capaces de comprimir la dinámica de audio también pueden utilizarse para reducir el volumen de una fuente de audio cuando otra fuente de audio alcanza un cierto nivel; esto se denomina side-chaining . ^{[ 14 ]} En la música electrónica de baile , el side-chaining se utiliza a menudo en las líneas de bajo , controladas por el bombo o un disparador de percusión similar, para evitar que las dos entren en conflicto y proporcionar una dinámica rítmica y pulsante al sonido.

Se puede utilizar un compresor para reducir la sibilancia (sonidos "ess") en las voces ( de-essing ) alimentando la cadena lateral del compresor con una versión ecualizada de la señal de entrada, de modo que ciertas frecuencias relacionadas con la sibilancia (normalmente de 4000 a 8000 Hz) activen más el compresor. ^{[ 15 ]}

La compresión se utiliza en las comunicaciones de voz en la radioafición que emplean modulación de banda lateral única (SSB) para que la señal de una estación sea más legible para una estación distante, o para que la señal transmitida de una estación destaque entre las demás. Esto es especialmente aplicable en DXing . La potencia de una señal SSB depende del nivel de modulación . Un compresor aumenta el nivel promedio de la señal de modulación, incrementando así la potencia de la señal transmitida. La mayoría de los transceptores SSB modernos de radioafición tienen compresores de voz incorporados. La compresión también se utiliza en la radio móvil terrestre , especialmente en el audio transmitido de walkie-talkies profesionales y consolas de despacho de control remoto . ^{[ 16 ]}

La compresión se utiliza ampliamente en la radiodifusión para aumentar el volumen percibido del sonido, reduciendo al mismo tiempo el rango dinámico del audio original. Para evitar la sobremodulación , en la mayoría de los países, las emisoras tienen límites legales en el volumen máximo instantáneo que pueden transmitir. Normalmente, estos límites se cumplen mediante la incorporación permanente de hardware de compresión en la cadena de transmisión.

Las emisoras utilizan compresores para que su estación suene más fuerte que otras similares. El efecto es que la estación con mayor compresión destaque para el oyente a un volumen determinado. ^{[ 12 ]} Esto no se limita a las diferencias entre canales; también existen diferencias entre programas dentro del mismo canal. Las diferencias de volumen son una fuente frecuente de quejas de la audiencia, especialmente en el caso de anuncios y promociones televisivas que suenan demasiado fuertes.

La Unión Europea de Radiodifusión (UER) ha estado abordando este problema en el grupo EBU PLOUD, que consta de más de 240 profesionales del audio, muchos de ellos de emisoras y fabricantes de equipos. En 2010, la UER publicó la recomendación EBU R 128 , que introduce una nueva forma de medir y normalizar el audio . La recomendación utiliza la medición de sonoridad ITU-R BS.1770 . A partir de 2016Varias cadenas de televisión europeas han anunciado su apoyo a la nueva norma ^{[ 17 ] [ 18 ]} y más de 20 fabricantes han anunciado productos compatibles con los nuevos medidores de sonoridad del modo EBU . ^{[ 19 ]}

Para ayudar a los ingenieros de audio a comprender el rango de sonoridad de su material (por ejemplo, para comprobar si se necesita compresión para adaptarlo al canal de una plataforma de distribución específica), la EBU también introdujo el descriptor de rango de sonoridad (LRA). ^{[ 20 ]}

La mayoría de los anuncios televisivos se comprimen en gran medida para lograr un volumen percibido casi máximo sin exceder los límites permitidos. Esto genera un problema que los telespectadores suelen notar: cuando una cadena pasa de un programa con compresión mínima a un anuncio con alta compresión, el volumen a veces parece aumentar drásticamente. El volumen máximo puede ser el mismo —cumpliendo con la ley—, pero la alta compresión sitúa gran parte del audio del anuncio cerca del máximo permitido, lo que hace que el anuncio parezca mucho más alto. ^{[ 21 ]}

Las compañías discográficas, los ingenieros de mezcla y los ingenieros de masterización han ido aumentando gradualmente el volumen general de los álbumes comerciales. Esto se logra mediante el uso de mayores niveles de compresión y limitación durante la mezcla y la masterización ; los algoritmos de compresión se han diseñado específicamente para maximizar el nivel de audio en la transmisión digital. Esto puede provocar una limitación excesiva o recorte , afectando el tono y el timbre de la música. Este esfuerzo por aumentar el volumen se conoce como la guerra del volumen .

