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CAPITULO 2.- PRINCIPIOS BSICOS DEL SONIDO

El sonido es el fenmeno fsico que se produce cuando las vibraciones de un cuerpo se

transmiten a travs de un medio elstico (por ejemplo el aire), en forma de ondas de presin,

hasta que llegan al odo humano producindose as la sensacin auditiva. Segn esta definicin

podemos considerar el sonido en sus dos vertientes:

Como un fenmeno fsico. Desde el punto de vista fsico el sonido es una vibracin mecnica capaz de provocar un estimulo fsico en el odo humano que

provoca la sensacin auditiva.

Como un fenmeno fisiolgico. Desde el punto de vista fisiolgico, el sonido es la sensacin auditiva provocada por una vibracin mecnica

Un nico ciclo completo de una onda de presin acstica consiste en una mitad de

compresin (alta presin) otra de rarefaccin (menor presin) de las molculas. Los sonidos de

mayor amplitud comprimen y rarifican las molculas de aire en mayor medida que lo hacen los

sonidos de menor amplitud.

2.1 Magnitudes fsicas asociadas al sonido

Las caractersticas principales relacionados con los sonidos peridicos son los siguientes:

Velocidad de sonido.- El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 345 m/s, en condiciones ambientales consideradas estndar (a nivel del mar, temperatura 15 C)

Longitud de onda.- Es la distancia entre dos perturbaciones sucesivas en el espacio se mide en metros (m) (cm.) y se representa con la letra griega lambda ().

Periodo.- El periodo (T) se define como el tiempo transcurrido entre una perturbacin y la siguiente. Se mide en segundos (s) o milisegundos (ms)

Frecuencia.- Se define como la cantidad de ciclos por segundo, o lo que es lo mismo la cantidad de perturbaciones por segundo. Se expresa en Hertz (Hz), unidad equivalente al

ciclo por segundo (c/s). La frecuencia de los sonidos audibles est comprendida entre

los 20 Hz (sonidos graves) y los 20.000 Hz (sonidos agudos)

Las relaciones matemticas que existen entre estos parmetros son las siguientes:

f = 1/T T = 1/f = v/f v = . f

Valor instantneo.- Es aquel que toma la seal en cada instante del tiempo (fig.1.1) La unidad depende del valor considerado: tensin, intensidad, presin, etc.

Valor mximo.- Es el mayor valor instantneo comprendido en un periodo. Tambin se le denomina amplitud mxima, valor de creta o de pico. Se representa como Vmax, Imax

Valor de pico a pico.- Es el valor comprendido entre dos picos consecutivos de polaridad opuesta. Se representa como Vpp

Valor eficaz o RMS.- Matemticamente se obtiene hallando la raz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantneos que toma la onda sinusoidal durante

un periodo. Se representa como Vef, Vrms. El valor eficaz de una onda sinusoide es 0707 veces el valor de pico de la onda, como se indica en la figura

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Fig.2.1 Seal sinusoidal en la que se observan las distintas magnitudes a medir en una onda sonora.

2.2. Espectro

El espectro es la representacin de cada una de las componentes frecuenciales que

forman una seal. En funcin de su distribucin de frecuencias de pueden clasificar diferentes

tipos de sonido: tono puro, sonido armnico, sonido complejo y ruido

Tono puro.- Es un sonido en el cual la presin sonora varia en posicin y en tiempo de manera

senoidal. As como se observa en la fig.2.2 una seal senoidal (tono puro) solo tiene una

componente frecuencial de amplitud Ap

Fig. 2.2 Espectro de tono puro

Sonido armnico.- Es un sonido formado por la superposicin de un tono puro y un conjunto

finito o infinito de tonos con frecuencias mltiplos de estas: La frecuencia fundamental es la

primera frecuencia de vibracin de un cuerpo y un armnico (fn) es una frecuencia mltiplo de

la fundamental (f0): fn = n . f0 donde n = 2, 3, 4

Fig.2.3. Sonido armnico

Sonido complejo.- Es un sonido formado por la superposicin de infinitos tonos puros, con

frecuencias infinitamente prximas y de amplitudes diferentes. Por ejemplo un sonido complejo

es el producido por la voz humana.

