Tópicos selectos de audio

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. Trabajo de Diploma. Tópicos Selectos de Audio. Autor: Arian Mesa Méndez. Tutor: MSc. Hiram del Castillo Sabido.. Santa Clara 2017 “Año 59 de la Revolución”.

(2) UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. Trabajo de Diploma. Tópicos Selectos de Audio. Autor: Arian Mesa Méndez. Email: arianmm@nauta.cu Tutor: MSc. Hiram del Castillo Sabido Email: hiramd@uclv.edu.cu. Santa Clara 2017 “Año 59 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ____________________ Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. ____________________. _______________________. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. ____________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. PENSAMIENTO. Mucho mejor atreverse a hacer cosas grandes, a obtener triunfos gloriosos, aun cuando matizados con fracasos, que formar en las filas de aquellos pobres de espíritu que ni gozan mucho ni sufren mucho porque viven en el crepúsculo gris que no conoce la victoria ni la derrota. Theodore Roosevelt. i.

(5) DEDICATORIA. DEDICATORIA .. A mis padres, familiares y a los pocos buenos amigos por brindarme todo su apoyo incondicional, por no dudar nunca de mí y ser siempre esa guía necesaria en los momentos difíciles de la vida. Gracias a ellos por formar parte de mi vida..

(6) AGRADECIMIENTOS. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por todo su sacrificio y apoyo. A mis amigos de toda la vida y del aula. Al colectivo de profesores de la carrera que tanto han luchado conmigo para realizar este sueño. A mi tutor por ayudarme en la realización de este trabajo. A todo aquel que sin importar me ha brindado su mano amiga sin esperar nada a cambio.. iii.

(7) TAREAS TÉCNICAS. TAREAS TÉCNICAS. 1. Realizar una búsqueda bibliográfica sobre los temas que serán abordados en. la asignatura optativa Audio. 2. Seleccionar y organizar esta información para que cumpla con el programa. analítico de la Asignatura. 3. Elaborar un informe con los resultados de esta investigación.. __________________________ Firma del Autor. __________________________ Firma del Tutor.

(8) RESUMEN. RESUMEN En el presente informe se realiza una investigación sobre los sistemas de audio modernos, la electroacústica en general y el procesamiento digital de la señal de audio. La necesidad de bibliografía en la asignatura optativa Audio que se implementará en el tercer año de la carrera es la que impulsa el desarrollo de este trabajo de diploma. Aquí se abordan todos los temas que están presentes en el programa analítico de la asignatura para que sea útil a los estudiantes que opten por ella y a los profesores que impartan la misma para el desarrollo de las conferencias.. v.

(9) TABLA DE CONTENIDOS. TABLA DE CONTENIDOS Pensamiento ............................................................................................................................ i Dedicatoria ............................................................................................................................. ii Agradeciementos ................................................................................................................... iii Tareas Técnicas .................................................................................................................... iv Resumen ................................................................................................................................ v Tabla de Contenidos .............................................................................................................. vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA ................................................. 4 Introducción......................................................................................................................... 4 1.1. Introducción al sonido. .............................................................................................. 4. 1.2. Medidas de los niveles sonoros. Unidades. .............................................................. 5. 1.2.1. Presión Acústica. ............................................................................................... 6. 1.2.2. Intensidad Acústica............................................................................................ 8. 1.2.3. Potencia Acústica. ............................................................................................. 9. 1.3. El Oído. .................................................................................................................. 10. 1.3.1. El Campo Auditivo. .......................................................................................... 11. 1.3.2. Ponderación Acústica. ..................................................................................... 11. 1.4. Propagación del Sonido en el Espacio Libre. .......................................................... 13. 1.5. Propagación del Sonido en Espacios Cerrados. ..................................................... 14. 1.6. Principios de Tratamiento Acústico de Locales. ...................................................... 15. 1.6.1. Corrección Acústica de Locales. ...................................................................... 16. 1.6.2. Aislamiento Acústico........................................................................................ 18. 1.7. Campo Directo y Campo Reverberante. Nivel Total de Presión Sonora. ................ 18. 1.8. Materiales Absorbentes. ......................................................................................... 20. 1.8.1. Materiales Porosos. ......................................................................................... 20. 1.8.2. Materiales Reflexivos. ...................................................................................... 21. 1.8.3. Materiales Resonadores. ................................................................................. 21. 1.9. Reverberación. ....................................................................................................... 22. 1.9.1. Medidas del Tiempo de Reverberación (T). ..................................................... 23.

(10) TABLA DE CONTENIDOS 1.9.2. Valor Óptimo del Tiempo de Reverberación. ................................................... 24. 1.10. Expresión de Sabine............................................................................................... 24. 1.11. Expresión de Millington. .......................................................................................... 26. 1.12. Expresión de Eyring................................................................................................ 26. 1.13. Relación entre Potencia Eléctrica y Acústica. ......................................................... 27. 1.14. Referencias Bibliográficas. ..................................................................................... 28. CAPÍTULO 2. TRANSCONDUCTORES DEL SONIDO ........................................................ 29 Introducción....................................................................................................................... 29 2.1. Principios Físicos de los Micrófonos. ...................................................................... 29. 2.2. Tipos de Micrófonos y sus Características. ............................................................. 29. 2.2.1. Tipos de micrófonos según su funcionamiento. ............................................... 32. 2.2.2. Tipos de micrófonos según su construcción. ................................................... 33. 2.2.3. Micrófonos especiales. .................................................................................... 35. 2.3. Principios físicos de los altavoces. .......................................................................... 36. 2.3.1. Características de los Altavoces. ..................................................................... 36. 2.3.2. Tipos de altavoz. ............................................................................................. 39. 2.3.3. Conexionado de los altavoces. ........................................................................ 40. 2.4. Referencias Bibliográficas. ..................................................................................... 41. CAPÍTULO 3. CIRCUITOS BÁSICOS EN EQUIPOS DE AUDIO. ......................................... 42 Introducción....................................................................................................................... 42 3.1. Preamplificadores de audio. ................................................................................... 42. 3.2. Circuitos de ecualización. ....................................................................................... 43. 3.2.1. Ajuste de ganancia ecualizadores gráficos. ..................................................... 44. 3.2.2. Circuitos de ecualizadores gráficos. ................................................................ 47. 3.2.3. Aplicaciones de los ecualizadores gráficos. ..................................................... 49. 3.3. Circuitos de mezcla. ............................................................................................... 49. 3.3.1. Tipos de mezcladores de audio. ...................................................................... 50. 3.3.2. Circuitos simples de mezcladores de audio. .................................................... 50. 3.4. Circuitos de Potencia. ............................................................................................. 51. 3.5. Arquitectura de los amplificadores. ......................................................................... 52. 3.5.1. Amplificadores de clase A ............................................................................... 53. 3.5.2. Amplificadores de clase B ............................................................................... 53.