Los sistemas de reducción de ruido utilizan un compresor para disminuir el rango dinámico de una señal antes de su transmisión o grabación, expandiéndolo posteriormente. Este proceso se denomina compresión-expansión (expanding ). Esto reduce los efectos de un canal o medio de grabación con un rango dinámico limitado.

Los amplificadores de instrumentos suelen incluir circuitos de compresión para evitar picos de alta potencia repentinos que podrían dañar los altavoces. Los bajistas eléctricos suelen usar efectos de compresión, ya sean unidades de efectos disponibles en pedales, unidades de montaje en rack o dispositivos integrados en los amplificadores de bajo, para uniformizar los niveles de sonido de sus líneas de bajo .

El bombeo de ganancia , donde un pico de amplitud regular (como el de un bombo) provoca que el resto de la mezcla cambie de volumen debido al compresor, generalmente se evita en la producción musical. Sin embargo, muchos músicos de dance y hip-hop utilizan este fenómeno intencionadamente, haciendo que el volumen de la mezcla varíe rítmicamente al compás del ritmo. ^{[ 22 ]}

Los audífonos utilizan un compresor para llevar el volumen del audio al rango auditivo del oyente. Para ayudar al paciente a percibir la dirección de donde proviene el sonido, algunos audífonos utilizan compresión binaural . ^{[ 23 ]}

Los compresores también se utilizan para la protección auditiva en algunos protectores auditivos electrónicos activos, como orejeras y tapones para los oídos , para que los sonidos a volúmenes normales se oigan con normalidad, atenuando los sonidos más fuertes y, posiblemente, amplificando también los más suaves. Esto permite, por ejemplo, que los tiradores que usan protección auditiva en un campo de tiro puedan conversar con normalidad, atenuando notablemente los sonidos mucho más fuertes de los disparos, ^{[ 24 ]} y, de forma similar, que los músicos puedan oír música suave pero protegidos de ruidos fuertes como la batería o los platillos.

En aplicaciones de aprendizaje automático donde un algoritmo se entrena con muestras de audio, la compresión de rango dinámico es una forma de aumentar las muestras para un conjunto de datos más grande. ^{[ 25 ]}

Los limitadores probados tuvieron la siguiente influencia en la señal:

• aumento de potencia RMS,
• aumento de sonoridad EBU R 128,
• disminución del factor de cresta,
• disminución de EBU R 128 LRA, pero solo para cantidades elevadas de limitante,
• aumento de la densidad de la muestra recortada.

En otras palabras, los limitadores aumentan tanto los niveles físicos como perceptuales, aumentan la densidad de muestras recortadas, disminuyen el factor de cresta y disminuyen la macrodinámica (LRA) dado que la cantidad de limitación es sustancial.

En lo que respecta a los compresores, los autores realizaron dos sesiones de procesamiento, utilizando un ataque rápido (0,5  ms) en un caso y un ataque lento (50  ms) en el otro. La ganancia de compensación está desactivada, pero el archivo resultante está normalizado.

Configurados con un ataque rápido, los compresores probados tuvieron la siguiente influencia en la señal:

• ligero aumento de la potencia RMS,
• ligero aumento de la sonoridad EBU R 128,
• disminución del factor de cresta,
• disminución de EBU R 128 LRA,
• ligera disminución de la densidad de la muestra recortada.

En otras palabras, los compresores de ataque rápido aumentan tanto los niveles físicos como los perceptuales, pero solo ligeramente. Disminuyen la densidad de las muestras recortadas y reducen tanto el factor de cresta como la macrodinámica.

Configurados con un ataque lento, los compresores probados tuvieron la siguiente influencia en la señal:

• disminución de la potencia RMS,
• disminución de la sonoridad EBU R 128,
• ninguna influencia en el factor de cresta,
• disminución de EBU R 128 LRA,
• ninguna influencia en la densidad de la muestra recortada.

En otras palabras, los compresores de ataque lento disminuyen tanto los niveles físicos como los perceptuales, reducen la macrodinámica, pero no influyen en el factor de cresta ni en la densidad de la muestra recortada.