EL SONIDO – CAPÍTULO 5

Algunas propiedades del sonido, como veremos en este capítulo, están relacionadas con el modo especial de propagarse cuando encuentra obstáculos en su recorrido.

Las ondas sonoras, efectivamente, se comportan —reaccionan— de diferentes maneras cuando chocan contra las paredes y los objetos del lugar en el que se expanden. Es decir, el entorno en el que se mueven —con su mayor o menor complejidad— provoca interacciones y efectos sonoros diversos; éstos se acentúan en los espacios cerrados y los dotan de su “sonido” o “acústica” particular.

En definitiva y para lo que nos concierne, la acústica de la sala de grabación y de audición va a influir de manera notable el sonido —su percepción— y condicionará el resultado que finalmente obtendremos en nuestras producciones. Hemos de tenerlo en cuenta.

Además de tratar las propiedades acústicas más relevantes, se describen algunos conceptos y magnitudes relacionados con el sonido y su propagación que debemos conocer. [Al menos, que nos «suenen» un poco; saber a qué se refieren].

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PROPIEDADES ACÚSTICAS DEL SONIDO

Resonancia

Algunos cuerpos, normalmente objetos diseñados al efecto, tienen la capacidad de vibrar en un tono (frecuencia) o en un rango de tonos concretos. Si acercamos una fuente sonora que emita un tono dentro del rango en la que son capaces de vibrar, se pondrán a emitirla por simpatía, sumándose a la principal.

En esta propiedad se basan las cajas de resonancia de los instrumentos y gracias a ella se consigue aumentar la intensidad del sonido que producen.

Reflexión

La reflexión sucede cuando las ondas sonoras emitidas por una fuente sonora chocan contra una superficie (una pared, por ejemplo) y parte de su energía rebota, es devuelta.

El oyente percibe las ondas reflejadas sumadas al sonido principal, pero con un ligero retraso. No van ligadas a aquel, ni son producidas directamente por él; dependen del espacio donde nos encontremos, que les confiere su particular «atmósfera».

El eco y la reverberación son ejemplos típicos de reflexión del sonido.

Las reflexiones se diferencian, principalmente, por el período de tiempo en que ocurren y se perciben y, también, por su persistencia después de cesada la fuente emisora.

REFLEXIONES TEMPRANAS

Sonidos reflejados que son percibidos antes de que la fuente emisora deje de sonar y se perciben junto con esta como un único sonido prolongado.

Esto se produce porque dichas reflexiones suceden en un tiempo menor que el de la persistencia acústica propia del oído. Consideramos así a aquellos sonidos cuyo tiempo de reflexión es menor que ¹/₁₀ de segundo.

Se perciben con mayor intensidad en espacios cerrados de pequeño tamaño con superficies paralelas. (Ver Apéndices – Profundidad – 2. La reverberación).

ECO

Sonido reflejado cuyo tiempo de retraso —delay— permite que lo oigamos como independiente de la fuente emisora, es decir, se percibe separado y diferenciado. Es ese familiar efecto sonoro que se produce cuando “gritamos” a unas montañas.

No sucede en habitaciones o salas de pequeño y mediano tamaño: El eco implica un tiempo de reflexión mayor que ¹/₁₀ segundo, lo que significa que el sonido ha de recorrer una distancia superior a 17 m antes de alcanzar el obstáculo y rebotar. (Ver Apéndices – Profundidad – 1. El eco).

REBERVERACIÓN

Sonido reflejado que se percibe como sumado al original y como un reforzamiento más o menos persistente en el tiempo.  (Ver Apéndices – Profundidad – 2. La reverberación).

Es relativamente sencillo visualizar el concepto, basta con que imaginemos ese sonido característico propio de una iglesia o de un pabellón deportivo cuando están vacíos.

No es habitual en una estancia del tamaño de una sala de control o de grabación. (Pero puede darse en condiciones muy especiales).

ONDAS ESTACIONARIAS

Son reflexiones en las que, a diferencia de otras ondas reflejadas, como las tempranas o las reverberadas, tanto la onda original como la reflejada coinciden sobre el mismo eje.

Esto puede provocar efectos extraños e indeseables durante la grabación, que pueden llegar incluso a la casi anulación de la onda de la fuente sonora original. Se producen, en general, en ambientes cerrados con superficies paralelas.