(11) TABLA DE CONTENIDOS 3.5.3. Amplificadores de clase C. .............................................................................. 54. 3.5.4. Amplificadores de clase D. .............................................................................. 55. 3.5.5. Etapa Darlington o EF . ................................................................................... 55. 3.5.6. CFP . ............................................................................................................... 56. 3.5.7. Triple EF . ........................................................................................................ 56. 3.5.8. JFET . ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.. 3.5.9. Amplificador de clase D. .................................................................................. 57. 3.5.10. Puente en H .................................................................................................... 58. 3.6. Referencias Bibliográficas. ..................................................................................... 59. CAPÍTULO 4. TRATAMIENTO DIGITAL DE LA SEÑAL ....................................................... 60 Introducción....................................................................................................................... 60 4.1. Procesamiento digital de la señal de audio. ............................................................ 60. 4.2. Técnicas de digitalización de la señal de audio. ..................................................... 61. 4.2.1. Muestreo ......................................................................................................... 62. 4.2.2. Aliasing ............................................................................................................ 62. 4.2.3. Cuantización. ................................................................................................... 63. 4.3. Procedimientos utilizados en estudios profesionales. ............................................. 64. 4.4. Softwares utilizados en el procesamiento de la señal de audio............................... 65. 4.4.1. ¿Qué es el MATLAB? ...................................................................................... 67. 4.4.2. Captura, visualización y reproducción de sonido en MATLAB. ........................ 68. 4.4.3. Señales sinusoidales puras. ............................................................................ 70. 4.5. Referencias Bibliográficas. ..................................................................................... 71. Conclusiones..................................................................................................................... 72 Recomendaciones............................................................................................................. 73.

(12) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Los sistemas de sonido son de empleo tan frecuente que los usuarios no valoran el servicio que prestan, excepto cuando no funcionan como debieran. Esto es distinto para el técnico instalador, ya que él sabe que, bajo una aparente simplicidad, los aparatos del sistema requieren unos buenos conocimientos y, sobre todo, una gran práctica para obtener resultados válidos. Especialmente la parte acústica, por ejemplo, la disposición de los altavoces en el ambiente requiere una elevada dosis de intuición, estudios y pruebas de una cierta complejidad, empezando por el conocimiento de las leyes de la acústica que, debido al comportamiento subjetivo del oído humano, resultan complicadas, aunque a fin de cuentas es, precisamente, el oído humano el destinatario último del mensaje sonoro. Por este motivo, el contenido de este informe no ha quedado limitado al aspecto eléctrico del estudio, sino que se concede una gran importancia a la parte que se refiere a la acústica y a las modalidades de difusión de los sonidos tanto en locales cerrados como al aire libre, también a los tipos de amplificadores, preamplificadores, mezcladores de sonido y transductores. Es importante conocer las características físicas de los sonidos y, especialmente, las complejas relaciones que en ellos concurren y la percepción subjetiva que inducen en nuestro oído, así como los principales. componentes. de. un. sistema. electro. acústico;. micrófonos,. altavoces,. amplificadores, para establecer las bases generales de realización de un sistema de electroacústica, evaluando las potencias de emisión necesarias, la disposición de los altavoces y las relaciones eléctricas y acústicas que deben observarse para su conexión. Las investigaciones realizadas que abarquen las temáticas que aborda la asignatura optativa audio son diversas por lo cual se realiza este material complementario como libro de texto en formato digital para la misma ya que en este informe se presentan todos los temas que se encuentran en el programa analítico de la misma. Esta investigación será importante para la Universidad Central “Martha Abreu” de las Villas (UCLV) y por ende para la facultad de Ingeniería Eléctrica desde el punto de vista teórico y práctico, debido a que expondrá las principales características de la electroacústica en general e implementará el trabajo con las herramientas de simulación de la señal de audio y los equipos que en la práctica se utilizan para la difusión y estudio del audio en general. 1.

(13) INTRODUCCIÓN Teniendo en cuenta las razones siguientes se presenta el siguiente problema científico: ¿Cómo elaborar una documentación adecuada que permita de una manera didáctica y efectiva reflejar el contenido de los principales aspectos abordados en la asignatura Audio? Para dar cumplimiento del problema científico se propone el siguiente objetivo general: Recopilar y ordenar información sobre sistemas de Audio que garanticen el cumplimiento de los objetivos generales y específicos de la asignatura Audio, atendiendo al programa analítico diseñado. A partir del objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Realizar una búsqueda detallada sobre los temas tratados en el programa analítico de la asignatura audio. 2. Revisar y organizar toda la información acorde al proyecto de curso y al programa analítico de la asignatura audio. 3. Elaborar un documento para su uso futuro con los estudiantes y profesores.. De los objetivos específicos se derivan las siguientes interrogantes científicas: . ¿Cómo realizar una búsqueda detallada sobre los temas tratados en el programa analítico de la asignatura audio?. . ¿Cómo revisar y organizar información acorde al proyecto de curso y al programa analítico de la asignatura audio?. . ¿Cómo hacer para elaborar un documento para el uso futuro con los estudiantes y profesores?. Los resultados de esta investigación permitirán a los estudiantes y profesores que opten por esta asignatura en el tercer año de su carrera contar con un material que le sirva de apoyo bibliográfico y que le muestre herramientas y el funcionamiento del equipamiento utilizado en la realidad en los sistemas de audio. Para cumplir los objetivos establecidos el trabajo se dividió en introducción, cuatro capítulos, conclusiones y recomendaciones. En el primer capítulo se realiza una introducción a la electroacústica en general, principales conceptos del mundo del audio, materiales absorbentes del sonido, tiempo de 2.

(14) INTRODUCCIÓN reverberación y expresiones de Sabine, Eyring y Millington, utilizadas en el diseño de corrección acústica de locales. En el segundo capítulo se resume todo lo relacionado con los transductores del sonido, los tipos micrófonos y sus características principales, los altavoces con sus características, conexionado entre varios altavoces y estructuras comerciales. En el tercer capítulo se tratan los circuitos básicos en equipos de audio, los preamplificadores, los circuitos de ecualización y sus aplicaciones, los mezcladores y las etapas básicas de potencia de un amplificador de audio y las diferentes clases que existen. En el cuarto capítulo se encuentra el tratamiento digital de la señal de audio, como se realiza el mismo, las técnicas de digitalización de la señal y el trabajo con softwares para la captura, visualización y trabajo con las señales de audio.. 3.

(15) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Introducción La electroacústica en general es muy amplia y necesaria para poder entender y trabajar con los equipos de audio. En este capítulo se encuentran temas diversos sobre el estudio de la electroacústica, los diferentes conceptos y fórmulas para lograr entender cómo se comporta el sonido en el medioambiente.. 1.1 Introducción al sonido. El sonido, es cualquier fenómeno que involucre la propagación de ondas mecánicas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras y ondas acústicas que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. En el diseño de instalaciones de los sistemas de audio el trabajo en general se encuentra doblemente vinculado a las características acústicas del lugar donde se realice la difusión de la señal de audio. Ante todo, es importante en nuestro caso establecer una diferencia dual entre sonido y ruido. Mientras que el primer caso constituye una sensación auditiva agradable producto de una onda acústica que se propaga en el aire, en el segundo, resulta molesto. Una representación gráfica de un sondo compuesto por una sola frecuencia se ilustra en la Fig. 1.1.. Fig. 1.1 Representación del sonido en una sola frecuencia.. 4.

