Fundamentos del Sonido: Propiedades, Propagación y Medición Acústica

¿Qué es el Sonido?

El sonido es el fenómeno físico que se produce cuando las vibraciones de un cuerpo se transmiten a través de un medio (como el aire, agua o sólidos) en forma de ondas sonoras.

Magnitudes Físicas Asociadas al Sonido

• Amplitud (A): Valor instantáneo o máximo de la perturbación (ej. presión, desplazamiento) de la onda. Está directamente relacionada con la intensidad percibida del sonido.
• Periodo (T): Tiempo necesario para que se complete un ciclo completo de la onda sonora. Se mide en segundos (s).
• Fase: Indica la posición inicial de la onda en su ciclo en un instante de tiempo determinado, respecto a un punto de referencia.
• Frecuencia (f): Número de ciclos completos que la onda sonora realiza en un segundo. Se mide en Hertz (Hz). Está inversamente relacionada con el periodo. Fórmula: f = 1 / T.
• Espectro: Representación gráfica (generalmente amplitud vs. frecuencia) de las diferentes componentes frecuenciales que constituyen una señal sonora.

Tipos de Sonido

• Tono puro: Sonido muy simple caracterizado por tener una única frecuencia constante (onda sinusoidal).
• Sonido armónico: Sonido complejo compuesto por una frecuencia fundamental (la más baja, que define el tono percibido) y uno o varios armónicos (frecuencias que son múltiplos enteros de la fundamental). La presencia e intensidad relativa de los armónicos define el timbre.
• Sonido complejo y Ruido: Sonidos formados por la superposición de múltiples (a menudo consideradas infinitas) frecuencias. El ruido se caracteriza por una estructura frecuencial no armónica y a menudo aperiódica.

Tipos de Ruido

El ruido se puede clasificar según su variación temporal:

• Continuo o constante: El nivel de presión sonora es prácticamente invariable a lo largo del tiempo (ej. ruido de un ventilador industrial).
• Fluctuante o variable: El nivel de presión sonora varía significativamente con el tiempo (ej. ruido del tráfico vehicular).
• Impulsivo: Sonido de muy corta duración y alta intensidad, con un rápido aumento y descenso del nivel sonoro (ej. golpe de martillo, disparo).

Espectro Audible Humano

Es el conjunto o rango de frecuencias que el oído humano es capaz de percibir. Generalmente se considera que abarca desde los 20 Hz (sonidos muy graves) hasta los 20.000 Hz (o 20 kHz, sonidos muy agudos). Este rango puede variar entre individuos y tiende a reducirse con la edad, especialmente en las altas frecuencias.

Cualidades Subjetivas del Sonido

Son las características que percibimos del sonido:

• Tono (o altura): Cualidad que nos permite distinguir entre sonidos graves (baja frecuencia) y agudos (alta frecuencia). Está determinado principalmente por la frecuencia fundamental de la onda sonora.
• Timbre: Cualidad que permite diferenciar dos sonidos que tienen el mismo tono e intensidad, pero que han sido emitidos por fuentes sonoras distintas (ej. la misma nota musical tocada por un violín y una flauta). Está determinado por la composición espectral del sonido, es decir, por la presencia e intensidad relativa de los armónicos (o la ausencia de estos).
• Intensidad (o sonoridad): Cualidad que nos permite distinguir entre sonidos fuertes y débiles. Está relacionada principalmente con la amplitud de la onda sonora (y por tanto, con la presión sonora).
• Duración: Cualidad que nos permite distinguir entre sonidos largos y cortos. Está determinada por el tiempo durante el cual persiste la vibración de la onda sonora (ej. sonidos continuos o impulsivos).

El Decibelio (dB) en Acústica

El decibelio es una unidad logarítmica utilizada ampliamente en acústica para expresar niveles de presión sonora, potencia sonora o intensidad sonora.

Ventajas de usar Decibelios:

• Permite manejar un rango extremadamente amplio de presiones sonoras (desde el umbral de audición hasta el umbral de dolor) utilizando cantidades numéricas más sencillas y manejables.
• Se correlaciona mejor con la respuesta perceptual no lineal del oído humano a la intensidad del sonido.
• Referencia estándar: El umbral de audición (la mínima presión sonora que un oído humano sano puede detectar) se establece convencionalmente en 0 dB, lo que corresponde a una presión sonora de referencia de 20 micropascales (µPa) en el aire. El umbral de dolor se sitúa alrededor de los 120 dB (20 Pa).

Suma de Niveles Sonoros (dB):

Debido a su naturaleza logarítmica, los niveles sonoros en decibelios no se pueden sumar aritméticamente de forma directa.

