Acústica Básica.

Debido a que este escrito esta orientado al personal radioaficionado, esta pagina asume que usted esta familiarizado con ciertos términos y definiciones comúnmente empleadas en nuestra querida radioafición.  

    Que es el sonido?

El sonido no es más que las rápidas variaciones de ondas de presión que viajan a través de un medio que las propaga. Nosotros llamaremos sonido audible a la porción del sonido que nuestros oídos puedan percibir como resultado de las diminutas rápidas variaciones de presión del aire por encima (positivas) y por debajo (negativas) de un valor de referencia estático. Este valor estático es sencillamente la presión atmosférica en que usted se encuentra (sobre unos 100,000 Pascales), la cual casi no varía y cuando lo hace, sucede muy lentamente. 

    Como de grandes y rápidos son los cambios de presión de aire que causan el sonido?

Estas variaciones de presión ocurren entre 20 y 20,000 veces por segundo (20Hz y 20kHz).

El sonido es potencialmente audible aun las variaciones de presión sean tan pequeñas como unas pocas millonésimas de Pascal.

El oído humano tiene un rango dinámico de trabajo muy amplio, tanto así que ninguna maquina creada por el hombre ha podido duplicar su rango dinámico. Movimientos tan insignificantes de las paredes del oído como el diámetro de un átomo de hidrogeno pueden ser audibles al igual que los sonidos fuertes y estruendosos causados por grandes variaciones de presión.

Un sonido con una amplitud de un Pascal, por ejemplo, sonaría excesivamente alto, siempre y cuando su energía acústica se encuentre dentro del rango de las medias frecuencias, a las cuales el oído responde con mas facilidad (1kHz - 4kHz). Es comúnmente aceptado que el mínimo nivel humano de audición para un tono de 1 Khz. sea aproximadamente 20 micro-Pascales. (20 µPa)  

Sin embargo, la presión sonora tiene en general valores muchísimo menores que el correspondiente a la presión atmosférica. Por ejemplo, los sonidos más intensos que pueden soportarse sin experimentar un dolor auditivo agudo corresponden a unos 20 Pa, mientras que los apenas audibles están cerca de 20 µPa (µPa es la abreviatura de micropascal, es decir una millonésima parte de un pascal).

    A que nos referimos cuando decimos: “la presión del Sonido” o “presión Sonora”?

En primer lugar tenemos la presión atmosférica, es decir la presión del aire ambiental en ausencia de sonido. Se mide en una unidad SI (Sistema Internacional) denominada Pascal (1 Pascal es igual a una fuerza de 1 newton actuando sobre una superficie de 1 metro cuadrado, y se abrevia 1 Pa). Esta presión es de alrededor de 100,000 Pa (el valor normalizado es de 101,325 Pa). Podemos luego definir la presión sonora como la diferencia entre la presión instantánea debida al sonido y la presión atmosférica, y, naturalmente, también se mide en Pa.

    Nivel de Presión Sonora (SPL)

El hecho de que la relación entre la presión sonora del sonido más intenso (cuando la sensación de sonido pasa a ser de dolor auditivo) y la del sonido más débil sea de alrededor de 1,000,000 ha llevado a adoptar una escala comprimida denominada escala logarítmica. Llamando P_ref (presión de referencia a la presión de un tono apenas audible (es decir 20 µPa) y P a la presión sonora, podemos definir el nivel de presión sonora (SPL) como:

SPL = 20 log (P / P_ref),

Donde log significa el logaritmo decimal (en base 10). La unidad utilizada para expresar el nivel de presión sonora es el decibelio, abreviado dB. El nivel de presión sonora de los sonidos audibles (SPL) varía entre 0 dB y 120 dB. El Termino SPL viene del ingles “Sound Pressure Level”.

Los sonidos de más de 120 dB pueden causar daños auditivos inmediatos e irreversibles, además de ser bastante dolorosos para la mayoría de las personas.

    Que significa la Intensidad del sonido (loudness)?

La intensidad acústica es la impresión humana de la fuerza que posee un determinado sonido. Utilizamos el termino “impresión” porque es una especie de truco que nos juega el oído ya que este no responde linealmente a todos los sonidos, lo que significa que usted oye ciertas frecuencias mas fuerte que otras aun estas tengan el mismo valor en decibelios.

La intensidad de un ruido no necesariamente corresponde al nivel intrínseco (en decibelios) del sonido.  

Un término introducido por los Laboratorios Bell para medir la intensidad del sonido fue el llamado phon (en español: fon),

Sin entrar en definiciones formales del Phon, vale decir que el objetivo de este es de identificar por medio de una grafica la disparidad de la respuesta de frecuencias que tiene el oído.

Para ello se comparan dos tonos, uno es conocido (1KHz) con una intensidad especifica fija de decibelios, y el otro es un tono cualquiera diferente, pero con una intensidad variable a la voluntad de la persona que lo escucha.