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Fig. 2.4 Seal de la voz

2.3. Ruido.-

Un caso particular de sonido complejo es el ruido, el cual se caracteriza por un espectro

continuo formado por una combinacin de sonidos aleatorios de distintas frecuencias muy

prximas entre s. Hay muchas clases de seales que clasificamos como ruidos, y les damos

nombres convenientes, como ruido blanco, ruido rosa, zumbido, murmullo, esttico, ruido

espordico... De todos estos, slo los dos primeros (blanco y rosa) son creados de forma

intencionada, para ser usados como tests de seales. Los dems son accidentales, de valor

prctico nulo.

Los ruidos blanco y rosa constan de una seal aleatoria, con todas las frecuencias de

audio presentes, y de varios niveles de seal. Estos ruidos son generados por el movimiento

termal aleatorio de los electrones, y, por lo tanto, recibe el nombre de ruido aleatorio. Cuando el

ruido termal es amplificado, lo percibimos como un siseo.

2.3.1- Ruido blanco.

Asumiendo que estamos escuchando unos auriculares o unos altavoces relativamente

buenos, el ruido que omos cuando el control de ganancia (o volumen, o nivel) de un

amplificador de alta calidad es encendido, sin una seal de entrada presente, se conoce como

ruido blanco. El ruido blanco es un ruido termal no filtrado y no alterado que contiene una

energa idntica por Hz.. Qu significa esto?

Fig. 2.5 - Energa de ruido blanco vs frecuencia

Si medidos una ventana de 100Hz entre 100Hz y 200Hz y otra vez entre 1500Hz y

1600Hz, o 10000Hz y 10100Hz, la cantidad de energa ser la misma en cada caso.

Determinando la potencia del ruido blanco con respecto a la frecuencia, resultar una

acumulacin de 3dB por octava en el nivel a medida que la frecuencia aumenta, como se

muestra en la figura 2.5. Por qu ocurre esto? Cuando decimos que la energa aumenta 3dB por

octava tenemos que considerar qu es una octava. Es el doble de la frecuencia. Desde 20Hz a

13 dB MAS NIVEL

a 20 kHz que a 1 kHz

17 dB MENOS NIVEL a 20 Hz que a 1 kHz

FRECUENCIA (Hz)

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40Hz hay una octava. De 4000Hz a 8000Hz hay una octava. Ntese que a medida que la

frecuencia aumenta, hay ms Hz reales en cada octava; 20Hz es una octava entre 20 y 40Hz,

comparada con 4000Hz en la octava entre 4000 y 8000Hz. Hemos dicho que el ruido blanco

tiene una energa equivalente por Hz. Esto significa que si hay ms Hz en una octava dada,

habr ms energa en esa octava. Esta es la razn por la que el ruido blanco muestra un aumento

de 3dB por octava.

Hay generadores de ruido que producen ruido blanco. Si carecemos de uno, podemos

tener un facsmil bastante bueno ajustando una radio FM de modo que no sintonice con ninguna

estacin y apagar su circuito de silencio. El siseo resultante es bsicamente ruido blanco.

El ruido blanco se utiliza para calibrar equipos electrnicos. Proporciona una seal con la

que medir niveles y conduce el circuito a travs de todas las frecuencias simultneamente. Casi

nunca se emplea para calibrar altavoces, tal y como se explica en el siguiente texto.

2.3.2.- Ruido rosa.

El ruido rosa es un ruido blanco que ha sido modificado con un filtro rosado. Esto

filtro no es ms que una cada de 3dB por octava que comienza en la frecuencia sub-audio y

que contina reduciendo el nivel a medida que la frecuencia sube. En esencia, anula el

aumento de 3dB por octava en la energa que provocaba la seal de ruido blanco para crear un

ruido que tiene una energa idntica en cada octava (fig.2.6).

En tanto que el ruido rosa tiene la misma energa por octava, es ms til como medidor

de altavoces y como seal de calibracin. Por una razn: hace ms fcil conseguir un marcador

plano en un analizador de tercios de octava de tiempo real, en tanto que el nivel ser uniforme

con respecto a la escalada de la octava. Pero hay una razn an ms importante para usar el

ruido rosa.

Los repertorios musicales tienen mucha ms energa en las frecuencias bajas que en las

ms altas. La octava ms alta se presenta de hecho a travs de armnicos de las notas musicales,

muchos de los cuales tienen un nivel considerablemente reducido en comparacin .con la

fundamental. Si utilizsemos el ruido blanco para medir la seal, lo que en realidad haramos

sera aadir ms energa a los conductores de altas frecuencias que a los conductores de

frecuencias bajas o medias. Este sera un test poco realista, y quemara muchos tweeters sin

hacer que los woofers trabajasen demasiado. El ruido rosa est ms equilibrado para simular de

un modo ms realista la clase de seales que buscaremos que el sistema de sonido reproduzca.

