Propiedades acústicas y magnitudes

EL SONIDO – CAPÍTULO 5

Algunas propiedades del sonido están relacionadas con el modo especial que éste tiene de propagarse cuando se encuentra con obstáculos.

El comportamiento peculiar de las ondas sonoras en estos casos provoca determinados efectos sonoros que se acentúan en los espacios cerrados y los dotan de su “sonido” o “acústica” particular.

Debemos tener en cuenta, siempre, la acústica de las salas de grabación y de audición porque influirá de manera notable en la percepción final del sonido que escucharemos.

Al final del capítulo, se describen algunos conceptos y magnitudes de uso habitual que debemos conocer. [Al menos, que nos ‘suenen’ un poco; saber a qué se refieren].

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PROPIEDADES ACÚSTICAS DEL SONIDO

Resonancia

Algunos cuerpos, normalmente, objetos diseñados al efecto, tienen la capacidad de vibrar en un tono (frecuencia) o en un rango de tonos concretos. Si acercamos una fuente sonora que emita un tono dentro del rango en la que son capaces de vibrar, se pondrán a emitirla por simpatía, sumándose al principal.

En esta propiedad se basan las cajas de resonancia de algunos instrumentos, con lo que se consigue aumentar la intensidad del sonido que producen.

Reflexiones

La reflexión se origina cuando las ondas sonoras producidas por una fuente sonora chocan contra una superficie (una pared, por ejemplo) y parte de su energía rebota, es devuelta.

El oyente percibe las ondas reflejadas sumadas al sonido principal, pero con un ligero retraso. No van ligadas a aquel, ni son producidas directamente por él; dependen del espacio donde nos encontremos, que les confiere su particular ‘atmósfera’.

El eco y la reverberación son ejemplos típicos de reflexión del sonido.

Reflexiones sonoras

Reflexiones sonoras

– Reflexiones tempranas

Sonidos reflejados que son percibidos antes de que la fuente emisora deje de sonar y se perciben como un único sonido prolongado.

Esto se produce porque dichas reflexiones suceden en un tiempo menor que el de la persistencia acústica propia del oído. Consideramos tales, aquellos sonidos cuyo tiempo de reflexión es menor que 1/10 de segundo.

Suelen darse en recintos cerrados de pequeño tamaño y con superficies paralelas.

– Eco

Sonido reflejado cuyo tiempo de retraso permite que lo oigamos como independiente del de la fuente emisora, es decir, se percibe separado y diferenciado.

Todo el mundo entiende su concepto; de inmediato, nos viene a la cabeza el efecto sonoro que se produce cuando “gritamos” a unas montañas.

No sucede en habitaciones o salas de pequeño o mediano tamaño. El eco implica un tiempo de reflexión mayor que 1/10 segundo, lo que supone distancias superiores a 17 m.

– Reverberación

Sonido reflejado que se percibe como sumado al original y como un reforzamiento más o menos persistente en el tiempo.

Es relativamente sencillo visualizar el concepto, basta con que imaginemos ese sonido característico propio de una iglesia o de un pabellón deportivo cuando están vacíos.

No es habitual en una estancia del tamaño de una sala de control o de grabación. (Pero puede darse en condiciones muy especiales).

Reverberaciones

Reverberaciones

– Ondas estacionarias

Son reflexiones en las que, a diferencia de otras ondas reflejadas, como las tempranas o las reverberadas, tanto la onda original como la reflejada coinciden sobre el mismo eje.

Esto puede provocar efectos indeseables durante la grabación e, incluso, la casi anulación de la onda de la fuente sonora original.

Se producen en ambientes cerrados con superficies paralelas.

Ondas estacionarias

Ondas estacionarias

– Modos

A las diferentes formas que tienen de comportarse los rebotes, que dependen del tamaño de la estancia y del tipo de construcción de las paredes, se les denomina modos. ¿Quién no ha apreciado los modos que dan al cuarto de baño su característico sonido?