LOS MODOS

A las diferentes formas de comportarse los rebotes en un espacio concreto, que dependen de su tamaño, materiales y complejidad, se les denomina modos. [¿Quién no ha percibido los modos típicos del cuarto de baño? ¿Y los de una iglesia?].

Los modos pueden afectar e influir de manera negativa en las diferentes etapas del proceso de producción musical:

• En la grabación, porque nos interesa recoger lo que emite la fuente sonora, sea una voz, un instrumento u otra cosa en un espacio concreto y controlado. Los rebotes indeseados producidos en un entorno no adecuado o no acondicionado pueden desvirtuar el material grabado y resultará inútil.
• En la mezcla, los modos de la sala de audición pueden provocar que se falseen algunas frecuencias —aumentándolas, disminuyéndolas, o incluso anulándolas— y engañarán al oído. El resultado será una ecualización desequilibrada.
• Al final, en la masterización, que “hereda” de la mezcla una ecualización seguramente descompensada, los defectos pueden incrementarse.

Apunte: Las frecuencias graves son las más propensas a producir modos indeseados (retumbes, sensación de acumulación sonora, saturación armónica, etc.).

Nuestro objetivo es eliminar los modos perjudiciales de la sala o, al menos, minimizar su influencia (algunos nos son útiles, como los de una iglesia o los de una sala de conciertos); esto justifica lo expuesto en los capítulos precedentes: proporción y diseño de la sala; uso de materiales absorbentes, paneles difusores, trampas de frecuencias, etc.

Difracción

Cuando una onda llega a un obstáculo y alcanza sus bordes, éstos actúan como re-emisores, en el sentido de que se generan nuevas ondas que parten de esos puntos; gracias a este fenómeno podemos oír, por ejemplo, incluso detrás del obstáculo.

Refracción

La refracción es un fenómeno que sucede cuando una onda llega una superficie de separación entre dos medios distintos y, a pesar de este obstáculo, parte de su energía logra atravesarla.

Esto ocasiona una desviación en la dirección de incidencia inicial debido a la diferente velocidad de propagación del sonido en cada medio (por ejemplo, entre el aire y el vidrio de una ventana) y produce cambios en el sonido percibido tras atravesarlo.

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MAGNITUDES

Intensidad acústica, intensidad sonora o intensidad del sonido

La intensidad es la cantidad de energía que transmite una fuente sonora por unidad de tiempo y superficie; es decir, la potencia acústica por unidad de superficie.

Expresión simple: I = W / S.

I: Intensidad.

W: Potencia acústica.

S: Superficie de incidencia.

La unidad de intensidad es el vatio por metro cuadrado (W/m²).

La superficie de incidencia se supone perpendicular a la dirección de propagación y, dado que el sonido se propaga tridimensionalmente, a una distancia determinada “x” (a cualquier distancia, en realidad), es esférica. Para calcular su superficie nos remitimos a la expresión matemática de la superficie de una esfera: 4 × ∏ × r².

La siguiente ilustración aclara y completa lo expuesto. [Creo…].

Factores que determinan la intensidad sonora

• La amplitud de onda. Ésta, consecuencia de la presión acústica ejercida por un movimiento vibratorio, es causa directa de la potencia sonora emitida.
• La superficie de la fuente emisora. Un altavoz de cono grande produce más energía que otro de cono más pequeño.
• La distancia (superficie) entre el oyente y la fuente sonora. Cada vez que la distancia aumenta el doble, la intensidad cae 1/4 (la presión cae 6 dB SPL).
• El medio en el que se propaga. En nuestro caso, el aire. (Pasamos del resto).

Potencia acústica o potencia sonora

Se define como la cantidad de energía —trabajo— emitida por una fuente sonora por unidad de tiempo. Es directamente proporcional a la amplitud de la onda emitida.

Expresión simple: W = T / t. (O, despejando la anterior, W = I × S).

W: Potencia acústica.

T: Trabajo (energía).

t: Tiempo que transcurre.

La unidad de potencia es el vatio, W.

Cada fuente tiene su potencia intrínseca, con independencia del lugar o espacio en el que se halle, por lo que es un parámetro que se suele utilizar para caracterizarla; así, decimos: “Este altavoz es de 300 W”. Es decir, nos proporcionará esos 300 W esté donde esté ubicado.