(16) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Generalmente el sonido está compuesto por un gran número de frecuencias que van desde lo más grave a lo más agudo, es decir frecuencias bajas y altas. Un sonido es factible de ser identificado si se tiene en cuenta sus tres características básicas: -. Altura (tono): Caracteriza el sonido según su frecuencia dominante sea más o menos alta. Timbre: Está determinado por la composición espectral del sonido, es decir, la forma en que se distribuyen sus componentes de frecuencia aludida del tono fundamental.. 1.2 Medidas de los niveles sonoros. Unidades. Uno de los 5 sentidos que utilizamos más es el oído, ya que, físicamente hablando, el silencio no existe. Para saber cuál es la unidad de medida del sonido hay que tener en cuenta que para que podamos escuchar algo tiene que haber una vibración en el aire o en el agua (en el vacío no podemos escuchar). Estas vibraciones se producen a través de ondas, al igual que si tiramos una piedra al mar. Para poder medir el sonido hay que tener en cuenta que éste tiene una serie de cualidades:  . . La altura. Seguro que más de una vez habrás escuchado que un sonido es grave o agudo, pues bien, la altura quiere decir eso mismo, y se mide en hercios (Hz). El timbre. Dependiendo de la procedencia del sonido decimos que tiene un timbre u otro. Por ejemplo, una guitarra o un bajo. También ocurre con la voz. Un hombre tiene un timbre de voz más grave que el de una mujer. La intensidad. Es lo que conocemos como volumen en cualquier equipo de música, y se mide en decibelios (dB).. Viendo estos tres puntos podemos deducir que el sonido no se mide con una simple unidad, ya que hay que tener en cuenta varios factores como los anteriores descritos. Cada característica del mismo se mide con una unidad de medida diferente. También habría que añadir que el sonido tiene una duración y una espacialidad. La primera nos permite distinguir si un sonido es más largo o más corto que otro y la segunda nos sirve para identificar de dónde procede dicho sonido. El sonido en sí, como hemos visto antes, dispone de unas características y cada una de ellas se miden de una forma diferente, pero algo que si se relaciona entre ellas es la frecuencia. Da igual que sea un sonido alto o bajo, con más volumen o menos, de dónde proceda o el timbre que tenga, todas estas características tienen una cosa en común, la frecuencia. Los sonidos se pueden identificar por su espectro de frecuencias. El elemento fundamental de estas frecuencias es la onda sinusoidal, esto es, una superposición lineal de sinusoides. Cada sinusoide se identifica por su amplitud, su frecuencia y su relación con la marca de tiempo cero. Los sonidos más graves tendrán ondas sonoras más alargadas (una frecuencia más baja), al paso que los sonidos más agudos serán representados por ondas de sonido más cortas (una frecuencia más alta y por tanto más Hercios). (Bandini, 2000) El sonido se mide por la amplitud de los componentes espectrales, mediante la colocación de un metro calibrado de sonido en el centro de la cabeza de un oyente. El oído humano puede captar frecuencias de onda entre los 20 Hertz y los 20.000 Hertz (más o menos). Las ondas que están por debajo de los veinte Hertz son sonidos graves que nuestro oído no es capaz de captar y se conocen como Infrasonido. Por otra parte, las ondas más cortas (más agudas) las conocemos como Ultrasonido, tampoco las podemos captar, pero hay animales 5.

(17) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA como los murciélagos, perros o gatos (entre otros) que si pueden escuchar esas frecuencias. Debemos tener en cuenta asimismo que el oído humano no es del mismo modo sensible a los tonos diferentes en un mismo nivel de presión, ya que son diferentes frecuencias. A esto se le llama sonoridad. Para medir esto se utilizan las ondas isofónicas, que relacionan el tono de un sonido en dB con su nivel de sonoridad subjetiva. (Carrión,1998) Teniendo en cuenta lo antes dicho podemos concluir que los sonidos audibles se extienden desde niveles de presión que van desde 2 x 10 -5 Pa a 20 Pa (1 Pa = 1 Newton/m2) y la escala de frecuencia acústica audible se extiende desde 1 a 200000. Este puede ser resuelto usando notación logarítmica que tiene amplio respaldo técnico como resultado de la ley de WeberFechner que establece que la sensación del sonido es proporcional al logaritmo de la excitación para las frecuencias medias. Los ingenieros usan el dB para medir el nivel sonoro y puede expresarse atendiendo a diferentes situaciones en: -. Nivel de presión acústica. Nivel de intensidad acústica. Nivel de potencia acústica.. 1.2.1 Presión Acústica. El sonido es una sensación auditiva provocada por las vibraciones y ondas acústicas de frecuencia entre 20 Hz y 20.000 Hz., que se propagan en un medio sólido, líquido o gaseoso. Contrariamente a las ondas electromagnéticas (ondas luminosas, ondas de radio, etc.), el sonido para propagarse tiene necesidad de un medio, no se propaga en el vacío. Cuando las frecuencias de excitación del fenómeno acústico son inferiores a 20 Hz. se habla de infrasonidos. Cuando son superiores a 20.000 Hz., de ultrasonidos. La magnitud que normalmente se mide con un micrófono es la presión acústica eficaz. A partir de la presión, se pueden deducir todas las otras magnitudes, pero como que el campo de los valores de la presión acústica es muy grande, (existen variaciones de presión que varían entre 0,00002 hasta 200 Pascales) se ha introducido como magnitud práctica el nivel de presión sonora en decibelios o dB, respecto de una presión de referencia correspondiente al umbral de presión auditiva e igual a: 𝐿(𝑑𝐵) = 10 𝑙𝑜𝑔. 𝑃2 𝑃2 = 20 𝑙𝑜𝑔 𝑃0 𝑃02. Donde: L(dB): Nivel de presión acústica. P: Presión acústica expresada en pascal. P0: Presión acústica de referencia = 2 x 10 -5 Pa. Esto cambia la escala de presión lineal a presión logarítmica y simplifica la forma de trabajar con presión, o lo que es lo mismo, con ruido y sonido. (Rigel, 2007). En la Figura 1.2 se muestran algunos niveles de presión acústica en Pa y en dB. 6.

(18) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. Fig.1.2 Niveles de presión sonora en dB y en Pa. La aparición de la escala logarítmica al aplicar la ponderación logarítmica simplifica el trabajo con decibelios, así:  . Trabajar con pascales u otra unidad de presión es incómodo por la gran variación de los valores (entre 2.10-5 y 200 Pa). Con esta forma de expresión, el margen de nivel sonoro se sitúa entre 0 y 140 dB.. Para realizar el cálculo de presión acústica (P) teniendo dos fuentes de sonido situadas en el mismo local se analizan las fuentes por separado, a continuación, se ejemplifica el caso anterior: Para la fuente 1 ( LP1):. 𝑃2. 𝐿𝑃1 = 10 log 𝑃12 ; 0. Luego para la fuente 2 (LP2) solamente se aplica: 𝐿𝑃2 = 10 log. 𝑃22 𝑃02. ;. Si se diera el caso en el que ambas fuentes actuaran simultáneamente entonces:. 7.

(19) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 𝐿𝑝 = 10 log. 𝑃1 2 + 𝑃2 2 𝑃0 2. Si los niveles de presión acústica LP1 y LP2 son idénticos y están funcionando simultáneamente en el local entonces el nivel de presión acústica resultante será: 𝐿𝑝 = 10 log 2 x. 𝑃2 𝑃0 2. 1.2.2 Intensidad Acústica. La intensidad del sonido se define como la cantidad de energía (potencia acústica) que atraviesa por segundo una superficie que contiene un sonido. La intensidad del sonido corresponde al flujo de energía sonora por unidad de tiempo, definición que nos puede recordar la definición de intensidad de corriente eléctrica. Dicho de otro modo, la intensidad del sonido es una medida de la amplitud de la vibración. Pero nuestro oído es un instrumento de medida con serias limitaciones fisiológicas, no es capaz de escuchar por debajo de un determinado nivel, variables entre distintas personas y con la edad, y a partir de un nivel demasiado alto, igualmente variable, recibe sensación de dolor imposibilitando la audición. Matemáticamente se expresa como: 𝐼=. 𝑃2 𝛿𝑐. Donde: P: Presión acústica en Pa. 𝛿: Masa específica del aire, Kg/m3. c: Velocidad del sonido en el aire. 340 m/s. El nivel de intensidad acústica expresado en dB se obtiene de la siguiente expresión: 𝐿𝐼 = 10 log. 𝐼1 𝐼0. en donde: I1 : Intensidad del sonido en W/m2. I0 : Intensidad acústica de referencia, 10 -11 W/m2. LI : Nivel de intensidad acústica en dB.. 8.

