Principios Fundamentales de Acústica: Propagación y Medición del Sonido

Conceptos Clave en Acústica y Propagación Sonora

A continuación, se detallan y explican diversos conceptos fundamentales relacionados con la acústica, la propagación del sonido y la medición de fenómenos sonoros.

8. Causas de Atenuación del Sonido al Propagarse por un Medio

La atenuación del sonido durante su propagación en un medio se debe principalmente a tres causas:

• Tamaño creciente del frente de onda: A medida que el sonido se propaga, la energía se distribuye sobre un área cada vez mayor, lo que reduce la intensidad sonora por unidad de área.
• Absorción: Casi todo material absorbe energía acústica, transformándola en calor. La cantidad de energía absorbida varía significativamente según el medio de propagación y las propiedades específicas del material.
• Dispersión: Dentro de la dirección de propagación, la energía sonora puede dispersarse debido a irregularidades o heterogeneidades en el medio. Este fenómeno depende tanto de las características del medio como de la frecuencia de la onda sonora.

9. Definición del Coeficiente de Reflexión de Intensidad

El coeficiente de reflexión de intensidad (R_i) se define como la relación entre la intensidad reflejada (I_r) y la intensidad incidente (I_i) de una onda sonora en una interfaz. Su expresión matemática es:

R_i = I_r / I_i

12. Medición en Campo Lejano: Distancia Requerida

Para medir el campo acústico en condiciones de campo lejano, debemos colocarnos a una distancia r de la fuente que cumpla la condición:

Kr >> 1

Donde K es el número de onda, definido como:

K = ω/c = 2πf/c

Aquí, ω es la frecuencia angular, c es la velocidad del sonido en el medio y f es la frecuencia de la onda. Esta condición asegura que las ondas se comporten como ondas planas y que la impedancia acústica sea puramente resistiva.

13. Campo Lejano y Campo Libre a 1 Metro de la Fuente

Si para obtener una determinada medida se especifica que debemos colocarnos a una distancia de 1 metro de la fuente, analizamos si estaremos en campo lejano o campo libre:

• Campo Libre: Para estar en campo libre, el entorno debe ser un espacio abierto sin reflexiones significativas o una cámara anecoica, diseñada específicamente para absorber el sonido y evitar reflexiones. La distancia de 1 metro por sí sola no garantiza el campo libre; depende del entorno.
• Campo Lejano: Para estar en campo lejano a una distancia r = 1 m, debería cumplirse la condición Kr >> 1. Esto implica que K >> 1, lo que a su vez significa que 2π/λ >> 1. Es decir, la longitud de onda (λ) del sonido debe ser significativamente menor que la distancia de medición (1 metro). Esto es crucial para que las ondas se consideren planas y la impedancia acústica sea constante.

14. Factor de Directividad Acústica: Expresión y Significado

El factor de directividad se utiliza para cuantificar la capacidad de una fuente sonora para concentrar la energía en una dirección específica. Cuando se expresa en unidades logarítmicas (nivel de directividad), se define como la relación entre la intensidad máxima (I_max) en el eje acústico y la intensidad (I_omni) que presentaría una fuente omnidireccional de la misma potencia a la misma distancia. Su expresión es:

Nivel de Directividad = 10 log₁₀(I_max / I_omni)

Este factor indica cuánto más intensa es la radiación en la dirección de máxima emisión en comparación con una fuente que irradia uniformemente en todas las direcciones.

15. Factores de la Intensidad Acústica en un Punto del Espacio

Para encontrar la intensidad acústica en un punto del espacio, se puede aplicar una fórmula que relaciona varios factores clave. Estos factores son:

• Intensidad de la fuente isotrópica: Representa la intensidad que tendría la fuente si irradiara uniformemente en todas las direcciones.
• Directividad: Es un factor que describe cómo la fuente concentra o distribuye la energía sonora en diferentes direcciones.
• Presión acústica ponderada: Aunque la intensidad se relaciona directamente con la presión y la velocidad de las partículas, la mención de "presión acústica ponderada" sugiere que la fórmula podría incorporar una medida de presión ajustada según alguna curva de ponderación (ej. A, B, C) para reflejar la percepción humana del sonido o condiciones específicas de medición.

16. Impedancia de Radiación de una Esfera Pulsante a Bajas Frecuencias (ka << 1)

La impedancia de radiación (Z_r = R_r + jX_r) de una esfera pulsante a frecuencias bajas, donde el producto ka (número de onda por radio de la esfera) es mucho menor que 1 (ka << 1), se caracteriza por los siguientes componentes:

• Resistencia de Radiación (R_r):
  R_r = 4π · a² · ρ₀ · c · (ka)²
• Reactancia de Radiación (X_r):
  X_r = 4π · a² · ρ₀ · c · (ka)

En este régimen de bajas frecuencias, se cumple que R_r << X_r. Esto indica que la impedancia es predominantemente reactiva pura, lo que es característico del campo cercano. Una fuente con una impedancia de radiación predominantemente reactiva a bajas frecuencias es un radiador poco eficiente, ya que gran parte de la energía se almacena en el campo cercano en lugar de ser irradiada.

17. Comportamiento de Fuentes Sonoras en un Plano Infinito

Cuando una fuente sonora se coloca en un plano infinito, ocurren los siguientes fenómenos:

• Si la fuente está pegada a un plano infinito (como una pared rígida), la onda reflejada está en fase con la onda directa. Como resultado, la presión acústica y la potencia radiada se duplican, y la intensidad sonora se cuadruplica en el hemisferio no bloqueado por el plano.
• Para que una pantalla o superficie se considere un plano infinito desde el punto de vista acústico, sus dimensiones deben ser significativamente mayores que la longitud de onda (λ) del sonido que se está propagando. Esto asegura que las reflexiones en los bordes sean despreciables y que la superficie actúe como un reflector ideal.

18. Clasificación de un Altavoz como Fuente Radiante según su Directividad

Un altavoz puede ser modelado como diferentes tipos de fuentes radiantes dependiendo del rango de frecuencia y su diseño, considerando su directividad:

• A frecuencias medias y altas: Un altavoz se modela comúnmente como un pistón circular plano. En este rango, la directividad del altavoz se vuelve más pronunciada, concentrando el sonido en un haz más estrecho a medida que aumenta la frecuencia.
• A bajas frecuencias: En el rango de bajas frecuencias, donde la longitud de onda es mucho mayor que las dimensiones del altavoz, este se puede simular como una fuente esférica pulsante. En este caso, la directividad es mínima y el altavoz tiende a irradiar el sonido de manera casi omnidireccional.