Normalmente, más que conocer el valor de la potencia acústica inherente a la fuente emisora, es más interesante cuantificar el denominado nivel de potencia acústica (SWL) en un punto situado a una distancia concreta (ver más adelante).

A veces se confunden ambos conceptos (potencia acústica y nivel de potencia acústica). Sin entrar en más detalles, es necesario tener claro que no son iguales.

Esta magnitud está íntimamente relacionada con la presión acústica o presión sonora que se describe a continuación.

Presión acústica o presión sonora

Los cuerpos al vibrar producen variaciones de presión en el aire que los rodea que se transmiten en forma de ondas sonoras que excitan al oído cuando lo alcanzan. Esta presión determina la amplitud de la onda, que, a su vez, recordemos, confiere la potencia sonora de la fuente.

La presión acústica se define como la diferencia entre la presión instantánea en un punto (como consecuencia de la llegada de la vibración) y la presión ambiental estática o fija para ese mismo punto (la situación justo antes de su llegada).

En general, es más útil determinar cuál es el nivel de presión acústica (SPL) en un punto situado a una distancia concreta de la fuente emisora (ver más adelante).

La unidad de medida es el microbar (μBar) (millonésima parte del ‘bar’, unidad de presión atmosférica); también, es común el uso del pascal (Pa), siendo su relación:

1Pa = 1Nw/m² = 10 dinas/cm² = 10μBar.

El decibelio (db)

El decibelio es una unidad relativa que se emplea en diversas disciplinas, la acústica entre ellas, para expresar la relación entre dos valores de una magnitud:

• El valor o medida objetivo o de interés, que estamos evaluando (M₁).
• Un valor de referencia, de carácter convencional, con la que se relaciona (M₀).

Expresión genérica: L_M = 10 × Log₁₀ (M₁/ M₀).

La unidad, logarítmica y adimensional, es el ‘Bel’; aunque, normalmente, suele expresarse en decibelios (dB), es decir, 1/10 Bel.

La utilización del decibelio proporciona una perspectiva humanizada sobre una magnitud acústica porque se aproxima más al modo en cómo es percibida. Como la psicofisiología dice: la magnitud de una sensación es proporcional al logaritmo del estímulo. Normalmente, se emplea un coeficiente multiplicador (10 ó 20) para obtener valores más significativos (como se puede observar en la fórmula anterior y en las que veremos).

Nivel de intensidad sonora

El umbral de audición

Cada sonido necesita una intensidad —energía— mínima para que provoque una sensación auditiva en la persona. Es lo que se llama umbral de audición.

Así, el límite inferior medio de audibilidad para el hombre, I₀, para un sonido de referencia de frecuencia de 1 KHz, es de 20μPa de presión acústica o 10^-12 W/m² de potencia acústica (que equivale a 20 × 10^-5 dinas/cm² o 2 × 10^-4 dinas/cm²). Equivale a 0 dB.

Observación: El oído es más sensible a las variaciones de tono que a las de presión (intensidad, en definitiva). Entorno a los 2.500 Hz (2,5 kHz) se perciben mejor las variaciones de intensidad. (Ver las Curvas isofónicas en el título “Nivel de sonoridad”).

EL NIVEL DE INTENSIDAD SONORA

El nivel de intensidad mide la relación entre la intensidad de un sonido, I₁, y la intensidad mínima que el oído es capaz de percibir o umbral de audición, I₀.

Expresión: L_I = 10 × Log₁₀ (I₁/ I₀).

L_I: nivel de intensidad.

I₁: Intensidad puntual de un sonido objeto de estudio.

I₀: Intensidad de referencia o umbral de audición (10^-12 W/m²).

La unidad de nivel de intensidad es el decibelio (dB).

Relación de equivalencia

Se puede establecer la siguiente relación entre el nivel de intensidad acústica y el nivel de presión sonora (que veremos más adelante),

L_I = 10 × Log₁₀ (I₁/I₀) = 20 × Log₁₀ (P₁/P₀) = L_P

Curiosidades

Imaginemos un valor de I = 1 W/m². El nivel de intensidad L_I será: 10 × Log₁₀ (1/10^-12) = 10 × Log₁₀ 10¹²= 120 dB. Este valor marca, según las escalas de nivel de intensidad, el umbral del dolor, es decir, produce una sensación dolorosa al oyente.