Fig. 2.6 Energa de ruido rosa vs. frecuencia

2.4. Espectro audible

El espectro audible es el conjunto de frecuencias que el odo humano es capaz de

percibir. Como norma general se considera el espectro audible para un apersona sana el margen

FILTRO DIN

18 dB/Octava

a 22 kHz

RUIDO ROSA

FRECUENCIA Hz

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de frecuencia que va desde los 20 Hz hasta los 20 KHz. Las frecuencias por encima de estos 20

KHz se denominan ultrasonidos, que tienen aplicaciones en la industria y la medicina.

2.5 Bandas de frecuencia

Para el anlisis del sonido se divide todo el margen de frecuencias audibles en diferentes

bandas, de manera que se pueda estudiar la distribucin del nivel de presin sonora para cada

una de estas bandas por separado.

Se define el ancho de banda como la diferencia entre la frecuencia superior (fs) y la

frecuencia inferior (fi) de cada banda de paso: Bw = fs - fi

La frecuencia central (fc) de la banda se corresponde con la media geomtrica de las dos

frecuencias laterales de cada banda:

En funcin del nmero de bandas en que se divide el margen de frecuencias audibles

existen diferentes tipos de bandas. Las ms utilizadas son las bandas de octava y las bandas de

1/3 de octava

2.5.1 Banda de octava.- Una banda de octava es una banda de frecuencias en la que se

cumple que la frecuencia superior de la banda es el doble de la frecuencia inferior: fs = 2 fi

De esta manera el espectro audible se puede dividir en las diez bandas de octava que se

representan en la fig. 2.7

Fig.2.7 Divisin en octavas del espectro audible

2.5.2 Banda de tercio de octava.- En el caso de las bandas de un tercio de octava, cada

intervalo de una octava se divide en tres partes, por lo que se tiene una visin ms detallada del

espectro de una seal. En una banda de tercio de octava se cumple la relacin siguiente entre su

frecuencia superior (fs) y su frecuencia inferior (fi) : fs = fi . 21/3

2.6 Cualidades del sonido

Las cuatro cualidades fundamentales del sonido son: el tono, la intensidad, el timbre y la

duracin.

2.6.1 Tono

El tono de un sonido queda determinado por la frecuencia fundamental de las ondas

sonoras. El tono de un sonido permite clasificar los sonidos en graves, medios y agudos,

dependiendo de su frecuencia fundamental (fig. 2.8)

Fig. 2.8 Tono

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2.6.2 Timbre

El timbre de un sonido permite diferenciar dos sonidos diferentes con la misma

frecuencia fundamental, es decir, del mismo tono, ya que el timbre queda determinado por los

armnicos que acompaan a la frecuencia fundamental de un sonido. En el ejemplo de la fig.2.9,

el tono de los dos sonidos es el mismo (nota LA de 220 Hz) pero se diferencian en el timbre.

Fig. 2.9. (a) Armnicos de una seal

Fig. 2.9 (b) Representacin de diferentes formas de onda y sus fuentes acsticas de origen

2.6.3 Intensidad

La intensidad de una onda acstica permite evaluar cuantitativamente la magnitud de un

campo sonoro, es decir, lo fuerte o lo dbil que es un sonido y est relacionada con la amplitud

de una onda sonora.

La intensidad es la cantidad de energa acstica que contiene un sonido y viene

determinada por la potencia de la fuente de sonido y la distancia del receptor a esta fuente.

2.7. Niveles acsticos

En acstica, normalmente no se utilizan las magnitudes lineales expresadas en unidades

del Sistema Internacional. En su lugar se utilizan los decibelios y esto presenta las siguientes

ventajas:

Con decibelios (dB) se manejan cantidades numricas ms sencillas, debido a que el rango de sonidos que se puede percibir es muy amplio. Por ejemplo, el nivel de

intensidad sonora que puede percibir el odo humano va desde 20 Pa hasta 20 Pa., que

da lugar a un margen de presiones, en torno a 1.000.000, lo que dificulta trabajar

directamente con estas unidades. En cambio, cuando se trabaja con dB el margen se

reduce a 120 dB (de 0 a 120 dB)

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La respuesta a los estmulos del sistema auditivo humano no es lineal, sino que lo hace de forma logartmica. De esta manera, si la presin acstica de un tono puro se duplica,

la sensacin percibida por el odo humano no se duplica, siendo necesario para conseguir

este efecto aumentar diez veces su presin. Utilizando los decibelios la representacin de

los fenmenos acsticos puede representarse de forma lineal.