Los modos afectan e influyen negativamente, tanto en la grabación, como en la mezcla y en la posterior masterización del material grabado.

  • En cuanto a la grabación, porque interesa recoger única y exclusivamente lo que emite la fuente sonora, sea una voz, un instrumento o cualquier otra cosa. Las ondas rebotadas en las paredes son un problema: nos sitúan en un espacio concreto y nos producirán la sensación de que el material no fue grabado en un estudio.
  • Cuando estamos equilibrando el sonido durante la etapa de la mezcla dichos rebotes pueden provocar que se falseen frecuencias (aumentándolas, disminuyéndolas, o anulándolas, incluso); engañan al oído.
  • Al final, en la masterización, que “hereda” una ecualización muchas veces descompensada de la mezcla, los defectos puede incrementarse.

Las frecuencias graves son las más propensas a producir modos indeseados (retumbes, sensación de acumulación sonora, saturación armónica, etc.).

Nuestro objetivo es eliminar los modos de la sala o, al menos, minimizar su influencia; lo que justifica todo lo explicado en los títulos precedentes: proporción y diseño de la sala; uso de materiales absorbentes, paneles difusores, trampas de frecuencias, etc.

Difracción

Cuando una onda llega a un obstáculo y alcanza sus bordes, éstos actúan como re-emisores, en el sentido de que se generan nuevas ondas que parten de esos puntos; gracias a este fenómeno podemos oír, por ejemplo, incluso detrás del obstáculo.

Refracción

La refracción es un fenómeno que sucede cuando una onda llega una superficie de separación entre dos medios distintos y, a pesar del obstáculo que supone, parte de su energía logra atravesarla.

Esto ocasiona una desviación de su dirección de incidencia inicial debido a la diferente velocidad de propagación del sonido en cada medio (por ejemplo, entre el aire y el vidrio de una ventana).

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MAGNITUDES

Intensidad acústica o intensidad sonora

La intensidad es la cantidad de energía transmitida por una fuente sonora por unidad de tiempo y superficie, colocada ésta en sentido perpendicular a la dirección de propagación; o, lo que es lo mismo, la potencia acústica por unidad de superficie.

Expresión: I = W / S.

I: Intensidad.

W: Potencia acústica.

S: Superficie que atraviesa o abarca.

La unidad de intensidad es el vatio por metro cuadrado (W/m2).

No es difícil intuir que cuanto más nos alejemos de la fuente sonora menos intenso será el sonido que oigamos, puesto que la misma potencia sonora (la fuente sigue emitiendo los mismos vatios) se reparte entre un área mayor.

Dado que el sonido se propaga en “3D” la superficie de incidencia, a una distancia determinada “x”, es esférica.

Tal vez se comprenda de un modo más claro viendo la ilustración siguiente (a mí, en concreto, me ha ayudado).

La intensidad acústica o intensidad sonora

La intensidad acústica

Factores que determinan la intensidad sonora

  • La amplitud de onda del movimiento vibratorio y la presión acústica que genera, que, a su vez, determina la potencia sonora emitida.
  • La superficie de la fuente emisora. Un altavoz de cono grande produce más energía que otro de cono más pequeño.
  • La distancia (superficie) entre el oyente y la fuente sonora. Cada vez que la distancia aumenta el doble, la intensidad cae 1/4 (la presión cae 6 dB SPL).
  • El medio en el que se propaga. En nuestro caso, el aire. (Pasamos del resto).

Potencia acústica o potencia sonora

Se define como la cantidad de energía emitida por una fuente sonora por unidad de tiempo. Es directamente proporcional a la amplitud de la onda emitida.

Expresión básica: W = I × S. (Despejada de la anterior).

W: Potencia acústica.

I: Intensidad.

S: Superficie que atraviesa o recorre.

La unidad de potencia es el vatio, W.