(20) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Factores que determinan la intensidad del sonido 1. La intensidad de un sonido depende de la amplitud del movimiento vibratorio de la fuente que lo produce, pues cuanto mayor sea la amplitud de la onda, mayor es la cantidad de energía (potencia acústica) que genera y, por tanto, mayor es la intensidad del sonido. 2. También depende de la superficie de dicha fuente sonora. El sonido producido por un diapasón se refuerza cuando éste se coloca sobre una mesa o sobre una caja de paredes delgadas que entran en vibración. El aumento de la amplitud de la fuente y el de la superficie vibrante hacen que aumente simultáneamente la energía cinética de la masa de aire que está en contacto con ella; esta energía cinética aumenta, en efecto, con la masa de aire que se pone en vibración y con su velocidad media (que es proporcional al cuadrado de la amplitud). 3. La intensidad de percepción de un sonido por el oído depende también de su distancia a la fuente sonora. La energía vibratoria emitida por la fuente se distribuye uniformemente en ondas esféricas cuya superficie aumenta proporcionalmente al cuadrado de sus radios; la energía que recibe el oído es, por consiguiente, una fracción de la energía total emitida por la fuente, tanto menor cuanto más alejado está el oído. Para evitar este debilitamiento, se canalizan las ondas por medio de un "tubo acústico" (portavoz) y se aumenta la superficie receptora aplicando al oído una "trompeta acústica". 4. Finalmente, la intensidad depende también de la naturaleza del medio elástico interpuesto entre la fuente y el oído. Los medios no elásticos, como la lana, el fieltro, etc., debilitan considerablemente los sonidos. La intensidad de un sonido se mide en decibeles (dB). La escala corre entre el mínimo sonido que el oído humano pueda detectar (que es denominado 0 dB), y el sonido más fuerte es el ruido de un cohete durante el lanzamiento. Los decibeles se miden logarítmicamente. Esto significa que la intensidad se incrementa en unidades de 10; cada incremento es 10 veces mayor que el anterior. Entonces, 20 decibeles es 10 veces la intensidad de 10 dB, y 30 dB es 100 veces más intenso que 10 dB. (Pérez, 2013). 1.2.3 Potencia Acústica. La potencia acústica es la cantidad de energía por unidad de tiempo (potencia) emitida por una fuente determinada en forma de ondas sonoras. La potencia acústica viene determinada por la propia longitud de onda, pues cuanto menor sea la longitud de onda, mayor es la cantidad de energía (potencia acústica) que genera. Esto se debe a que una menor longitud de onda provoca un aumento de frecuencia, y por consiguiente un aumento de la cantidad de energía resultante. La potencia acústica es un valor intrínseco de la fuente y no depende del local donde se halle, el valor no varía por estar en un local reverberante o en uno seco. La medición de la potencia puede hacerse a cierta distancia de la fuente, midiendo la presión que las ondas inducen en el medio de propagación. Se utilizará la unidad de presión; (que en el SI es el pascal, Pa). La percepción que tiene la persona de esa potencia acústica es lo que conocemos como volumen, que viene dado por el llamado nivel de potencia acústica expresado en decibelios (dB). (Ñaño, 2010) Lp = 10 log. 𝑃. 𝑃0. (𝑑𝐵) 9.

(21) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Donde: Lp : Nivel de potencia acústica, dB. P : Potencia acústica de la fuente, W. P0 : Potencia acústica de referencia, 10 -12 W.. 1.3 El Oído. El dB como unidad de medida es de uso permanente para caracterizar los niveles de intensidad acústica. Resulta imprescindible citar los aspectos básicos de la ley de variación de la percepción auditiva que no es tan simple para ser expresada en forma matemática. En la figura 1.3 se muestra una serie de características que indican la forma en que varía la sensibilidad auditiva en función de los umbrales de intensidad acústica y frecuencia.. Fig.1.3 Curvas de Robinson y Dadson o Curvas de Sonoridad.. En estas curvas isofónicas se observa cómo, a medida que aumenta la intensidad sonora, las curvas se hacen, cada vez, más planas. Esto se traduce en que la dependencia de la frecuencia es menor a medida que aumenta el nivel de presión sonora, lo que significa que si disminuye la intensidad sonora los últimos sonidos perceptibles en desaparecer serían los agudos. Sólo son válidas para un campo sonoro directo, dado que no tienen en cuenta que no percibimos por igual los sonidos si provienen de diferentes direcciones. Las curvas isofónicas también son curvas que relaciona como escucha el oído lo bien y lo mal en función de la presión y de la frecuencia. (Casado,2011). 10.

(22) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.3.1 El Campo Auditivo. El campo auditivo o zona de sensibilidad del oído humano está limitado a cuatro espacios en especial; la zona de infrasonido, la zona de ultrasonido, el umbral de audición y el umbral del dolor, las cuales se explican a continuación: (Casado,2011) -. Zona de Infrasonido: Onda acústica o sonora cuya frecuencia está por debajo de los 20 Hz. Con estas ondas se puede alcanzar largas distancias atravesando obstáculos sólidos. Pueden ser oídos por algunos animales con el oído adaptado a percibir frecuencias distintas a las del humano. Por ejemplo, los elefantes pueden oír 15 Hz a 2 km de distancia, también tigres y ballenas usarían infrasonidos para comunicarse. Los infrasonidos son también normalmente producidos por el cuerpo humano, por ejemplo, los músculos al resbalar unos sobre otros para permitir movimientos pueden producir infrasonidos de 25 Hz, el corazón produce infrasonidos en torno a los 20 Hz, incluso las orejas provocan infrasonidos. (Casado,2011). -. Zona de Ultrasonido: Ondas mecánicas, no ionizantes cuya frecuencia está por encima de los 15 KHz. Algunas especies como ciertos insectos y mamíferos lo utilizan de forma parecida a un radar para su orientación; a este fenómeno se lo conoce como ecolocalización. Se sabe que las ondas emitidas por estos animales son tan altas que rebotan fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, permitiéndoles crear una imagen de lo que está a su alrededor para poder orientarse fácilmente. Son utilizados también en la medicina para crear imágenes del interior del cuerpo humano. (Casado,2011). -. Umbral de Audición: Es la intensidad mínima de sonido capaz de impresionar el oído humano. Aunque no siempre este umbral sea el mismo para todas las frecuencias que es capaz de percibir el oído humano, es el nivel mínimo de un sonido para que logre ser percibido. También es la curva que representa, por cada frecuencia, el valor mínimo de presión acústica capaz de producir en el oído sensación de sonido. (Casado,2011). -. Umbral de Dolor: Es la intensidad mínima de estímulo que despierta sensación de dolor. Puede variar significativamente dependiendo de cada individuo. (Casado,2011). 1.3.2 Ponderación Acústica. Una medición acústica, por ejemplo, del ruido en una vivienda, en la que no se tome en consideración estos parámetros psicoacústicos de la sonoridad, no reflejaran fielmente las mediciones que perturban ese espacio ruidoso, en comparación, claro está, de la percepción humana. Es decir, mientras que los dB del nivel de presión sonora describen el fenómeno físico, los decibelios ponderados describen los niveles de sonoridad existentes. Es por ello que en las mediciones acústicas se utilicen ponderaciones frecuenciales para asemejar los datos reales de campo a lo que realmente está oyendo el oído humano. Surgen así unos filtros de ponderación frecuencial que se aplican a los niveles de presión captados por los medidores acústicos, como por ejemplo un sonómetro, ecualizando el espectro lineal para que se acerque a la respuesta en frecuencia del oído humano, y así poder cuantificar la sonoridad con estos 11.