Las principales magnitudes que permiten evaluar la amplitud de una onda sonora son: la

potencia sonora, la intensidad sonora y la presin sonora

2.7.1 Potencia sonora de una fuente (W)

La potencia sonora (W) caracteriza la capacidad de emisin de una fuente de sonido y se

define como la cantidad de energa sonora emitida por la fuente por unidad de tiempo. Se mide

en watios

Nivel de potencia sonora

El nivel de potencia sonora (LW) permite evaluar la potencia sonora utilizando como

unidad de medida el dB. Como nivel de referencia (W0) se utiliza la potencia umbral de

audicin, que se corresponde con W

2.7.2 Intensidad sonora (I)

La intensidad sonora (I) se define como la energa acstica (W) que atraviesa una

superficie (S) por unidad de tiempo y se mide en W/m2

Los principales factores de los que depende la intensidad sonora son:

Potencia de la fuente sonora

Distancia a la fuente sonora

Naturaleza del medio de transmisin.

2.7.3 Presin sonora (P)

Se entiende por presin sonora las variaciones de presin producidas por una onda sonora en

su propagacin por el espacio, ejerciendo una determinada fuerza sobre cada cm2 de

superficie. Estas presiones son muy pequeas comparadas con la presin atmosfrica ambiental

y estn superpuestas a sta.

El nivel de presin sonora (Sound Pressure Level) es la relacin entre cierta presin

sonora y la presin sonora de referencia (0,0002 dinas/cm2)

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2.7.4 Curvas isofnicas

La sonoridad se define como la sensacin subjetiva de la intensidad de sonido que

percibe el odo humano. Una mayor intensidad de sonido es percibida como un sonido ms

fuerte que otro con una intensidad de sonido menor. Para evaluar la sonoridad de las seales

acsticas se utilizan las curvas isofnicas

Las curvas isofnicas indican el nivel de presin que debe tener un sonido de una

frecuencia determinada para producir la misma sensacin que un sonido de frecuencia 1.000 Hz

y un nivel de sonoridad dado.

La sensibilidad del odo varia con la frecuencia, es decir, este es capaz de percibir mejor

los sonidos a unas frecuencias que a otras. Por tanto, la sonoridad depende de la frecuencia. Para

evaluar la sonoridad se utilizan las curvas de respuesta en frecuencia del odo humano. En la fig.

2.10 se muestran los umbrales de audicin y de dolor en funcin de la frecuencia, as como

diferentes curvas que producen la misma sensacin auditiva. La unidad que permite evaluar la

sonoridad se denomina fon

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Fig. 2.10. Curvas isofnicas.

El fon se define como la sonoridad producida por un tono puro de 1 KHz que tiene un

nivel de presin sonora de 0 dB. Esta unidad permite comparar la sonoridad de dos sonidos

diferentes. De esta manera la curva que se corresponde con el umbral de audicin es la curva de

0 fones, mientras que la curva de umbral de dolor se corresponde con la curva de 120 fones

Se denomina umbral de audicin a la presin acstica mnima que es capaz de producir

sensacin auditiva, su valor es de 0,0002 dinas/cm2 y se toma como referencia (0 dB SPL). Se

denomina umbral de dolor a la presin acstica a la que el odo comienza a sentir una

sensacin dolorosa y es de 200 dinas/cm2 (120 dB)

2.8 El sonmetro

El sonmetro es un dispositivo de medida que permite cuantificar de manera objetiva el

nivel de presin sonora, ya que proporciona informacin numrica en dB, sobre la sonoridad de

un punto determinado (fig. 2.11). Se utiliza principalmente para medir el ruido presente en un

determinado punto en un instante de tiempo determinado.

Fig.2.11 Aspecto de un sonmetro digital automtico

Existen dos tipos bsicos de sonmetros:

Sonmetros de uso general: Realizan la medida del nivel de presin sonora instantneo en dB, por lo que solo son tiles para la medida del nivel sonoro equivalente (Leq)

cuando el ruido sea estable. En general se utilizan cuando las medidas no requieren de

gran precisin.