• Fuentes con niveles iguales (L1 = L2): Si se suman dos fuentes de sonido incoherentes con el mismo nivel sonoro, el nivel total resultante es 3 dB superior al nivel de una sola fuente (L_total = L1 + 3 dB).
• Fuentes con niveles diferentes: Para sumar los niveles sonoros (L1, L2, ... Ln) de varias fuentes incoherentes, se utiliza la siguiente fórmula basada en la suma de intensidades o potencias:
  Ltotal = 10 * log10(10L1/10 + 10L2/10 + ... + 10Ln/10)

Métodos de Propagación del Sonido

Cuando una onda sonora se propaga y encuentra cambios en el medio u obstáculos, pueden ocurrir varios fenómenos físicos:

• Reflexión: La onda sonora incide sobre una superficie y "rebota", cambiando su dirección de propagación. En una superficie lisa, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
• Absorción: Parte de la energía de la onda sonora es disipada por el material sobre el que incide, generalmente transformándose en calor. Los materiales porosos y blandos suelen ser buenos absorbentes acústicos.
• Refracción: La onda sonora pasa de un medio a otro con diferente velocidad de propagación (ej. del aire al agua, o entre capas de aire a diferente temperatura), lo que provoca un cambio en su dirección de propagación.
• Difracción: Fenómeno por el cual la onda sonora tiene la capacidad de rodear obstáculos o de propagarse a través de pequeñas aberturas, permitiendo que el sonido "doble esquinas".

Fenómenos Acústicos Asociados

• Persistencia acústica: Se refiere a cómo percibimos los sonidos reflejados que llegan a nuestro oído con cierto retardo respecto al sonido directo.
  • Reverberación: Ocurre cuando las reflexiones llegan al oyente con retardos muy cortos (típicamente inferiores a unos 50-100 milisegundos) respecto al sonido directo. El oído no las percibe como sonidos separados, sino como una prolongación o "cola" del sonido original. Es característica de los espacios cerrados.
  • Eco: Se produce cuando el retardo entre el sonido directo y una reflexión es suficientemente grande (generalmente superior a 100 ms) como para que el oído los perciba como dos sonidos distintos y separados en el tiempo.
• Enmascaramiento: Fenómeno psicoacústico por el cual la presencia de un sonido (el enmascarante) dificulta o impide la percepción de otro sonido (el enmascarado) que ocurre simultáneamente. El enmascaramiento es más efectivo cuando el sonido enmascarante es de mayor intensidad y tiene frecuencias cercanas a las del sonido enmascarado.
• Efecto Haas (o Efecto de Precedencia): Fenómeno psicoacústico relacionado con la localización del sonido. Cuando un sonido llega al oyente desde múltiples fuentes (o por reflexiones) con retardos muy cortos (inferiores a unos 50 ms), el cerebro tiende a percibir la localización de la fuente basándose únicamente en la dirección del primer sonido que llega (el sonido precedente), incluso si los sonidos posteriores son ligeramente más intensos.

Instrumentos de Medición Acústica

• Calibrador acústico: Dispositivo portátil que genera un tono puro de nivel de presión sonora y frecuencia conocidos y estables (ej. 94 dB o 114 dB a 1 kHz). Se utiliza para verificar y ajustar la sensibilidad (calibrar) de los sonómetros y dosímetros antes y después de cada medición.
• Sonómetro: Es el instrumento fundamental para medir objetivamente los niveles de presión sonora (expresados en dB). Puede incluir diferentes ponderaciones frecuenciales (A, C, Z) y temporales (Fast, Slow, Impulse).
• Dosímetro de ruido: Es un pequeño sonómetro integrador personal, diseñado para ser llevado por un trabajador durante su jornada laboral. Mide y registra la exposición acumulada al ruido a lo largo del tiempo, proporcionando métricas como el nivel diario equivalente (L_Aeq,d).
• Analizador de espectros (o Analizador de frecuencias): Instrumento que mide el nivel de presión sonora en diferentes bandas de frecuencia contiguas (generalmente bandas de octava o de tercio de octava). Permite conocer la distribución de la energía sonora en función de la frecuencia, lo cual es crucial para identificar fuentes de ruido y diseñar soluciones de control.

Análisis de Frecuencias: Bandas Normalizadas

Para el análisis espectral del sonido, el espectro audible se divide comúnmente en bandas de frecuencia normalizadas internacionalmente.

• Ancho de banda (BW): Es la diferencia entre la frecuencia superior (Fs) y la frecuencia inferior (Fi) que delimitan una banda. Fórmula: BW = Fs - Fi.
• Frecuencia central (Fc): Es la frecuencia nominal que representa a la banda. Se calcula como la media geométrica de las frecuencias límite superior e inferior. Fórmula: Fc = √(Fs * Fi).
• Banda de octava: Es una banda de frecuencia en la que la frecuencia superior es exactamente el doble de la frecuencia inferior. Fórmula: Fs = 2 * Fi. Las frecuencias centrales normalizadas son, por ejemplo: 31.5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 16 kHz.
• Banda de tercio de octava: Proporciona un análisis más detallado que las bandas de octava. Cada banda de octava se divide en tres bandas de tercio de octava. La relación entre la frecuencia superior y la inferior es la raíz cúbica de dos. Fórmula: Fs = Fi * 21/3 (aproximadamente Fs ≈ 1.26 * Fi).