(23) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA instrumentos de medición acústica. Dependiendo a las variaciones de niveles de presión acústica (SPL) que se quieran medir, se utilizaran unas u otras curvas isofónicas para ponderar el sonido a medir, ya que la respuesta en frecuencia debe cambiar. Es por ello que surgen diferentes ponderaciones dependiendo del nivel de presión acústica que se intente medir. Obsérvese la Figura 1.4, en la que se aprecia un resumen de las diferentes ponderaciones en base a niveles de presión acústica: (Casado, 2011). Fig.1.4 Ponderaciones frecuenciales A,B,C,D y Z. En la Figura 1.5 se pueden observar las diferentes curvas de ponderación introducidas en la Figura 1.4. Como se dice en esta última, las curvas, a excepción de la ponderación D, se toman de las curvas de igual sonoridad descritas por Fletcher-Munson. Para llegar a estas curvas de ponderación lo que se hace es, tomando como referencia la ponderación A: 1. Normalizar la curva de 40 fonios a 0 dB. 2. Invertir esta curva normalizada a 0 dB. 3. Interpolarla.. Fig. 1.5 Curvas de ponderación frecuencial A,B,C y D. 12.

(24) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.4 Propagación del Sonido en el Espacio Libre. Cuando una fuente sonora situada en un recinto cerrado es activada, genera una onda sonora que se propaga en todas las direcciones. Un oyente ubicado en un punto cualquiera del mismo recibe dos tipos de sonido: el denominado sonido directo, es decir, aquél que le llega directamente desde la fuente sin ningún tipo de interferencia, y el sonido indirecto o reflejado originado como consecuencia de las diferentes reflexiones que sufre la onda sonora al incidir sobre las superficies límite del recinto. A continuación, se exponen una serie de conceptos asociados al sonido directo, que es el único que llegaría a dicho oyente si estuviese situado en el espacio libre. En primer lugar, se considera una fuente sonora omnidireccional, es decir, una fuente que radia energía de manera uniforme en todas las direcciones (factor de directividad Q=1). El hecho de que la radiación sea uniforme implica que, a una distancia cualquiera de la fuente, el nivel de presión sonora será siempre el mismo, con independencia de la dirección de propagación considerada. Es la llamada propagación esférica. A medida que uno se aleja de la fuente, la energía sonora se reparte sobre una esfera cada vez mayor, por lo que el nivel de presión sonora en cada punto va disminuyendo progresivamente. En concreto, la disminución del mismo es de 6 dB cada vez que se dobla la distancia a la fuente. Es la denominada ley cuadrática inversa y significa que el valor de la presión sonora se reduce a la mitad. En la figura 1.6 se muestra la mencionada disminución del nivel de presion sonora con la distancia en el caso de que la fuente sonora sea un avión. (Carrión,1998). Fig.1.6 Propagación esférica en el espacio libre.. Para que una fuente sonora radie de forma omnidireccional es necesario que sus dimensiones sean pequeñas respecto a la longitud de onda del sonido emitido y que el receptor esté alejado de la misma. Si bien existe toda una variedad de fuentes sonoras omnidireccionales, también es cierto que el cumplimiento simultáneo de ambos requisitos es difícil, sobre todo si la banda de frecuencias considerada es amplia. Es el caso de la voz humana constituye un claro ejemplo de fuente directiva. En la figura 1.7 se representa el mapa de niveles de presión sonora producidos por un orador situado en el espacio libre, en la banda de 2 kHz, en función de la distancia y del ángulo referido a su eje frontal. Se puede observar la disminución del nivel con la distancia, así como el efecto de directividad de la voz humana, evidenciado por la reducción del nivel a medida que aumenta dicho ángulo. A través de la realización de una serie de experimentos, se ha podido averiguar que un mensaje oral emitido en una zona silenciosa (en 13.

(25) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA ausencia de fenómenos atmosféricos ruidosos) puede ser oído de forma satisfactoria a una distancia máxima de 42 m en la dirección frontal del orador, de 30 m lateralmente y de 17 m en la dirección posterior. A distancias superiores, el mensaje deja de ser inteligible debido a que queda inmerso en el ruido de fondo existente, independientemente del lugar elegido para llevar a cabo la experiencia. (Carrión,1998). Fig.1.7 Nivel de Presión Sonora producido por un orador en un espacio abierto con banda de 2 kHz.. 1.5 Propagación del Sonido en Espacios Cerrados. Según se acaba de comentar, la energía radiada por una fuente sonora en un recinto cerrado llega a un oyente ubicado en un punto cualquiera del mismo de dos formas diferentes: una parte de la energía llega de forma directa (sonido directo), es decir, como si fuente y receptor estuviesen en el espacio libre, mientras que la otra parte lo hace de forma indirecta (sonido reflejado), al ir asociada a las sucesivas reflexiones que sufre la onda sonora cuando incide sobre las diferentes superficies del recinto. En un punto cualquiera del recinto, la energía correspondiente al sonido directo depende exclusivamente de la distancia a la fuente sonora, mientras que la energía asociada a cada reflexión depende del camino recorrido por el rayo sonoro, así como del grado de absorción acústica de los materiales utilizados como revestimientos de las superficies implicadas. Lógicamente, cuanto mayor sea la distancia recorrida y más absorbentes sean los materiales empleados, menor será la energía asociada tanto al sonido directo como a las sucesivas reflexiones. (Carrión,1998) La representación gráfica temporal de la llegada de las diversas reflexiones, acompañadas de su nivel energético correspondiente, se denomina ecograma o reflectograma. En la figura 1.8 se representa de forma esquemática la llegada de los diferentes rayos sonoros a un receptor junto con el ecograma asociado, con indicación del sonido directo, la zona de primeras reflexiones y la zona de reflexiones tardías (cola reverberante). (Carrión,1998). 14.

(26) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. Fig.1.8 Ecograma asociado a un reflector con sonido directo, las primeras reflexiones y la cola reverberante.. 1.6 Principios de Tratamiento Acústico de Locales. Protección de un recinto contra la penetración de sonidos. Se trata de reducir el ruido, tanto aéreo como estructural, que llega al receptor a través del obstáculo. Un buen aislamiento pretende que la energía transmitida sea mínima. Esto implica un aumento de energía disipada y/o reflejada sin que tenga importancia el reparto entre ellas, ni la acústica del local emisor. Los materiales adecuados para el tratamiento acústico de locales son aquellos que tienen la propiedad de reflejar o absorber una parte importante de la energía de la onda incidente. (Ñaño, 2010) Cuando las ondas sonoras chocan con un obstáculo, las presiones sonoras variables que actúan sobre él hacen que éste vibre. Una parte de la energía vibratoria transportada por las ondas sonoras se transmite a través del obstáculo y pone en movimiento el aire situado del otro lado, generando sonido. Parte de la energía de las ondas sonoras se disipa dentro del mismo, reduciendo la energía irradiada al otro lado. La energía del sonido que incide (Ei) se descompone en la energía reflejada al medio emisor (Er) y la energía absorbida (Ea), es decir, la energía no reflejada. A su vez, la energía absorbida se distribuye en energía disipada en el material (Ed) y energía transmitida al medio receptor (Et). (Ñaño, 2010). 15.