Cada fuente tiene su potencia intrínseca, con independencia del lugar o espacio en el que se halle, por lo que es un parámetro que se suele utilizar para caracterizarla; así, decimos: “Este altavoz es de 300 W”. Es decir, nos proporcionará esos 300 W esté donde esté ubicado. Otra cuestión será la presión sonora generada (ver a continuación), que variará en función de la distancia a la que nos encontremos, del tamaño de la sala, de la capacidad de absorción de las paredes, etcétera.

Observaciones:

Normalmente, más que conocer el valor de la potencia acústica inherente a la fuente emisora, es más interesante cuantificar el denominado nivel de potencia acústica (ver más adelante).

A veces se confunden ambos conceptos (potencia acústica y nivel de potencia acústica). Sin entrar en más detalles, es necesario tener claro que no son magnitudes iguales.

Presión acústica o presión sonora

El movimiento vibratorio de las ondas sonoras, como hemos visto, ocasiona variaciones de presión en el aire que lo rodea.

La presión acústica se define como la diferencia entre la presión instantánea en un punto dado (ejercida como consecuencia de la vibración) y la presión ambiental estática o fija para ese mismo punto. Esta presión determina la amplitud de la onda, que, a su vez, precisa la potencia sonora de la fuente.

Al igual que ocurría con la potencia acústica, lo más habitual es determinar el nivel de presión acústica (SPL) (ver más adelante). En este caso se utiliza un aparato de medición específico.

La unidad de medida es el microbar (μBar) (millonésima parte del ‘bar’, unidad de presión atmosférica); también, es común el uso del pascal (Pa), siendo su relación:

1Pa = 1Nw/m2 = 10 dinas/cm2 = 10μBar.

El decibelio (db)

El decibelio es una unidad relativa que se emplea en diversas disciplinas, la acústica entre ellas, para expresar la relación entre dos valores de una magnitud:

  • El valor o medida objetivo o de interés, que estamos evaluando (M1).
  • Un valor de referencia, de carácter convencional, con la que se relaciona (M0).

Expresión genérica: LM = 10 × Log10 (M1/ M0).

La unidad, logarítmica y adimensional, es el ‘Bel’; aunque, normalmente, suele expresarse en decibelios (dB), es decir, 1/10 Bel.

La utilización del decibelio nos brinda una perspectiva “humanizada” sobre una magnitud acústica porque se aproxima más al modo en cómo es percibida. Tal y como la psicofisiología dice: la magnitud de una sensación es proporcional al logaritmo del estímulo. Normalmente, se emplea un coeficiente multiplicador (10 ó 20) para obtener valores más significativos.

Nivel de intensidad sonora

El umbral de audición

Para cada sonido es necesaria una intensidad mínima para que provoque una sensación auditiva en la persona. Es el umbral de audición.

El límite inferior de audibilidad para el hombre, I0, es de 10-12 vatios/m210-16 vatios/cm2), aproximadamente; lo que equivale a un exceso de presión de 10-4 dinas/cm2.

Observación: El oído es más sensible a las variaciones de tono o altura que a las de presión (intensidad, en definitiva). Entorno a los 2.500 Hz (2,5 kHz), se perciben un poco mejor las variaciones de intensidad.

EL NIVEL DE INTENSIDAD SONORA

El nivel de intensidad es la diferencia entre la intensidad, I, de un sonido y la intensidad mínima, I0, que el oído es capaz de percibir o umbral de audición.

Expresión: LI = 10 × Log10 (I/ I0).

LI: nivel de intensidad.

I: Intensidad puntual de un sonido objeto de estudio.

I0: Intensidad de referencia o umbral de audición (10-12 W/m2).

La unidad de nivel de intensidad es el decibelio (dB).

Relación de equivalencia

Se puede establecer la siguiente relación entre el nivel de intensidad acústica y el nivel de presión sonora (ver siguiente título),

 LI = 10 Log (I/I0) = 20 Log (p/p0) = LP

Curiosidades

Imaginemos un valor de I = 1 W/m2. El nivel de intensidad, LI será: 10 × Log10 (1/10-12) = 10 × Log10 1012= 120 dB.

