Fundamentos de Acústica: Potencia, Intensidad y Medición de Ruido en Frecuencia

Conceptos Fundamentales de la Acústica

Potencia Acústica (W)

La Potencia Acústica Media (W_m) de una fuente sonora es la energía emitida (E) en un tiempo dado (T). Se define mediante la relación:

W_m = E / T

Cuando la energía emitida no es constante en el tiempo, se utiliza la potencia instantánea (W), definida como la derivada de la energía respecto al tiempo: W = dE/dt. Es importante destacar que la potencia de una fuente solo depende de las características específicas de la propia fuente.

Intensidad Sonora (I)

La Intensidad Sonora (I) es la potencia sonora por unidad de superficie (unidades: W/m²).

Para una fuente puntual que emite uniformemente en todas las direcciones, la intensidad a una distancia r es:

I(r) = W / S = W / (4 π r²)

La intensidad es una función que depende del inverso del cuadrado de la distancia. Esto implica que la relación entre dos intensidades a diferentes distancias es:

I₁ / I₂ = r₂² / r₁²

Presión Acústica Eficaz (P_rms)

La Presión Acústica Eficaz (P_rms) se utiliza cuando la presión sonora varía continuamente en el tiempo. Representa el valor medio cuadrático de la función de presión p(t):

P_rms = √ [ (1/T) ∫₀^T p²(t) dt ]

Umbrales de Audición Humana

El oído humano posee un amplio rango dinámico de detección:

• El Umbral de Presión (P₀) que puede detectar es de 2 × 10^-5 Pa.
• El oído soporta presiones de hasta 20 Pa.

Los valores de referencia utilizados en acústica son:

• Presión de Referencia (P₀): 2 × 10^-5 Pa.
• Intensidad de Referencia (I₀): 10^-12 W/m².

Medición y Caracterización del Ruido en Frecuencia

El estudio del ruido se efectúa en el dominio de la frecuencia, calculando la energía que cada componente frecuencial aporta al sonido total. Las frecuencias se agrupan en bandas de frecuencia, siendo las más comunes las bandas de octava o de tercios de octava.

Bandas de Frecuencia

h4>Bandas de Octava

Una banda de octava se caracteriza porque la relación entre la frecuencia superior (f_sup) y la frecuencia inferior (f_inf) es 2:1 (el doble):

f_sup / f_inf = 2

Los valores de las frecuencias límite en función de la frecuencia central (f_c) son:

• f_inf = f_c / √2
• f_sup = f_c · √2

h4>Bandas de Tercio de Octava

En las bandas de tercio de octava, la relación entre las frecuencias límite es:

f_sup / f_inf = 2^1/3

h4>Generalización para Bandas

En general, para la n-ésima parte de octava, la relación entre las frecuencias límite es:

f₂ / f₁ = 2^1/n

La frecuencia central (f_c) se define como la media geométrica de las frecuencias límite:

f_c = √(f_inf · f_sup)

Ancho de Banda (B)

El ancho de banda (B) entre dos frecuencias es la diferencia entre la frecuencia superior y la inferior: B = f₂ - f₁.

• Para Octava: B = 2f₁ - f₁ = f₁
• Para Tercio de Octava: B = (2^1/3)f₁ - f₁ ≈ 0.26 f₁

En general, el ancho de banda es:

B = (2^1/n - 1)f₁

Medición y Control del Ruido

Las mediciones de sonido en entornos externos tienden a ser aleatorias en el tiempo, por lo que es necesario realizar múltiples tomas para obtener una caracterización adecuada del suceso sonoro.

Tipos de Medidas de Sonoridad

• Medidas Objetivas: Se refieren al nivel de presión sonora expresado en decibelios (dB).
• Medidas Subjetivas: Son valores corregidos mediante filtros de ponderación frecuencial para simular la respuesta del oído humano al ruido.

Curvas de Ponderación Frecuencial

Dado que el oído humano es menos sensible a frecuencias muy bajas o muy altas, se aplican filtros de ponderación para ajustar las mediciones y simular la percepción auditiva:

• Ponderación A (dB(A)): Ajusta la medición para aproximarse a la respuesta del oído humano a niveles de sonido moderados. Es la ponderación más utilizada en la evaluación de ruido ambiental y laboral.
• Ponderación C (dB(C)): Se utiliza cuando se evalúan sonidos muy intensos o de muy baja frecuencia, donde la respuesta del oído es más plana.

Control de Ruido

El control de ruido se enfoca en tres elementos clave del sistema acústico:

1. La Fuente (donde se origina el ruido).
2. El Transmisor (el medio o camino por donde viaja el ruido).
3. El Receptor (la persona u objeto que percibe el ruido).