Señales Acusticas

Caracterización y propagación de señales acústicas en el espacio libre

Resumen: El sonido y el ruido forman parte de nuestra vida diaria, estos son fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas, generalmente a través de un fluido que esté produciendo el movimiento vibratorio de un cuerpo, dichos sonidos pueden ser audibles o no. Estas señales acústicas (ruido y sonido) sufren atenuación por las diferentes características de los medios donde propagan o la fuente que las genera como la distancia, el aire, temperatura y viento.

INTRODUCCIÓN

La Acústica como la parte de la ciencia que estudia la generación, transmisión y recepción de energía en forma de ondas vibratorias en la materia y el efecto que dicha energía pueda producir. Los primeros estudios sobre fenómenos acústicos provienen de la Antigua Grecia: Pitágoras y sus discípulos estudiaron la relación que existía entre las características de una cuerda vibrante y el tono que emite; Aristóteles estudió la naturaleza del eco, atribuyéndolo a la reflexión del sonido; Herón de Alejandría enseñó que los sonidos son ondas vibratorias longitudinales que se propagan a través del aire. Poco a poco, a lo largo de la historia se fueron conformando las bases de la acústica física, hasta que en el siglo XIX, Lord Railegh publica en 1886 su trabajo The Theory of Sound (reeditado en 1945 por la editorial Dover en N.Y.). Este trabajo recopila y sienta las bases de la acústica del siglo XX.

Durante el siglo XX, la asociación de la acústica con las nuevas tecnologías que iban apareciendo (electrónica, informática, procesado de señal) ha favorecido el nacimiento y evolución de diversas líneas, hasta el punto que hoy en día podemos distinguir distintas actividades específicas dentro de la denominación genérica de “ingeniería acústica". De este modo podemos distinguir al Ingeniero de audio, al ingeniero de control de ruido, etc. y quizás la denominación de ingeniero acústico (o consultor acústico) quede reservada muchas veces para el profesional que asesora al arquitecto en cuestiones relacionadas con la acústica arquitectónica.

DESARROLLO

LAS SEÑALES ACÚSTICAS Y SU CARACTERIZACIÓN

A continuación se describen algunos conceptos básicos sobre el sonido y aquellas magnitudes acústicas de uso común en el marco de la acústica ambiental.

¿Qué es el sonido?

El sonido es una perturbación que se propaga a través de un fluido. Esta perturbación puede ser debida a cambios locales de presión p, velocidad vibratoria v, o densidad ρ. Esta onda vibratoria puede ser percibida por el ser humano en frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20 KHz. Las componentes frecuenciales que quedan por debajo del límite inferior reciben el nombre de Infrasonidos y aquellas que supuran el umbral superior se denominan Ultrasonidos.

Unidades

El sonido suele ser descrito como una perturbación de presión, ya que es a esta magnitud a la que responde el oído humano. La unidad más usual es por tanto el Pa = N/m2 (Pascal = Newton por metro cuadrado).

El gran margen dinámico que puede percibir el ser humano, obliga a utilizar una escala logarítmica para referirse a la amplitud de la presión sonora, en un intento de construir una escala manejable. Se define el Nivel de Presión Sonora como:

SPL=10log⁡〖(P^2/〖Pref〗^2 )=20 log⁡〖(P/Pref)(dB)〗 〗 [ ]

La referencia del nivel de presión sonora: Pref=〖2x10〗^(-3)Pa se toma a partir del umbral de audición humano a 1.000 Hz.

La presión sonora es una función escalar, que depende del punto donde se observe. Para un entorno determinado, el nivel de presión sonora depende de la distancia a la fuente sonora, de la potencia acústica radiada por dicha fuente y de las características acústicas del entorno. La presión sonora por sí sola no proporciona información suficiente sobre la emisión acústica. El conocimiento de la potencia acústica radiada por una fuente sonora, permite predecir el nivel de presión sonora en cualquier punto del entorno acústico. El Nivel de Potencia Sonora en dB se calcula como:

L_w=10log⁡〖(W(vatios)/Wref)(dB)〗 [ ]

Donde:

Wref=〖10〗^(-12 ) (wat) [ ]

La Intensidad Acústica de una onda sonora se define como el flujo medio de energía a través de una superficie unidad perpendicularmente a la dirección de propagación. Su unidad fundamental es el vatio/m2. El Nivel de Intensidad Sonora se calcula como:

L_i=10log⁡〖(I/Iref)(dB)〗 [ ]

Donde:

I_ref=〖10〗^(-12) (wat⁄m^2 )[ ]

Relación entre presión, potencia e intensidad

El módulo de la intensidad sonora y la presión acústica se relacionan sólo en campo libre, es decir, en ausencia total de reflexiones. En estas condiciones, en un punto particular y en la dirección de propagación de la onda, se cumple:

I=〖Prms〗^2/(ρ.c) [ ]

Donde ρ es la densidad del aire y c la velocidad de propagación del sonido. El producto ρ⋅c recibe el nombre de Impedancia Característica del Medio y su valor, para una temperatura T = 20ºC y presión atmosférica Ps = 0.751 mm de Hg es de z = ρ⋅c = 406 rayls (unidad MKS para impedancia acústica).

Para una onda esférica progresiva, la relación entre potencia e intensidad es:

I=W/S=W/(4πr^2 ) [ ]

Y finalmente podríamos expresar:

〖Peff〗^2=(ρ.c.W)/(4πr^2 ) [ ]

Expresión que relaciona la presión sonora en campo libre y la potencia acústica radiada, W.

El ruido, tipos de ruido.

Podemos definir Ruido como todo sonido indeseado que interfiere con la señal que se desea percibir, En este apartado se aborda una clasificación genérica del ruido en dos dominios: tiempo y frecuencia.

Caracterización en frecuencia:

a) Ruido Blanco. Se trata de un tipo de ruido con espectro plano. Tiene la misma energía en todas las frecuencias. Se utiliza en acústica como señal de referencia para medir determinadas características de sistemas acústicos utilizando analizadores de espectro FFT. Estos analizadores no utilizan descomposición espectral mediante bancos de filtros de octava o tercio de octava, sino que calculan el espectro de la señal que de desea estudiar realizando la DFT.

b) Ruido Rosa. El nivel de energía de este tipo de ruido decae a razón de 3 dB/octava. A la salida de un banco de filtros de octava este ruido presenta un nivel de energía uniforme. Se utiliza como señal de referencia para la realización de todas las medidas acústicas en las que se debe realizar una descomposición de la señal en bandas de octava o fracción de octava: medidas de aislamiento acústico, potencia sonora, absorción acústica,

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