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Sonmetros integradores: Son dispositivos que tienen la propiedad de promediar el nivel de ruido, por lo que suelen emplearse para la medicin del (Leq) de cualquier tipo

de ruido. En general incorporan opciones ms avanzadas que los anteriores

2.8.1. Funciones generales de un sonmetro.

Las principales funciones que el usuario puede configurar en un sonmetro son las

siguientes:

Rango dinmico de amplitudes (range): Margen de niveles de presin sonora a medir. La seleccin adecuada del margen asegura una mayor precisin en la lectura. Los

mrgenes de medida ms habituales son los siguientes:

20-80 dB: utilizado en ambientes muy poco ruidosos 50-110 dB utilizado en ambientes normales, ya que cubre los niveles de control

acstico con bajo ruido

80-140 dB utilizado en ambientes con alta contaminacin acstica Curva de ponderacin de frecuencia (weighting). Los sonmetros integradores

permiten elegir la curva de ponderacin a aplicar cuando se realiza el promediado del

nivel de presin para cada margen de frecuencias. Estas curvas de ponderacin

aproximan las respuestas de los analizadores acsticos y sonmetros a la respuesta no

lineal del odo humano. Las curvas ms habituales son las siguientes:

Curva A (dBA). Mide la respuesta del odo ante sonidos de intensidad baja. Se utiliza para la valoracin del dao auditivo e inteligibilidad de la

palabra y para establecer el nivel de contaminacin acstica. Actualmente

es la curva de ponderacin ms utilizada y la que se toma como referencia

en las diferentes normativas sobre ruidos.

Curva B (dBB) Valora la respuesta del odo ante intensidades medias. En la actualidad se utiliza poco.

Curva C (dBC) Mide la respuesta del odo ante sonidos de intensidad elevada. Junto con la curva A se utiliza en la medida de los niveles de

contaminacin acstica y, sobre todo, en la evaluacin de sonidos de baja

frecuencia (tonos graves) en la banda de frecuencias audibles.

Curva D (dBD) Utilizada en el estudio del nivel de ruido provocado por los aviones.

Curva U (dBU) De todas las curvas de ponderacin es la ms reciente y se utiliza para la medida de sonidos audibles en presencia de ultrasonidos

Fig.- 2.10 - Curvas de filtro para la medida de las caractersticas de nivel de sonido

Frecuencia Hz

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Bsicamente, este instrumento (fig. 2.11) consta de un micrfono omnidireccional (que

recoge las ondas sonoras de todas las direcciones con idntica sensibilidad) de alta fiabilidad y

calidad y que transforma los niveles de presin sonora que inciden sobre l en un voltaje de

salida proporcional al SPL (nivel de presin sonora), el cual se encuentra conectado a un

amplificador y este, a su vez, a unos filtros ponderados que tienen como finalidad atenuar las

altas y las bajas frecuencias, en concordancia con una curva normalizada denominada curva de

ponderacin tipo A (norma UNE 21.314/75). Este tipo de curva se corresponde,

aproximadamente, con la sensibilidad que presenta el odo humano para los niveles bajos.

La salida de los filtros ponderados es recogida por otro amplificador que entrega su

salida a un instrumento de medida digital, que nos indica en todo momento el rango dinmico en

dBA. El diagrama de boques se muestra en la fig.2.12

Fig. 2.12 Diagrama de bloques de un sonmetro bsico

2.9. Analizador de espectros.

El dispositivo ms completo que permite evaluar la presin sonora de un punto

determinado es el analizador de espectros, ya que permite medir el nivel de presin sonora para

cada rango de frecuencias de manera independiente. Para ello, el analizador de espectros realiza

la medida de la presin acstica mediante filtros de octava o de tercio de octava

El analizador calcula las presiones sonoras en las diferentes bandas a lo largo del tiempo

de la seal que llega a los micrfonos. Despus procesa este resultado y mediante la pantalla

grfica presenta los resultados en forma numrica y grfica. Permite evaluar el nivel sonoro

equivalente instantneo. Adems permite realizar otros clculos complejos, tales como el tiempo

de reverberacin (RT).

Para realizar las medidas acsticas en diferentes entornos con un analizador de espectros,

se utilizan diferentes tipos de ruido patrn. Los dos ms utilizados son: el ruido blanco y el

ruido rosa estudiados anteriormente.