Conceptos Fundamentales de Acústica: Ondas, Medición y Cualidades del Sonido

Fundamentos del Sonido y la Propagación Ondulatoria

Definición de Sonido

El Sonido es la transmisión de una onda que produce una vibración en un cuerpo. El sonido audible es aquel que genera variaciones en el medio que, a su vez, producen una presión en el oído humano, abarcando el rango de 20 Hz a 20 KHz.

Tipos de Ondas Sonoras

Las ondas sonoras se clasifican según la dirección del movimiento de las partículas respecto a la dirección de propagación:

• Ondas Longitudinales: El movimiento de las partículas es paralelo a la dirección de propagación.
• Ondas Transversales: El movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación.

Parámetros de la Onda Sonora

Amplitud de la Onda Sonora

La amplitud describe el valor que alcanza la señal sonora en diferentes puntos de su ciclo:

• Amplitud: Valor que alcanza la señal en un instante de tiempo determinado.
• Valor Instantáneo: Valor de la amplitud en un determinado instante de tiempo.
• Valor Máximo: El máximo valor medido sobre el eje que alcanza la señal sonora.
• Valor Mínimo: El mínimo valor medido sobre el eje que alcanza la señal sonora.
• Valor Pico a Pico: La diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo.
• Valor Medio: El promedio de un ciclo de señal.
• Valor Eficaz (Valor RMS): Produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continua.

Frecuencia y Fase

Estos parámetros definen la periodicidad y el estado de la onda:

• Ciclo: Una oscilación completa de la onda.
• Frecuencia: Número de ciclos por unidad de tiempo.
• Fase: Posición de la onda en un instante dado de su ciclo.

Señales Complejas y Espectro

El audio se considera una señal no periódica. Toda señal ondulatoria puede ser representada como una suma de señales sinusoidales con una amplitud, frecuencia y fase definidas. Esta descomposición permite estudiar las distintas componentes de frecuencia de forma independiente y combinar los resultados mediante el Principio de Superposición.

• Espectro de Frecuencias: Distribución de la energía de la señal a lo largo de las distintas componentes de frecuencia que la componen.

Medición Acústica y Unidades

h4>Potencia Acústica (W)

La Potencia Acústica ($W$) es la cantidad de energía radiada al medio por una fuente por unidad de tiempo, medida en Vatios (W).

Nivel de Potencia Acústica ($L_w$):

$$L_w = 10 \log (W_1/W_0)$$

Velocidad del Sonido ($V_{sonido}$)

La velocidad del sonido en el aire depende de la temperatura ($T$):

$$V_{aire} = 331.5 + 0.6T$$

La longitud de onda ($\lambda$) se relaciona con la velocidad y la frecuencia ($f$):

$$\lambda = V_{sonido}/f$$

Intensidad Sonora ($I$)

La Intensidad Sonora es la potencia acústica por unidad de superficie o área perpendicular a la dirección de propagación.

$$I = P_{acústica}/A_{receptora}$$

Nivel de Intensidad Acústica ($\beta$):

$$\beta = 10 \log (I_1/I_0)$$

Instrumentación y Ponderación

El Sonómetro

El Sonómetro es un dispositivo de medida utilizado para cuantificar de manera objetiva el nivel de presión sonora.

Curvas de Ponderación en Frecuencia

Estas curvas aproximan la respuesta de los analizadores acústicos y sonómetros a la respuesta del oído humano:

• Curva A: Mide la respuesta del oído ante intensidades bajas. Es la más utilizada.
• Curva B: Valora la respuesta del oído ante intensidades medianas.
• Curva C: Mide la respuesta del oído ante intensidades elevadas.
• Curva D: Utilizada específicamente para el estudio del nivel de ruido provocado por aviones.

Ponderación Temporal

Modifica el tiempo de exposición durante el cual se realiza la medida. Las escalas principales son:

• Lento (Slow): Promedio del nivel de presión sonora durante 1 segundo.
• Rápido (Fast): Constante de tiempo de 125 milisegundos (ms).

Cualidades del Sonido y Percepción

Cualidades Primarias

Las cuatro cualidades principales del sonido son: Intensidad, Tono, Timbre y Duración.

Tono

El tono se relaciona con la frecuencia fundamental. Un tono puro es una senoide simple. Los sonidos que no son senoides puras se denominan complejos y se pueden descomponer mediante el análisis de Fourier en diferentes armónicos (múltiplos de la frecuencia fundamental). Los sonidos complejos son generados por varias fuentes o instrumentos.

Timbre

El Timbre es la cualidad que permite distinguir dos fuentes de sonido con la misma frecuencia fundamental y amplitud. Está determinado por los armónicos que se suman a la frecuencia fundamental del sonido.

Unidades de Percepción

• Decibelio (dB): Unidad de medida adimensional referida a un nivel de referencia.
• Fonio: Unidad utilizada para medir la sonoridad con la que el oído humano percibe los sonidos. Emplea un tono puro de 100 Hz e intensidad equivalente al umbral absoluto.

Espacialidad del Sonido

Monofonía y Estereofonía

Estos sistemas definen la apreciación de la espacialidad del sonido:

• Monofonía (Sistemas Monofónicos): Técnicas que emplean un único canal y no permiten la apreciación de la espacialidad de las fuentes de sonido.
• Estereofonía (Sistemas Estereofónicos): Técnicas que emplean dos o más canales y sí permiten la apreciación de la espacialidad.