Este valor marca, según las escalas de nivel de intensidad, el umbral del dolor, es decir, produce una sensación dolorosa al individuo que percibe el sonido emitido.

Para excitar al oído y escuchar un sonido de 20 Hz son necesarios 100 dB; es decir, ¡muy próximo al valor del umbral de sensación dolorosa obtenido en el párrafo anterior!

Nivel de potencia acústica (SWL, Sound Watt Level)

Modo de expresar la potencia acústica de una fuente sonora, respecto de una fuente de referencia de un picovatio, 1pW (10-12 W) que se toma como fija.

Empleando conceptos más comunes, cuantifica lo que percibimos como volumen.

Expresión: LW = 10 Log10 (W1/W0).

LW: nivel de potencia sonora.

W1: potencia acústica objeto de estudio, en W.

W0: potencia acústica de referencia (10-12 W ó 1pW).

La unidad es el decibelio SWL (dB SWL).

Nivel de presión sonora (SPL, Sound Presure Level)

La sensación o percepción de la intensidad de la variación de un sonido sigue una escala logarítmica, según nos apunta, nuevamente, la psicofisiología.

En consecuencia, el nivel de presión sonora (SPL, Sound Presure Level) se define como 20 veces el logaritmo de la relación entre la presión sonora y una presión de referencia correspondiente al umbral de presión auditiva (2·10-5 Pa = 2·10-5 N/m2 = 20 μPa).

Expresión: LP = 20 × Log10 (p/p0).

LP: nivel de presión sonora, en dB SPL.

P: presión acústica eficaz, en Pa. Se corresponde con la media cuadrática de la presión sonora instantánea.

P0: presión acústica eficaz de referencia (2·10-5 Pa = 2·10-5 N/m2 = 20 μPa).

En la práctica se utiliza un aparato de medición específico que mide el nivel de presión acústica tomando como referencia una potencia de 1 W aplicada a un altavoz.

La unidad de medida utilizada es el decibelio SPL (dB SPL).

Relación de equivalencia

Además de la relación mostrada en el título anterior entre el nivel de intensidad acústica y el nivel de presión sonora, también se ha convenido la siguiente relación de identidad entre el nivel de presión sonora y la presión sonora:

 94 dB SPL ≡ 1 Pa

Es decir, si aplicamos una presión sonora de un pascal obtenemos exactamente un nivel de presión sonora de 94 dB SPL.

Curiosidades

El oído humano es capaz de captar variaciones muy pequeñas de presión estática y, no obstante, no saturarse con valores muy elevados de la misma.

Que la presión se comporte como una función logarítmica implica, por ejemplo, que si reducimos la presión eficaz a la mitad, la sensación que percibiremos será que se ha reducido mucho menos de la mitad.

Sonoridad

La sonoridad es el modo subjetivo de percibir la intensidad de los sonidos y que permite al oyente ordenarlos sobre una escala, de bajo a alto.

Como se trata de una sensación personal, no es posible establecer una medida física directa sino que se realiza tomando como referencia sonidos con niveles de intensidad conocidos.

La sonoridad depende fundamentalmente del nivel de presión sonora del estímulo y, en menor medida, de su frecuencia, duración y complejidad.

– Unidades de medida

Son

Sonoridad de un tono de 1000 Hz, con un nivel de presión sonora de 40 dB.

Fon

Sonoridad de un tono de 1000 Hz, con un nivel de potencia acústica de 2 × 10-5 Pa. Posee las siguiente equivalencia: 0 dB = 0 fon. Esta unidad sólo no es válida para comparar sonidos diferentes sino de un mismo sonido concreto.