Luego se le pide a la persona que usando un control de volumen, nivele la intensidad del tono en cuestión (usando solamente los oídos) hasta llevarlo al mismo nivel del tono de referencia de 1KHz.

Cabe decir que la prueba es puramente estadística y para ello se utilizaron personas con audición normal.  

El nivel de presión sonora (SPL) tiene la ventaja de ser una medida objetiva y bastante cómoda de la intensidad del sonido, pero tiene la desventaja de que está lejos de representar con precisión lo que realmente se percibe. Esto se debe a que la sensibilidad del oído depende fuertemente de la frecuencia. En efecto, mientras que un sonido de 1 Khz. y 0 dB ya es audible, es necesario llegar a los 37 dB para poder escuchar un tono de 100 Hz, y lo mismo es válido para sonidos de más de 16 Khz.

Esta dependencia de la frecuencia de la sensación de sonoridad fue descubierta y medida (por Fletcher y Munson, en 1933, ver gráfica).

                                                                Curvas de Fletcher y Munson

La realidad acústica humana y los filtros A, B y C

A diferencia de un instrumento de medición de laboratorio, el oído no responde de una manera plana a la gama de frecuencias audibles. Esto resulta en inconveniencia al momento de establecer parámetros para ponderar la intensidad del sonido o cuando se trata de ecualizar los sonidos emitidos por una fuente de audio, ya sea vocal o musical.

Las muestras de audio que para un instrumento medidor de intensidad resultan aparentemente balanceadas “Planas”, para el oído humano no los son.

En otras palabras, un instrumento que mida el nivel de presión del sonido (SPL) con una respuesta plana, indicara la intensidad de un tono de baja frecuencia con el mismo énfasis que un tono de alta frecuencia aunque nuestros oídos perciban las bajas frecuencias con menos intensidad que las notas de altas frecuencias.

Para complicar mas aun las cosas, este patrón de audición también varia con diferentes niveles de volumen (ver curva de Fletcher & Munson). Es decir a intensidades bajas la curva es más dispareja sin embargo a altos niveles, la curva tiende a ponerse más plana.

Es por eso que usted no se contenta al escuchar música con muy bajo volumen a través de su componente estereofónico, es necesario incrementar el volumen con el fin de escuchar ciertos instrumentos a penas perceptibles a bajos niveles de audio.  

El oído se comporta como un transformador mecánico de un limitado paso de banda.  En el argot de ingeniería eléctrica, los "3 dB" de caída que determinan el ancho de banda de un circuito, (Rollover) ocurren aproximadamente a frecuencias de 500 Hz en la parte baja y 8 Khz. en la parte mas alta.  

Gracias al uso de filtros electrónicos que simulan la respuesta de frecuencia de los del oído humano para cada frecuencia se logran valores numéricos proporcionales a las percibidas por el oído humano independientemente de las frecuencias.

Como a muy bajos niveles, sólo los sonidos de frecuencias medias son audibles, mientras que a altos niveles, todas las frecuencias se escuchan más o menos con la misma sonoridad se crearon tres filtros patrones A, B y C.

Por lo tanto parecía razonable diseñar tres redes de ponderación de frecuencia correspondientes a niveles de alrededor de 40 dB, 70 dB y 100 dB, llamadas A, B y C respectivamente. La red de ponderación A (también denominada a veces red de compensación A) se aplicaría a los sonidos de bajo nivel, la red B a los de nivel medio y la C a los de nivel elevado (ver figura). El resultado de una medición efectuada con la red de ponderación A se expresa en decibelios A, abreviados dBA o algunas veces dB(A), y análogamente igual para las otras.

                                                                                          Curvas de ponderación A, B y C  

Por supuesto, para completar una medición era necesaria una suerte de recursividad. Primero había que obtener un valor aproximado para decidir cuál de las tres redes había que utilizar, y luego realizar la medición con la ponderación adecuada.

La segunda dificultad importante proviene del hecho de que las curvas de Fletcher y Munson (al igual que las finalmente normalizadas por la ISO, Organización Internacional de Normalización) son sólo promedios estadísticos, con una desviación estándar (una medida de la dispersión estadística) bastante grande. Esto significa que los valores obtenidos son aplicables a poblaciones no a individuos específicos. Más aún, son aplicables a poblaciones jóvenes y auditivamente normales, ya que las mediciones se realizaron con personas de dichas características.

La tercera dificultad tiene que ver con el hecho de que las curvas de Fletcher y Munson fueron obtenidas para tonos puros, es decir sonidos de una sola frecuencia, los cuales son muy raros en la Naturaleza. La mayoría de los sonidos de la vida diaria, tales como el ruido ambiente, la música o la palabra, contienen muchas frecuencias simultáneamente. Esta ha sido tal vez la razón principal por la cual la intención original detrás de las ponderaciones A, B y C fue un fracaso.  