(27) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. Fig.1.9 Comportamiento de las energías al entrar en contacto con el material absorbente. 1.6.1 Corrección Acústica de Locales. La corrección acústica permite garantizar la calidad y el confort acústico propio de un local. Este puede ser tanto en un lugar donde se debe favorecer la escucha: Salas de espectáculo, aulas de enseñanza, salas de reunión, locales industriales, oficinas, zonas comunes de circulación; como en un lugar acústico específico, es decir, un lugar donde se debe disminuir el nivel sonoro y donde se debe favorecer la escucha a corta distancia al mismo tiempo: salas de deporte, restaurantes. La obtención de una buena corrección acústica depende, por un lado, del volumen y de la forma del local y, por otro lado, de la calidad de las paredes que lo delimitan, y en particular de los materiales dispuestos sobre dichas paredes. Las reflexiones de las ondas sonoras sobre las paredes dependen completamente de las características de las mismas, por ejemplo, si son lisas como el mármol, las ondas sonoras se reflejan sin problema, sin embargo, si estas están cubiertas por cortinas el sonido reflejado es pequeño, debido al nivel de absorción presente en este caso. (Carrión 1998) De la explicación anterior se deriva que el nivel de intensidad acústica en el interior de un local cerrado depende de la directividad de los sonidos emitidos por la fuente y de los sonidos reflejados por las paredes del mismo. En un local con paredes muy reflexivas se dice que es muy reverberante, mientras que si las paredes están cubiertas por cortinas y la reflexión es despreciable se dice que es sordo. Ambos extremos son desagradables y para ello se establecen métodos que permiten regular el sonido para crear un ambiente agradable en el local. A esto se le denomina corrección acústica de una sala. (Carrión 1998) Suponiendo que la fuente sonora ubicada en la sala tiene características omnidireccionales. La intensidad acústica en un punto P no se deberá solo a la energía que llega de la fuente directamente, también influye la energía devuelta por las paredes, de forma que:. 16.

(28) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 𝐼𝑝 = 𝐼1 + 𝐼2 Donde: 𝐼1 =. 4(1−𝛼𝑝 ). ,. 4𝜋𝑟 2. es la intensidad acústica proveniente directamente de la fuente. 𝐼2 = 𝑃 ∗. 4(1 − 𝛼𝑝 ) 𝑆𝛼𝑝. Donde: P: Fuente de sonido, Watt. S: Superficie total de las paredes, m2. α: Coeficiente de absorción de la sala, conocido por definición que: 𝛼= 𝛼𝑝 =. 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒. , que dependen de las características del material, y. ∑ 𝑆𝑖 𝛼𝑖 𝐴 = ∑ 𝑆𝑖 𝑆. La cantidad. 𝑅=. 𝑆𝛼𝑝 1−𝛼𝑝. es un parámetro denominado constante del local R, y define, en. función de αp si el local es reverberante o sordo. Si αp es pequeño, R es pequeño y el local es reverberante. Si αp es grande, R es grande y el local es sordo. Luego del análisis anterior tenemos entonces:. 𝐼𝑟 = 𝐼1 + 𝐼2 = 𝑃(. 1 4 + ) 2 4𝜋𝑟 𝑅. Expresando en dB: 1 4 + ) − 10 log 𝐼0 2 𝑅 4𝜋𝑟. 𝐿𝐼𝑟 = 10 log 𝑃(. 1 4 𝑃 + ) + 10 log 2 𝑅 𝑃0 4𝜋𝑟. 𝐿𝐼𝑟 = 10 log 𝑃(. 1 4 + ) 2 𝑅 4𝜋𝑟. 𝐿𝐼𝑟 = 𝐿𝑝 + 10 log 𝑃(. Si la distancia al punto de medida con relación a la fuente es pequeña, el término 4. 1 4𝜋𝑟 2. predominará sobre el 𝑅 y la variación del nivel sonoro del local es idéntico a la que se produce al aire libre, y la expresión queda como: 17.

(29) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 𝐿𝐼𝑟 = 𝐿𝑝 + 10 log. 1 4𝜋𝑟2. Si la distancia es grande, pues predomina el término. 4 𝑅. y el nivel sonoro es independiente. de r y solo está caracterizado por las características del local, siendo su valor constante. Ahora la expresión nos queda como:. 𝐿𝐼𝑟 = 𝐿𝑝 + 10 log. 4 𝑅. 1.6.2 Aislamiento Acústico. Es evidente que, en un recinto destinado a la grabación o reproducción sonora, es imprescindible disponer de un buen aislamiento acústico. Esto nos permitirá que la reproducción o grabación sonora, no se vea “contaminada” con ruido del exterior. Y al mismo tiempo, el sonido generado dentro de la sala no interfiera a espacios colindantes. Uno de los conceptos más básicos e importantes que hay que entender, es que los materiales de acondicionamiento acústico (absorbentes, difusores, trampas de graves), no funcionan como aislantes acústicos. Se tratan de materiales, cuyo funcionamiento permite optimizar la acústica de la sala y hacer que estas “suenen mejor”, pero no evitan la transmisión de sonido a través de los cerramientos. En nuestra emisora radial del centro el estudio se encuentra levantado del piso con un tabloncillo para evitar que el ruido exterior penetre en el mismo, también cuenta con una doble puerta.. 1.7 Campo Directo y Campo Reverberante. Nivel Total de Presión Sonora. Siguiendo con la hipótesis de régimen permanente y aplicando exclusivamente la teoría de la acústica estadística, resulta que la energía sonora total presente en cualquier punto de una sala se obtiene como suma de una energía de valor variable, que depende de la ubicación del punto, y otra de valor constante. Se supone que se parte de una fuente sonora de directividad conocida que radia una potencia constante. La energía de valor variable corresponde al sonido directo, y disminuye a medida que el receptor se aleja de la fuente, mientras que la energía de valor constante va asociada al sonido indirecto o reflejado. El hecho de que dicha energía no dependa del punto en consideración proviene de aplicar la teoría estadística a todo el sonido reflejado y, en consecuencia, de tratar por igual todas las reflexiones, sean primeras o tardías (cola reverberante). Esta hipótesis teórica conduce a resultados evidentemente aproximados, si bien presenta la ventaja de la simplicidad de cálculo de la energía total. Habitualmente no se trabaja en términos de energía, sino de nivel de presión sonora, lo cual es totalmente equivalente. Ello se debe a que, en la práctica, el nivel de presion sonora es fácilmente medible.La presión sonora total en un punto cualquiera de un recinto se obtiene a partir de la contribución de las presiones del sonido directo (disminuye con la distancia a la fuente) y del sonido reflejado (se mantiene constante). La zona donde predomina el sonido directo se denomina zona de campo directo. A dicha zona pertenecen los puntos más próximos a la 18.

(30) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA fuente sonora y en ella el nivel de presión sonora, llamado nivel de campo directo L D , disminuye 6 dB cada vez que se dobla la distancia a la fuente. Es como si el receptor estuviese situado en el espacio libre. La zona donde predomina el sonido reflejado recibe el nombre de zona de campo reverberante (es por ello que a dicho sonido también se le denomina sonido reverberante). A ella pertenecen los puntos más alejados de la fuente sonora. En esta zona, el nivel de presión sonora, denominado nivel de campo reverberante L R , se mantiene constante.(Carrión,1998) La distancia para la cual LD=LR se denomina distancia critica Dc. Se puede demostrar que: 𝐷𝑐 = 0.14√𝑄𝑅 Donde: Q= factor de directividad de la fuente sonora en la dirección considerada. R= constante de la sala en m2. En la figura 1.10 se muestra la evolución del nivel relativo total de presión sonora en función de la distancia a la fuente, normalizada con respecto a la distancia crítica Dc.. Fig.1.10 Evolución del nivel relativo total de presión sonora en función de la distancia a la fuente sonora normalizada con respecto a la distancia critica Dc. 𝑟. Se puede comprobar que para los puntos proximos a la fuente sonora (𝐷 ≪ 1) : 𝑐. Lp ≈ Ld 𝑟. Mientras que para puntos alejados (𝐷 ≫ 1) : 𝑐. Lp ≈ LR. 19.