Nivel de Sonoridad

Para establecer el nivel de sonoridad se ha recurrido a la representación de curvas de sonoridad, en las que se recogen en una gráfica puntos de igual sonoridad para variaciones de potencia conocidas.

La escala de sonoridad es subjetiva y se ha establecido bajo la premisa de que un sonido con una sonoridad de 2 son tiene el doble de sonoridad que el sonido de referencia de 40 dB de 1 son. Un cambio de 10 dB en el nivel de presión sonora equivale, aproximadamente, a doblar la sonoridad.

Impedancia acústica

La impedancia acústica, por analogía con la impedancia eléctrica, es la resistencia que opone un medio determinado a la propagación de las ondas sonoras a través de éste.

Se define como el cociente entre la presión acústica (ver concepto a continuación) y la velocidad asociada a las partículas vibratorias en el medio que estamos evaluando.

Expresión: Z = p / v.

Z: Impedancia acústica.

p: Presión acústica.

v: Velocidad asociada a las partículas vibratorias en el medio.

La unidad de medida es el Ohmio (Ω) acústico.

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NOTAS GENERALES EN RELACIÓN CON LA ABSORCIÓN Y LA PÉRDIDA DE ENERGÍA DEL SONIDO

El sonido pierde energía a medida que se aleja de la fuente

La pérdida de energía en función de la distancia según la ley del inverso cuadrado.

  • No siempre se aplica en recintos cerrados.
  • Siempre se aplica al aire libre.

La distancia crítica

Es la distancia a una fuente de sonido donde el sonido reflejado (y ruido) llega al mismo nivel que el sonido de la fuente emisora.

Distancia crítica

Distancia crítica

Algunos materiales absorben en vez de reflejar sonido

La absorción está directamente relacionada con la longitud de onda del sonido.

Materiales finos absorben frecuencias altas:

  • Alfombras.
  • Azulejo acústico.

Materiales gruesos absorben frecuencias bajas:

  • Cortinas o mantas gruesas.
  • Muebles acolchados.
  • El cuerpo humano absorbe frecuencias medias y altas.

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Tabla de contenido del tema:

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4 pensamientos en “Propiedades acústicas y magnitudes

    • Hola, Gizeh:
      Gracias por esta consulta. Aunque difícil me lo pones… En cualquier caso, me alegro que hayas encontrado interesante este espacio dedicado a la música y al sonido.

      La independencia acústica es un concepto íntimamente relacionado con el aislamiento acústico. En general, hace referencia al grado de proteción sonora de un recinto (edificio, sala, habitación, local,…) respecto al ruido procedente del exterior y, también, de otros recintos colindantes más o menos cercanos, y viceversa.
      En el caso de edificios hay que atender a las disposiciones legales específicas (estatales y locales), que establecen unos parámetros de medición y unos niveles mínimos exigibles para asegurar este aislamiento o independencia acústica. Cumplir con estos requisitos exige una selección adecuada de los materiales constructivos, así como el espacio que los separa y el modo y medio de transmisión.

      La unidad de medida de estos niveles es, en general, el decibelio con ponderación A (dBA, dBa o dB(A)), que tiene en cuenta como percibe el sonido el oído humano en el aire. En el sistema de ponderación A se recortan las frecuencias graves puesto que, como sabrás, el oído es menos sensible a estas frecuencias y se discriminan para que las medidas se centren en las frecuencias efectivamente relevantes y ofrezca un resultado más cercano a la realidad.

      En Musicalecer no tratamos la independencia acústica: es un tema de carácter técnico que interesa más a arquitectos, aparejadores e ingenieros de sonido que a un músico “casero”.

      En resumen, Gizeh, si algún día haces una fiesta en casa hasta bien entrada la noche y algún vecino te denuncia porque no puede dormir, el técnico o policía que acuda llevara un aparatito que, desde la casa del denunciante y alrrededores, medirá el jaleo y algarabía que llega desde tu casa en dBA.

      Insisto… ¡Muchas gracias!
      Musicalecer

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