Estudios posteriores mostraron que el nivel de sonoridad, es decir la magnitud expresada en una unidad llamada Phon (Fon) que corresponde al nivel de presión sonora (en decibelios sin ponderación) de un tono de 1 kHz igualmente sonoro, no constituía una auténtica escala. Por ejemplo, un sonido de 80 fones no es el doble de sonoro que uno de 40 fones. Se creó así una nueva unidad, el Son, que podía medirse usando un analizador de espectro (instrumento de medición capaz de separar y medir las frecuencias que componen un sonido o ruido) y algunos cálculos ulteriores. Esta escala, denominada simplemente como sonoridad, está mejor correlacionada con la sensación subjetiva de sonoridad, y por ello la ISO normalizó el procedimiento (en realidad dos procedimientos diferentes según los datos disponibles) bajo la Norma Internacional ISO 532. En la actualidad existen inclusive instrumentos capaces de realizar automáticamente la medición y los cálculos requeridos para entregar en forma directa la medida de la sonoridad en son.

    Que niveles de ruido se tornan peligrosos?

Es fuertemente recomendado, el evitar exponerse a sin ningún tipo de protección a niveles de sonido por encima de 100dBA. Use protectores siempre que se exponga a niveles sobre 85dBA (mas o menos el ruido que genera una maquina de cortar el césped), y especialmente si es por tiempo prolongado. (Más de 10 minutos). Los daños al sistema auditivo son acumulativos e irreversibles. Exponerse a los ruidos por largo tiempo es una de las causas más comunes de tinnitus (Zumbido en los oídos).

Los aspectos de seguridad de los exámenes de ultrasonidos están bajo investigación. Una medición que se ha expresado es que la exposición al ultrasonido no debería exceder 85dB @ 16kHz octave banda.

Daños a la salud también resultan de prolongadas exposiciones a las vibraciones. Como ejemplo, la enfermedad del dedo blanco (falta de riego), la cual es encontrada entre trabajadores quienes frecuentemente utilizan maquinaria de mano tales como las cortadoras de árboles.  

    Ponderación A y Efectos del Ruido

Desde luego, lo anterior no responde la pregunta de cuán molesto o perturbador resultará un ruido dado. Es simplemente una escala para la sensación de sonoridad. Varios estudios han enfocado esta cuestión, y existen algunas escalas, como la escala noy que cuantifica la ruidosidad bajo ciertas suposiciones, y por supuesto, en función del contenido de frecuencias del ruido a evaluar.

Podemos apreciar, por lo tanto, que no hay disponible en la actualidad ninguna escala que sea capaz de dar cuenta exitosamente de la molestia que ocasionará un ruido a través de mediciones objetivas, simplemente porque la molestia es una reacción muy personal y dependiente del contexto.

¿Por qué, entonces, ha sobrevivido y se ha vuelto tan popular y difundida la escala de ponderación A?

Es una buena pregunta. La razón principal es que diversos estudios han mostrado una buena correlación entre el nivel sonoro A y el daño auditivo, así como con la interferencia a la palabra. Sin otra información disponible, el nivel sonoro con ponderación A es la mejor medida única disponible para evaluar y justipreciar problemas de ruido y para tomar decisiones en consecuencia. También exhibe una buena correlación, según han revelado diversos estudios, con la disposición de las personas afectadas por contaminación acústica a protestar en distintos niveles.

Es interesante observar que a pesar de que la escala de decibelios A fue originalmente concebida para medir sonidos de bajo nivel, ha demostrado ser más adecuada para medir daño auditivo, resultado de la exposición a ruidos de nivel elevado. Ignoro cómo se descubrió esta relación, pero probablemente se pueda atribuir a la carencia de otros instrumentos de medición, a la suerte accidental, o al uso consciente de todos los tipos de instrumentos disponibles para superar las circunstanciales fronteras del conocimiento.

Con respecto a su utilización en cuestiones legales, por ejemplo en la mayoría de las ordenanzas y leyes sobre ruido, es porque proporciona una medida objetiva del sonido de alguna manera relacionada con efectos deletéreos para la salud y la tranquilidad, así como la interferencia con diversas actividades. No depende en el juicio subjetivo de la policía ni del agresor ni del agredido acústicamente. Cualquiera en posesión del instrumental adecuado puede medirlo y decir si excede o no un dado límite de aceptabilidad legal o reglamentario. Esto es importante, aún cuando no sea la panacea. Probablemente en el futuro irán surgiendo mediciones más perfeccionadas y ajustadas a diferentes situaciones.

    Apéndice  

La tabla de decibelios (dB) a continuación compara algunos sonidos comunes y muestra cómo se clasifican desde el punto de vista del daño potencial para la audición. El ruido comienza a dañar la audición a niveles de alrededor de 70 dBA. Para el oído, un incremento de 10 dB implica duplicar la sonoridad   

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