Para excitar al oído y percibir un sonido de 20 Hz son necesarios unos 100 dB; es decir, próximo al umbral del dolor. (Ver las Curvas isofónicas en el título “Nivel de sonoridad”).

Nivel de potencia acústica (SWL, Sound Watt Level)

El nivel de potencia acústica cuantifica lo que comúnmente llamamos volumen. Se expresa como 10 veces el logaritmo de una fuente sonora en relación con una fuente de un picovatio, 1pW (10^-12 W), que se toma como referencia (umbral de audición).

Expresión: L_W = 10 × Log₁₀ (W₁/W₀).

L_W: nivel de potencia sonora.

W₁: potencia acústica objeto de estudio, en W.

W₀: potencia acústica de referencia (10^-12 W ó 1pW).

La unidad es el decibelio SWL (dB SWL).

Nivel de presión sonora (SPL, Sound Presure Level)

El nivel de presión sonora (SPL, Sound Presure Level) se define como 20 veces el logaritmo de la relación entre la presión sonora y la presión de referencia correspondiente al umbral de presión auditiva (20 μPa = 2 × 10^-5 Pa = 2 × 10^-5 N/m²).

Expresión: L_P = 20 × Log₁₀ (P₁/P₀).

L_P: nivel de presión sonora, en dB SPL.

P₁: presión acústica eficaz, en Pa. Se corresponde con la media cuadrática de la presión sonora instantánea.

P₀: presión acústica eficaz de referencia (20 μPa).

En la práctica se utiliza un aparato de medición específico (sonómetro) que mide el nivel de presión acústica tomando como referencia una potencia de 1 W aplicada al altavoz.

La unidad de medida utilizada es el decibelio SPL (dB SPL).

Relación de equivalencia

Además de la relación mostrada en el título anterior entre el nivel de intensidad acústica y el nivel de presión sonora, también se ha convenido la siguiente relación de identidad entre el nivel de presión sonora y la presión sonora:

 94 dB SPL ≡ 1 Pa

Es decir, si aplicamos una presión sonora de un pascal obtenemos exactamente un nivel de presión sonora de 94 dB SPL.

Curiosidades

El oído humano es capaz de captar variaciones muy pequeñas de presión estática y, no obstante, no saturarse con valores muy elevados de la misma.

Que la presión se comporte como una función logarítmica implica, por ejemplo, que si reducimos la presión eficaz a la mitad, la sensación que percibiremos será que se ha reducido mucho menos de la mitad.

Sonoridad

La sonoridad es una medida subjetiva de la intensidad de los sonidos —su percepción— que permite al oyente ordenarlos en más o menos fuertes. No ofrece una medida física directa sino por comparación de dos sonidos con niveles de intensidad conocidos.

La sonoridad depende fundamentalmente del nivel de presión sonora del estímulo y de su frecuencia; también, en menor medida, de su duración y complejidad.

UNIDADES DE MEDIDA

Son

Medida de referencia que equivale a un sonido de 1000 Hz con un nivel de presión sonora de 40 dB.

Fon o Fonio

Medida de referencia que equivale a un sonido de 1000 Hz con un nivel de presión acústica de 20 μPa. Se ha establecido la siguiente equivalencia: 0 dB = 0 fon.

Notas:

Ambas son magnitudes relativas. Es decir, permiten comparar entre dos sonidos dados y establecer cuál suena —se percibe— más fuerte para, así, poder ordenar los sonidos en una escala de mayor a menor intensidad o al revés. Tomadas como única referencia no sirven para comparar sonidos diferentes sino los de un mismo sonido.

Dada su subjetividad, la escala de sonoridad se ha establecido bajo la premisa de que un sonido con una sonoridad de 2 sones tiene el doble de sonoridad que el sonido de referencia de 1 son (40 dB). En tal supuesto, un cambio de 10 dB en el nivel de presión sonora equivale, aproximadamente, a doblar la sonoridad.

CURVAS ISOFONICAS

El nivel de sonoridad, como hemos visto, mide algo tan subjetivo —por tanto, humano y complejo— como la percepción del sonido.