(31) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Por otra parte, se puede demostrar que cuanto mayor sea el grado de absorción de un recinto a una determinada frecuencia, mayor será el valor de la constante de la sala R (aumento de la distancia crítica Dc ) y menor el nivel de presión sonora de campo reverberante LR . A título de ejemplo, en la figura 1.11 se representan tres gráficas de niveles relativos totales de presión sonora correspondientes a una sala “viva” (poco absorbente), a una sala intermedia y a una sala “apagada” (muy absorbente), en función de la distancia a la fuente sonora. (Casado 2011) Se puede observar que, efectivamente: LR1 > LR2 > LR3. Fig. 1.11 Gráficas de niveles relativos totales de presión sonora correspondientes a una sala viva, a una sala intermedia y a una sala apagada.. 1.8 Materiales Absorbentes. La finalidad de un material absorbente es eliminar la onda producida por la parte interior del altavoz. No existen materiales ideales que absorban al 100% la energía cinética y la transformen en calor, que no reflejen un porcentaje del sonido y que respondan por igual a todas las frecuencias. Estos materiales se agrupan en tres grandes grupos: - Materiales Porosos. - Materiales Reflexivos. - Materiales Resonadores. Cada uno de ellos presenta un comportamiento diferente de coeficiente de absorción con respecto a la frecuencia.. 1.8.1 Materiales Porosos. Estos tal y como el nombre lo indica presentan una gran cantidad de cavidades de aire que se comunican entre sí, y tienen la cualidad de absorber la energía contenida en las ondas 20.

(32) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA acústicas de alta frecuencia y en bajas solo se ve afectada si se aumenta el espesor de la plancha.. 1.8.2 Materiales Reflexivos. Este tipo de material o tabla reflexiva consiste en un tablero clavado o encolado sobre un bastidor de madera a una distancia dela pared. Las vibraciones del tablero bajo la incidencia de las ondas acústicas varían con la frecuencia del sonido que incide y se hace máximo a la frecuencia de resonancia dado por la siguiente expresión: 𝑓0 =. 600 √𝑚 𝑥 𝑑. 2. m: masa del tablero en Kg/m . d: espesor de la capa situada detrás del tablero en cm. f0: frecuencia de resonancia en Hz.. Como se muestra en la expresión las frecuencias obtenidas son más bajas cuanto más pesado y más grueso sea el tablero. En la práctica se trata que el tablero sea flexible para que la cantidad de energía acústica transformada en calor sea mayor.. 1.8.3 Materiales Resonadores. En este tipo de material se explota el principio de un resonador en forma de botella, en el que sabemos que la frecuencia de resonancia varía en dependencia de las dimensiones de la botella y viene dada por la expresión siguiente: 𝑓0 =. 𝑐 𝑠 √ 2𝜋 (1 + 1.6𝑅)𝑉. c: Velocidad del sonido en el aire. En la práctica con el objetivo de mostrar un coeficiente de absorción constante con la frecuencia se utilizan en formas combinadas las tres técnicas en formas de resonadores combinados. Ejemplo de este caso es un material poroso, reflexivo y montado en una membrana. En este caso el coeficiente de absorción permanece aproximadamente constante con los cambios de frecuencia.. 21.

(33) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.9 Reverberación. El tiempo que tarda en hacerse inaudible el sonido en una sala, depende de su intensidad. Para poder hacer comparaciones entre sonidos diferentes, es necesario definir una magnitud que no dependa de su intensidad inicial. Se define el tiempo de reverberación como el tiempo necesario para que la intensidad de un sonido disminuya a la millonésima parte de su valor inicial o, lo que es lo mismo, que el nivel de intensidad acústica disminuya 60 decibelios por debajo del valor inicial del sonido. Por ejemplo, el tiempo de reverberación del teatro de la Scala de Milán es de 1.2 s y el de la Catedral de Colonia es de 13 s. El tiempo de reverberación depende de cuán absorbentes sean las superficies de la sala. Así, si las paredes son muy reflectoras (es decir que reflejan la mayor parte del sonido que llega a ellas), se necesitarán muchas reflexiones para que se extinga el sonido, y entonces T será grande. Si, en cambio, son muy absorbentes, en cada reflexión se absorberá una proporción muy alta del sonido, por lo tanto, en unas pocas reflexiones el sonido será prácticamente inaudible, por lo cual T será pequeño. Dado que los materiales duros, como el hormigón o los azulejos, son poco absorbentes del sonido, un ambiente con paredes de este tipo tendrá un tiempo de reverberación largo. Una sala cubierta con materiales absorbentes como cortinados, alfombras, etc., por el contrario, tendrá un tiempo de reverberación corto. (Rigel, 2007). 22.

(34) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. Tabla 1.1 Coeficientes de absorción de diversos materiales según la frecuencia.. 1.9.1 Medidas del Tiempo de Reverberación (T). Para medir T de una sala podemos realizar dos tipos de experimentos diferentes: -. Si grabamos un sonido seco y después reproducimos la cinta muy despacio, escucharemos primero el sonido directo, luego las primeras reflexiones y por último la superposición del resto de las reflexiones, la reverberación.. 23.

(35) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA -. Si utilizamos una fuente sonora estacionaria, a medida que las diversas reflexiones llegan al micrófono el nivel sonoro aumenta de forma escalonada. Cuando la energía que proviene de la fuente y la que pierde por absorción en las superficies de la sala se equilibran, se obtiene un estado estacionario. Si se apaga la fuente sonora, el sonido no se anula inmediatamente, sino que decrece lentamente.. 1.9.2 Valor Óptimo del Tiempo de Reverberación. El valor óptimo del tiempo de reverberación depende del uso que tenga la sala. Si el tiempo de reverberación es largo, todos los sonidos individuales sonarán simultáneamente, por lo que debe conseguirse un compromiso entre aquellos valores que nos dan claridad por un lado y suficiente nivel sonoro por otro. En salas utilizadas para conferencias, la claridad es primordial, y deben situarse suficientes elementos absorbentes para disminuir el tiempo de reverberación lo más posible. En estos casos, si el nivel de intensidad es bajo, es mejor instalar amplificación eléctrica. Sin embargo, en el caso de salas dedicadas a escuchar música, puede alargarse el tiempo de reverberación, consiguiendo de esta forma una buena intensidad sonora. Para el diseño de nuevas salas son utilizados valores de frecuencia para el tiempo de reverberación. En estos valores utilizados como referencia existe una componente subjetiva, y no existe un componente unánime. En la tabla 1.2 se muestra los valores óptimos del tiempo de reverberación a una frecuencia de 500 Hertzios para salas de diferentes usos y tamaños. Uso Habitual. V (miles de m3). T (s). Conferencias. 0–4. 0,4 – 1. Música de Cámara. 0,3 – 11. 1 – 1,4. Música Clásica. 2 – 20. 1,5. Música de Órgano. 1 – 25. 1,5 – 2,3. Opera. 10 – 25. 1,6 – 1,8. Música Romántica. 3 – 15. 2,1. Tabla 1.2 Valores Óptimos del Tiempo de Reverberación.. 1.10 Expresión de Sabine. La cantidad de energía por una superficie depende del tamaño y del material del que esté construida. Estas dos características se combinan en una cantidad denominada área de absorción efectiva (Aef), que se define como el producto de su área real por el coeficiente de absorción. El coeficiente de absorción de los materiales depende de la frecuencia, por lo que el tiempo de reverberación también. La otra cantidad que afecta al decrecimiento del sonido es la rapidez con que la energía sonora llega hasta las paredes antes de ser reflejada o absorbida. Esto depende de la intensidad del sonido ambiente, que a su vez depende del volumen de la sala (V). (Carrión 1998) 24.

