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Sonido
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Introducción
El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de medios elásticos materiales como pueden ser el aire, el agua, etc. Lo produce un objeto vibrante que cede su movimiento a estos materiales, y se desplaza a través de el.
Al incidir la vibración sonora en el tímpano del oído, este vibrará aproximadamente a la misma frecuencia que la del objeto que produce la vibración. Produciéndose así la sensación auditiva.
El sonido se considera como una variación que se produce con una determinada rapidez o frecuencia sobre la presión atmosférica estática del aíre que puede ser percibida por el oído humano.
1.0 Magnitudes del sonido
A. Presión sonora
Son las variaciones de presión producida por una onda sonora, ejerciendo una fuerza sobre cada centímetro de superficie.
El nivel de presión sonora (SPL, Sound Presure Level) se utiliza para expresar el nivel de un sonido.
La referencia para estas medidas es 2 · 10-5 Newton/m2 que es la presión acústica mínima capaz de producir sensación auditiva.
Donde: P: presión sonora en Newton/m 2 ó pascal. Pref: 2 · 10 -5 Newton/m 2 ó pascal. B. Potencia sonoraEl nivel de potencia sonora (NWS, en inglés PWL) no debe confundirse con el nivel de presión sonora, puesto que mientras en el SPL se relacionan presiones en pascal, en el NWS se relacionan potencias en vatios. Debido a que el margen de potencias (no presiones), que se encuentran en la vida diaria, están en la proporción 10/1, la unidad de medida más cómoda es igualmente el decibelio. La referencia para estas medidas es de 10 -12 vatios. La fórmula de cálculo para el nivel de potencia sonora será pues:
Donde: W es la potencia acústica en vatios. Dado que 10 -12 vatios corresponde a un nivel de –120 dB, la formula anterior se puede expresar por:
Así, por ejemplo, 0,05 vatios corresponden a un nivel de potencia de:
1.1 Aumento en el nivel de presión sonora
El aumento en el nivel de presión sonora es la relación por cociente entre la potencia de entrada suministrada a cierto altavoz y una potencia de referencia o múltiplo de ella, estando afectada esta relación por el operador logarítmico y multiplicada por 10.
Donde: Pref: Potencia de referencia (en caso de los altavoces se toma generalmente como 1 W). P: Potencia eléctrica de entrada suministrada (W). Hagamos el siguiente cálculo a modo de ilustración: Una potencia eléctrica de 1 vatio es suministrada a un altavoz y el nivel de presión sonora resultó ser de 90 dB a 1 metro de distancia. La variación del nivel sonoro en función de la potencia eléctrica con respecto a una potencia eléctrica de referencia (generalmente 1W), viene dada por la fórmula:
No: Nivel sonoro medido a la potencia Pref.
Nota: "Nuestro oído sólo es sensible a variaciones que equivalgan a la mitad o al doble del nivel de potencia sonora inicial. Este nivel de sensibilidad corresponde a una variación equivalente a 3 dB. Cada vez que queramos elevar el nivel de potencia sonoro emitido por una fuente de sonido, el nivel de potencia acústica inicial debe ser aumentado en 3 dB, lo que obliga a multiplicar por dos la potencia de la fuente".¿Cuáles serán los valores de nivel de presión sonora cuando se suministran al altavoz 2 W y 4 W de potencia de entrada?
- Para el caso de 2 W de entrada:
- Para el caso de 4 W de entrada:
El nivel de presión sonora será:
- Cuando la potencia eléctrica de entrada es de 2W:
SPL(2w) = 90 + 3 = 93 dB
- Cuando la potencia eléctrica de entrada es de 4W:
SPL(4w) = 90 + 6 dl3 = 96 dB
Nota: "El nivel de presión sonora que se da en las especificaciones de altavoces en los catálogos es el nivel correspondiente a una potencia de entrada de 1 W medido a 1 metro de distancia sobre el eje principal".
Ejercicios:a) Con respecto a cierto altavoz, se describe en el catálogo que su sensibilidad es de 100 dB y la potencia nominal es de 10 w. Calcula el valor de SPL a la potencia nominal (a 1 metro de distancia).
SPL(10w) = 100 dB + 10 log ( 10 / 1 ) = 110 dB
El SPL de 100 dB en catálogo hace referencia al SPL a 1 W a 1 metro, luego al alcanzar la potencia nominal del altavoz (10 W), el SPL nos habrá aumentado a 110 dB. b) Un altavoz, describe en su catálogo una sensibilidad de 90 dB. ¿Qué potencia eléctrica habría que suministrar a dicho altavoz para obtener 100 dB (a 1 metro de distancia).