Sea para facilitar su comprensión, sea por razones prácticas, para el estudio del nivel de sonoridad de un sonido se ha recurrido a la representación gráfica del resultado de las mediciones efectuadas para un sonido de referencia concreto a lo largo del espectro de frecuencias audibles y muestra las curvas que recogen valores de igual sonoridad.

Estas curvas isofónicas, en resumen, representan para un nivel de intensidad sonora determinado (X fonios) aquellos puntos que para las distintas frecuencias con que se emite un sonido lo oímos —percibimos— como si tuvieran el mismo “volumen”.

Se han realizado diferentes test de medidas en distintos momentos, siendo los más destacados los que ha dado lugar a las curvas de Fletcher y Munson (1933), las curvas de Robinson y Dadson (1956), las curvas isofónicas ISO 226:2003 (2003).

Premisas:

• El nivel de referencia corresponde a la emisión de un sonido sinusoidal de frecuencia 1 Khz y una amplitud de 20μPa (o 10^-12 W/m²), que equivale a 0 fonios de sonoridad o 0 dB de intensidad de sonido. (Marcado con un punto verde en el gráfico anterior).
• El resultado de la medición es diferente según el método y la precisión de los aparatos de medida empleados. Las curvas más recientes (las del estándar ISO 2003) presentan pendientes mucho más acusadas en las frecuencias graves que las otras (más antiguas).

Aplicaciones:

• En la música, como referencia para realizar una ecualización “equilibrada”, en especial en los directos, ya que a vista del gráfico podemos deducir que:
  • En una sala pequeña y una audiencia reducida en la que necesitamos poco volumen deberemos realzar los graves para que se perciban mejor.
  • En cambio, en un recinto amplio con mucho público en el que necesitaremos bastante potencia apenas será necesario (se percibirán suficientemente).
• En ámbito del análisis y procesamiento del lenguaje permite que el lingüista o el programador sepan cómo nos va a entender mejor un asistente por voz o una IA, según la intensidad y la frecuencia que empleemos (que, en este caso, es el rango de frecuencias de la voz humana).

Parece complicado, ¡pero no lo es en absoluto! Basta un solo ejemplo para aclararlo:

• Digamos que me interesa que un sonido se escuche —perciba— con una sonoridad de 40 fones.
• Localizo la curva que representa esa sonoridad y busco el volumen que tendría que aplicar a una frecuencia concreta para que sea percibido a ese nivel.
• Por ejemplo, si el sonido es grave, digamos 100 Hz, deberíamos aplicarle unos 60 dB, como se deduce del gráfico anterior (ver los puntos rojos).

Observaciones:

Solo por curiosidad, si nos fijamos en las escalas de los títulos que constan en los ejes del gráfico, podemos deducir la siguiente relación entre dB y W/m²:

Por cada 20 dB que subimos en la escala (izquierda) el nivel de presión acústica en W/m² (derecha) se multiplica por 100.

Impedancia acústica

La impedancia acústica, por analogía con la impedancia eléctrica, es la resistencia que opone un medio determinado a la propagación de las ondas sonoras a través de éste.

Se define como el cociente entre la presión acústica (ver concepto a continuación) y la velocidad asociada a las partículas vibratorias en el medio que estamos evaluando.

Expresión simple: Z = p / v.

Z: Impedancia acústica.

p: Presión acústica.

v: Velocidad asociada a las partículas vibratorias en el medio.

La unidad de medida es el Ohmio (Ω) acústico.

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NOTAS RESPECTO A LA ABSORCIÓN Y LA PÉRDIDA DE ENERGÍA

El sonido pierde energía a medida que se aleja de la fuente

La pérdida de energía en función de la distancia según la ley del inverso cuadrado.

• No siempre se aplica en recintos cerrados.
• Siempre se aplica al aire libre.

La distancia crítica

Es la distancia a una fuente de sonido donde el sonido reflejado (y ruido) llega al mismo nivel que el sonido de la fuente emisora

Algunos materiales absorben en vez de reflejar sonido

La absorción está directamente relacionada con la longitud de onda del sonido.

Materiales finos absorben frecuencias altas:

• Alfombras.
• Azulejo acústico.

Materiales gruesos absorben frecuencias bajas:

• Cortinas o mantas gruesas.
• Muebles acolchados.
• El cuerpo humano absorbe frecuencias medias y altas.

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Tabla de contenido del tema:

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