Calibración y dBFS

phonometry puede devolver resultados en nivel de presión sonora físico (dB SPL) o en decibelios relativos a fondo de escala digital (dBFS).

¿Por qué calibrar? La teoría

Una grabación digital solo conoce números: una senoide a fondo de escala es ±1,0 tanto si era un susurro como un motor a reacción. Para expresar niveles de presión sonora físicos, la cadena micrófono → preamplificador → ADC debe caracterizarse con un único número, el factor de sensibilidad $S$, que convierte unidades digitales en pascales:

$$p(t) = S\ x(t) \qquad S = \frac{p_\text{ref}\cdot 10^{L_\text{cal}/20}}{\tilde{x}_\text{ref}}$$

donde $L_\text{cal}$ es el nivel del calibrador (típicamente 94 dB, es decir, 1 Pa), $p_\text{ref} = 20\ \mu\text{Pa}$ y $\tilde{x}_\text{ref}$ es el RMS del tono de calibración grabado, en unidades digitales. calculate_sensitivity() es exactamente esa ecuación. El factor vale mientras nada cambie en la cadena — si tocas la ganancia, recalibra.

Calibración física (sonómetro)

flowchart LR
    A["Tono del calibrador\n94 dB @ 1 kHz\n(IEC 60942)"] --> B["Grabación\nref_signal"]
    B --> C["calculate_sensitivity()"]
    C --> D["calibration_factor\n(unidades digitales → Pa)"]
    D --> E["octavefilter / leq / laeq / ln_levels"]
    F["Grabación de\nmedición"] --> E
    E --> G["Niveles en dB SPL\n(re 20 µPa)"]

Para obtener mediciones SPL precisas a partir de una grabación digital, primero debes calcular la sensibilidad de tu cadena de medición usando un tono de referencia (p. ej. 94 dB @ 1 kHz).

from phonometry import octavefilter, calculate_sensitivity

# 1. Graba la señal de tu calibrador de 94 dB
# ref_signal = ... (tu grabación)

# 2. Calcula el factor de sensibilidad
sensitivity = calculate_sensitivity(ref_signal, target_spl=94.0)

# 3. Aplica la calibración a tus mediciones
spl, freq = octavefilter(signal, fs, calibration_factor=sensitivity)
# ¡Ahora los valores de 'spl' son dB SPL reales!

El mismo calibration_factor funciona en toda la librería: octavefilter, OctaveFilterBank, leq, laeq y ln_levels.

Supuestos del calibrador (IEC 60942)

calculate_sensitivity asume que la grabación de referencia procede de un calibrador acústico según IEC 60942 (clases LS, 1 y 2):

• El target_spl=94.0 por defecto corresponde a la salida habitual de 94 dB @ 1 kHz (la norma exige que el nivel principal sea al menos 90 dB re 20 µPa; 94 dB y 114 dB son los valores usuales).
• La sensibilidad resultante hereda la tolerancia de clase del calibrador — p. ej. ±0,4 dB para clase 1 entre 160 Hz y 1,25 kHz (IEC 60942, Tabla 1) — más el error de estimación RMS de tu grabación.
• IEC 60942 especifica el nivel generado como promedio de 20 s: graba unos segundos de tono estable (excluyendo el ruido de manipulación del principio y el final) para que la estimación RMS converja.

Validación automática de estabilidad

Si pasas la frecuencia de muestreo (y validate=True, el valor por defecto), calculate_sensitivity(ref, fs=fs) comprueba la grabación igual que la IEC 60942:2017 comprueba el calibrador (5.3.3): la fluctuación de nivel a corto plazo — el valor absoluto de la diferencia entre cada uno de los niveles máximo y mínimo con ponderación temporal F y el nivel medio — no debe superar el límite de clase 1 de la Tabla 2 para la frecuencia nominal del calibrador (0,07 dB desde 160 Hz, relajado a 0,10 dB por debajo de 160 Hz y a 0,20 dB por debajo de 63 Hz, donde la propia ponderación F ondula). Pasa frequency= para seleccionar la fila correcta en calibradores que no sean de 1 kHz. Un CalibrationWarning delata micrófonos mal acoplados o ruido de manipulación antes de que corrompan silenciosamente todos los niveles calibrados. La grabación debe durar al menos 2 s (1 s para que el integrador F se asiente más 1 s de envolvente estable); con grabaciones más cortas se avisa en lugar de dar un veredicto poco fiable. Sin fs la comprobación se omite. Sobrescribe el límite con max_fluctuation_db o desactiva con validate=False.

La comprobación caza justo lo que arruina las calibraciones de campo — un acoplador flojo, viento, ruido de manipulación:

Parámetros de calculate_sensitivity()

Parámetro	Tipo / forma	Unidades	Rango / defecto	Notas
ref_signal	array 1D/2D	unidades digitales	no vacío, no silencio	Grabación solo del tono de calibración (recorta el ruido de manipulación)
target_spl	float	dB re 20 µPa	defecto 94.0	Nivel nominal del calibrador (calibradores de 114 dB: pasa 114.0)
ref_pressure	float	Pa	defecto 2e-5	Presión de referencia p₀; rara vez se cambia
fs	int, opcional	Hz	> 0; defecto None	Necesario para la validación de estabilidad; omítelo para saltarla
validate	bool	—	defecto True	Emite CalibrationWarning con grabaciones inestables/cortas
max_fluctuation_db	float, opcional	dB	defecto None → Tabla 2 clase 1	Sobrescritura explícita del límite de estabilidad
frequency	float	Hz	defecto 1000.0	Frecuencia nominal del calibrador; elige la fila de la Tabla 2 de IEC 60942

Devuelve el factor de sensibilidad (float) para pasarlo como calibration_factor= a octavefilter, leq, laeq, ln_levels, lc_peak, sel y las funciones de dosis.

Análisis digital (dBFS)

Si trabajas con archivos de audio digital (WAV, FLAC…) y quieres analizar niveles relativos al fondo de escala en lugar de presión física, usa el parámetro dbfs=True.

En este modo:

• 0 dBFS corresponde a un nivel numérico de señal de 1.0 (RMS o pico).
• calibration_factor no aplica (dBFS es relativo al fondo de escala digital).
• Útil para analizar headroom, mastering digital o señales normalizadas.

# Suponiendo que 'signal' está normalizada entre -1.0 y 1.0
spl_dbfs, freq = octavefilter(signal, fs, dbfs=True)
# Los resultados serán negativos (p. ej. -20 dBFS)

RMS vs niveles de pico

phonometry admite dos modos de medición, alineados con software profesional como BK:

• RMS (mode='rms'): nivel energético (estándar).
• Pico (mode='peak'): máximo absoluto alcanzado en el frame (peak-holding).

# Medir niveles de pico para análisis de impactos
spl_peak, freq = octavefilter(signal, fs, mode='peak')

Nota

mode='peak' mide el máximo absoluto de la señal de banda filtrada, que incluye el transitorio de arranque del filtro (sobreimpulso). Las señales que empiezan de forma abrupta pueden leer hasta ~1 dB de más. Es inherente a los filtros de banda IIR (un sonómetro analógico se comporta igual), no un artefacto del procesado.

Entrada de audio entero

Las señales enteras (p. ej. int16 de scipy.io.wavfile.read) se convierten internamente a float64 antes de cualquier elevación al cuadrado, así que la calibración y los niveles son idénticos tanto si pasas el array entero crudo como una conversión a float.