100 = SPL(1w/1m) + 10 log (P / 1) = 90+10 log P
P =10 W
1.2 Atenuación del nivel de presión sonora
Cuando un sonido es emitido desde una fuente de sonido (fuente de sonido puntual) el sonido se esparce sobre un espacio en forma de esfera, por lo que el nivel de presión sonora será inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En otras palabras, cada vez que se duplica la distancia el nivel de presión sonora es atenuado en 6 dB. Las variaciones relativas están mostradas en la figura (para un espacio libre de interferencias):
Para los cálculos, la relación entre una cierta distancia cualquiera y distancia tomada como referencia, afectada esta relación por el operador logarítmico multiplicado por 20 da por resultado la atenuación del nivel de presión sonora.
Donde: Dref: Distancia tomada como referencia (generalmente 1 metro para el caso de los altavoces). D: Distancia a la cual se quiere calcular la atenuación. Un ejemplo de cálculo se muestra a continuación: ¿Cuál será la atenuación en dB del nivel de presión sonora a una distancia de 10m y 20 m respectivamente de un cierto altavoz?
- En el caso de una distancia de 10 metros:
SPL(10m) = 20 log (10 /1) = 20 log 10 = 20 x 1 = 20 dB
- En el caso de una distancia de 20 metros:
SPL(20m) = 20 log (20 /1) = 20 log 20 = 20 x 1.301 = 26.02 dB
Suponiendo que el nivel de presión sonora de salida (1w /1 m) de un cierto altavoz es de 90 dB, los niveles de presión sonora a las distancias de 10 y 20 m serán:
- Nivel de presión sonora a 10 metros de distancia:
SPL(10m) = 90 - 20 = 70 dB
- Nivel de presión sonora a 20 metros de distancia:
SPL(20m) = 90 - 26 = 64 dB
Ejercicios:a) El nivel de presión sonora de cierto altavoz es de 90 dB a 1 metro de distancia. ¿Qué nivel de presión sonora se obtendrá a 25 metros de distancia?
SPL(25m) = 90 - 20 log (25/1) = 62 dB
b) A 100 metros de distancia de cierto altavoz fue medido un nivel de presión sonora de 80 dB. ¿Qué nivel de presión sonora será medido a 1 metro de distancia del altavoz? Nivel presión = nivel a 100m + atenuación distancia
SPL(1m) = SPL (a 100m) + 20 log( 100 /1) = 80 + 20 log 100 = 120dB
A. Velocidad del sonido y longitud de ondaLa velocidad de propagación del sonido depende de la temperatura. Siendo el medio de propagación el aire: 0º C = 331 m/s; 20º C = 343 m/s. Se considera como valor estándar para los cálculos 340 m/s. La longitud de onda (λ), se define como la distancia entre dos valores máximos o mínimos sucesivos tomada en metros.
 
Donde v = velocidad del sonido y T = periodo. B. Frecuencia del sonido
La frecuencia es el número de ciclos que se repite en un segundo (F) medida en herzios (Hz). Al tiempo que tarda en repetirse una oscilación se le llama periodo (T) medida en segundos.
La relación entre la frecuencia, el periodo, la longitud de onda y la velocidad de propagación es la siguiente:
C. El tono
Es la cualidad de los sonidos que permite distinguir entre las diferentes frecuencias (graves, medios y agudos). El tono de un sonido queda determinado por la frecuencia. D. El timbre
Es la característica que permite diferenciar un sonido de un mismo tono pero de naturaleza diferente. Depende del número de armónicos y de la intensidad de ellos que acompañan a un sonido fundamental. F. Los armónicos
Son ondas que acompañan a la frecuencia fundamental siendo sus frecuencias múltiplos de esta. 1.4 Fisiología del oídoAl grupo de frecuencias que pueden ser captadas por el oído humano se denomina ancho de banda audible y, aunque depende de cada persona (ya que se ve alterado por la edad, la capacidad física y determinadas enfermedades), se encuentra siempre dentro del margen comprendido entre 20 Hz y 20 kHz. Dentro de este ancho de banda, nuestro sistema auditivo no responde por igual a todas las frecuencias, ya que los sonidos de tonos bajos se propagan con mayor facilidad y son más dañinos para el oído, a frecuentas bajas, el oído es menos sensible que a las frecuencias altas. La manera de representar gráficamente esto, es recurriendo a las curvas isofónicas.
