Fundamentos de Acústica y Sonido: Conceptos Clave y Medición de Niveles

1. Definiciones Fundamentales en Acústica

En el estudio de la acústica, es crucial comprender una serie de términos clave que describen la naturaleza y las propiedades del sonido.

Definiciones Clave

• Sonido: Onda longitudinal de presión que se propaga en un medio elástico, con frecuencias típicamente entre 20 Hz y 20 kHz. Su amplitud de presión para 1 kHz se encuentra entre 2·10^-5 Pa (umbral de audición) y 200 Pa (umbral del dolor). Para otras frecuencias, la región audible está limitada por las curvas isófonas del umbral de audición y del umbral del dolor.
• Onda: Perturbación que se propaga a través de un medio, transportando energía sin desplazamiento neto de materia.
• Presión: Fuerza por unidad de superficie (P = F/A). En acústica, se refiere a la variación de presión respecto a la presión atmosférica.
• Curvas de Fletcher y Munson (Curvas Isófonas): Representan la sensibilidad del oído humano a diferentes frecuencias. Indican el nivel de presión sonora (en dB) necesario para percibir un sonido con la misma sonoridad (volumen) a distintas frecuencias. También muestran el umbral de audición.
• Rango Audible: Región de frecuencias (aproximadamente entre 20 Hz y 20 kHz) y niveles de presión sonora limitada por el umbral de audición y el umbral del dolor, dentro de la cual el oído humano puede percibir sonidos.

2. Representación en el Dominio Temporal y Frecuencial

El sonido puede ser descrito y visualizado de diferentes maneras, dependiendo de si se analiza su evolución en el tiempo o su composición en frecuencias.

Tipos de Sonido y Representaciones

• Sonido Puro: Sonido cuya forma de onda es una función sinusoidal simple.
• Sonido Complejo: Sonido cuya forma de onda no es sinusoidal. Según el Teorema de Fourier, cualquier sonido complejo periódico puede descomponerse en una suma de sonidos puros (armónicos).
• Dominio Temporal: Representación de la amplitud de la onda sonora en función del tiempo.
• Dominio Frecuencial: Representación de las componentes de frecuencia de un sonido y sus respectivas amplitudes, conocido como espectro.
• Síntesis: Proceso de construir formas de onda complejas a partir de la combinación de tonos puros.

Clasificación de Tonos

• Tonos Graves: 20 Hz - 500 Hz
• Tonos Medios: 500 Hz - 2 kHz
• Tonos Agudos: 2 kHz - 20 kHz

3. Nivel de Presión Sonora (NPS) y el Decibelio

El decibelio (dB) es una unidad logarítmica utilizada para expresar la relación entre dos valores de una magnitud física, como la presión o la intensidad sonora.

El Nivel de Presión Sonora (NPS) se calcula utilizando una presión de referencia:

• P_ref = 20 µPa (micropascales) = 2·10^-5 Pa, que corresponde al umbral de audición a 1 kHz.

4. Intensidad Sonora y Nivel de Intensidad Sonora (NIS)

La intensidad sonora es una medida de la potencia del sonido.

• Intensidad Sonora: Es la potencia sonora que atraviesa una unidad de área perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

El Nivel de Intensidad Sonora (NIS) se calcula utilizando una intensidad de referencia:

• I_ref = 10^-12 W/m², que es el umbral de intensidad sonora.

5. Variación del Nivel de Presión Sonora con la Distancia

La propagación del sonido en el espacio libre sigue principios físicos que determinan cómo su nivel disminuye con la distancia.

Para una fuente sonora puntual que emite ondas esféricas en un campo libre, el nivel de presión sonora disminuye con la distancia. Si la distancia a la fuente se duplica, el nivel de presión sonora disminuye aproximadamente 6 dB.

6. Suma de Niveles Sonoros en Decibelios

Los niveles sonoros expresados en decibelios no se suman directamente. Para combinar sonidos, es necesario convertir los niveles a intensidades o presiones, sumarlas, y luego reconvertir el resultado a decibelios.

Si la intensidad sonora se duplica, el nivel sonoro aumenta aproximadamente 3 dB.

7. Decibelio Ponderado A (dBA)

El oído humano no percibe todas las frecuencias con la misma sensibilidad. El dBA es una unidad que ajusta la medición para reflejar esta característica.

• dBA: Unidad de nivel sonoro que incorpora una ponderación de frecuencia para simular la respuesta del oído humano a diferentes frecuencias a niveles de sonido bajos. Es un decibelio ponderado según la curva de igual sonoridad 'A'.

Las curvas isófonas (o curvas de igual sonoridad) se construyen uniendo los puntos que representan combinaciones de frecuencia y nivel de presión sonora que son percibidas con la misma sonoridad (volumen) por el oído humano.

8. Bandas de Frecuencia en Acústica

Para el análisis detallado del sonido, las frecuencias se agrupan en bandas específicas.

• Bandas de Frecuencia: Rangos de frecuencia definidos para el análisis de señales sonoras, donde el límite superior es el doble del límite inferior (para bandas de octava).
• Bandas de Octava: Bandas de frecuencia donde la frecuencia superior es el doble de la frecuencia inferior (f₂ = 2f₁). Se utilizan para un análisis espectral amplio.
• Bandas de Tercio de Octava: Bandas de frecuencia más estrechas, donde cada octava se divide en tres bandas. La relación entre la frecuencia superior e inferior es f₂ = f₁ * 2^1/3. Permiten un análisis espectral más detallado.

9. Tipos Comunes de Ruido

El ruido se clasifica según su distribución espectral.

• Ruido Blanco: Ruido que posee la misma densidad espectral de potencia en todas las frecuencias dentro de un ancho de banda dado, similar a la luz blanca que contiene todas las longitudes de onda.