1.5 Medidas de señales del sonidoSi se trata de evaluar una onda de sonido propagada por el aire, el instrumento en cuestión será un sonómetro que nos indica el nivel (en dB) de intensidad que recibe. A. Valor máximoSi visualizamos la señal en un osciloscopio, podríamos determinar el valor de amplitud de esta. El valor máximo o de pico, se mide desde el nivel 0 hasta el punto mas alto de la señal. B. Valor pico a picoDiferencia entre el valor máximo y el valor mínimo de la señal. Este valor será el doble del valor máximo. C. Valor eficazPara saber la cantidad de energía que lleva una señal, recurriremos a este valor. Este tipo de valor no podemos visualizarlo en el osciloscopio, pero si en un voltímetro electrónico. Este valor relaciona la señal alterna de referencia con otra sin variaciones e indica el nivel que tendría la señal en caso de ser continua. (RMS)
Vef = 0,707 · Vmax 
Es primordial saber como trabaja un sistema acústico a determinadas frecuencias, para ello se emplean las medidas de respuesta en frecuencia, que nos indican el nivel de señal que obtendremos en la salida de un equipo o sistema para cada frecuencia comprendida entre 20Hz y 20kHz. Junto a esta característica aparece el concepto de ancho de banda, que es el margen de frecuencias para el que un equipo puede trabajar aceptablemente.
F. DistorsiónLlamamos distorsión a cualquier variación que se produzca en la forma de la señal de salida de un equipo respecto a la que se aplicó a su entrada G. ImpedanciaDefinimos este parámetro como la oposición que presenta un elemento al paso de la corriente eléctrica. Se reconoce por la letra Z y se mide en ohmios (Ω). Tendremos en cuenta:
- Que la impedancia del equipo fuente de la señal sea la misma que la impedancia del equipo que la recibe para conseguir la máxima transferencia de potencia.
- Que la impedancia del equipo receptor sea muy superior a la del equipo que genera emisor. La corriente absorbida por el equipo receptor será muy pequeña.
H. Relación señal/ruido (S/N, Signal/Noise )Es la relación que existe entre los niveles de la señal útil y el ruido de fondo. Cuanto mayor sea este valor menos ruido tendremos.
I. DiafoníaAl efecto de mezclarse la información de un canal con otros se conoce como diafonía. 1.6 Efecto enmascaramientoDecimos que un sonido esta enmascarado, cuando otro le interfiere y evita que este primero sea inteligible. El sonido no desaparece, sino que queda oculto. En estas condiciones de audición, aparecen dos necesidades fundamentales: disminuir el ruido de fondo y aumentar el nivel sonoro de la fuente. Otros fenómenos tienen los mismos efectos y alteran nuestra capacidad para reconocer un mensaje: distorsiones, eco y reverberación, falta de nivel, etc. Para obtener una buena audición musical es necesario tener un a presión acústica de 10 dB por encima del ruido ambiental. 1.7 El EcoEl fenómeno del eco que todos conocemos es la reflexión única de un mensaje sonoro sobre una pared reflectante lejana. Se necesitan unas condiciones para que se produzca el eco, ya que el oído humano solo puede percibir dos sonidos como distintos cuando están separados por un tiempo superior a 0,1s. Por ello, entre el momento de emitir el sonido y el instante en que percibimos su reflejo o eco debe transcurrir, al menos, un tiempo de 0,1 s. 1.8 La ReverberaciónAl contrario que el eco, para decir que existe una reverberación, es necesario que el obstáculo en el que se reflejan las ondas sonoras este a menos de 17m, o que el tiempo entre emitir el sonido y el instante en recibirlo sea menor a de 0,1s.
1.9 RefracciónLa refracción no es más que el cambio de dirección de una onda sonora. Es el efecto que puede producirse al pasar la onda sonora de un medio de transmisión a otro.
1.10 DifracciónTendremos difracción o dispersión cuando un haz de ondas sonoras que se propaga por el espacio encuentra a su paso un obstáculo agujereado o un cuerpo aislado cuyas dimensiones son menores que la longitud de la onda incidente, rodeara el objeto, expandiéndose a su alrededor. Si la longitud de onda es del mismo tamaño que del obstáculo la difracción es parcial, produciéndose detrás de el una zona de sombra y si la longitud de ondas es mucho menor, la zona de sombra será mayor.
 
Autor: Luis Manuel Martín Martín y FjRamirez
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