(36) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA Teniendo en cuenta lo que acabamos de decir obtenemos que: 𝑇=. 0,16 𝑉 𝐴𝑒𝑓. =. 0,16 𝑉 𝑆𝑎. =. 0,16 𝑉 ∑ 𝑆𝑖∗𝑎𝑖. T= Tiempo de reverberación, en segundos. V= Volumen del recinto, en m3. A= Área de absorción equivalente o efectiva, en m2. Es igual a la suma del coeficiente medio de absorción de cada material por su superficie. En los locales con mayor volumen a partir de unos 300 m3 hay que tener en cuenta la absorción del aire: 𝑇=. 0,161 ∗ 𝑉 ∑ 𝑎𝑖 ∗ 𝑆𝑖 + (4 ∗ 𝑚 ∗ 𝑉). La m es el valor de la absorción del aire, expresada en dB por cada 100 metros, y dividida entre 434, La tabla 1.3 muestra los valores que debemos dividir por 434.. Tabla 1.3. Valores de atenuación sonora. Los cálculos del tiempo de reverberación son sólo una aproximación de cómo se comportará una sala. Una vez finalizada su construcción, se ajustan los valores de T para el caso de que la sala esté llena de público. Esto plantea problemas cuando la sala no está llena de público, ya que es difícil realizar asientos que absorban el sonido exactamente igual que una persona. En algunos auditorios, se utilizan butacas que tienen pequeñas oquedades en la parte inferior del asiento. La misión de estos agujeritos es imitar la presencia de una persona sentada en la butaca, absorbiendo las frecuencias altas, cuando la butaca permanece plegada. (Carrión 1998). 25.

(37) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.11 Expresión de Millington.. Para los coeficientes de absorción muy diferentes, es más exacto utilizar la ecuación de Millington: 𝑇=. 0,07 ∗ 𝑉 ∑ 𝑆 ∗ 𝑙𝑛 (1 − 𝑎). Donde: 𝑗=𝑛. ∑ 𝑆𝑗 ln(1 − 𝑎𝑗 ) 𝑗=1. V = Volumen del local en m3. S = Superficies que limitan el recinto en m2. a = Coeficientes de absorción de las diferentes superficies que limitan el recinto.. 1.12 Expresión de Eyring. Se sabe que la ecuación de Sabine sobreestima el valor de T cuando la absorción es alta. Hacia 1930, Eyring y Norris desarrollaron independientemente una ecuación para este caso: 𝑇=. 0,07 ∗ 𝑉 −𝑆 ∗ ln(1 − 𝑎𝑚 ). donde: 𝑎𝑚 =. 𝑎1 ∗ 𝑆1 + 𝑎2 ∗ 𝑆2 + ⋯ + 𝑎𝑛 ∗ 𝑆𝑛 𝑆1 + 𝑆2 + ⋯ + 𝑆𝑛. Y donde: V = Volumen del local en m3. S = Suma de las superficies que limitan el local en m2. am = Coeficiente de absorción medio de las superficies que limitan el recinto. Sn = Superficies que limitan el recinto en m2. an = Coeficientes de absorción de las diferentes superficies que limitan el recinto.. 26.

(38) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.13 Relación entre Potencia Eléctrica y Acústica. En muchas ocasiones en nuestra casa afecta como fuente de sonido la potencia acústica permanente de las bocinas o altavoces de los equipos eléctricos. Existe una relación entre la potencia eléctrica y acústica que viene dada en función del tiempo de reverberación y el volumen del local, atendiendo al nivel de intensidad acústica que se desea. Matemáticamente tenemos que: 𝑉𝑥𝐼 𝑃𝜀 = 4𝑥104 ( ) 𝑇60 𝑥 𝑛 Donde: 𝑃𝜀 = potencia eléctrica, W V = volumen del local, m3 I = intensidad acústica, W/cm2 𝑇60 = tiempo de reverberación, seg N = eficiencia del altavoz, %. 27.

(39) INTRODUCCIÓN A LA ELECTROACÚSTICA. 1.14 Referencias Bibliográficas. BANDINI, A. 2000. Instalaciones electroacústicas. Ed. Marcombo. CASADO-GARCÍA, ME. 2011. Redes de ponderación acústica. Edificio tecnológico, campus de Vegazana. CARRIÓN-ISBERT, A. 1998. Diseño acústico de espacios arquitectónicos. Edicions de la Universitat Politécnica de Catanulyia, SL Electroacústica - M.A. Saposhkov[Online]. Available: www.books.google.es. MAÑO-FRASQUET, J. 2010. Aislamiento y acondicionamiento acústico de un auditorio para actuaciones en directo de bandas de música. Universidad Politécnica de Valencia, Escuela Politécnica Superior de Gandía. RIGEL, C. 2007. Introducción a la acústica de salas: Ingenieros Acústicos Consulting, S.L. Alicante. Sonido[Online]. Available: wikilibros.org. Sound Intensity[Online]. Available: www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. TEIRA-ARNOSO, A.2013. Adecuación y validación de una cámara reverberante a escala para ensayos de pantallas acústicas. Universidad Politécnica de Valencia, Escuela Politécnica Superior de Gandía. Potencia Acústica. Tiempo de Reverberación[Online]. Available: www.ehu.eus. PÉREZ-ARANDA, J & DELGADO, M. 2013. Sonorización de locales. Equipos de Sonido Departamento Electrónica, I.E.S. Los Viveros.. 28.

(40) TRANSCONDUCTORES DEL SONIDO. CAPÍTULO 2. TRANSCONDUCTORES DEL SONIDO Introducción Si se habla de audio y del procesamiento de las ondas sonoras es de vital importancia conocer sobre los transconductores del sonido. Los micrófonos, los altavoces y sus características generales. En este capítulo se tratan esas temáticas de la manera más práctica y abarcadora posible.. 2.1 Principios Físicos de los Micrófonos. El micrófono es un traductor electroacústico que transforma ondas sonoras en señales eléctricas. Recibe la presión sonora en su membrana (o diafragma), y la envía sobre un convertidor mecánico-eléctrico que la transforma en señal eléctrica. Si no hay sonido, no se genera señal eléctrica. Esta señal, una vez manipulada de manera conveniente, se puede volver a escuchar por medio de altavoces o auriculares.. Fig. 2.1 Funcionamiento del micrófono.. 2.2 Tipos de Micrófonos y sus Características. Los micrófonos poseen varias características que son las que van a definir sus posibilidades de uso en diferentes situaciones. Sensibilidad: Indica la capacidad de un micrófono para captar sonidos débiles, de poca intensidad. Es la presión sonora que hay que ejercer sobre el diafragma para que nos proporcione señal eléctrica. La sensibilidad de un micrófono cualquiera se mide a la frecuencia de 1000 Hz y se expresa en milivoltios por Pascal (mv/Pa). Se puede representar por la siguiente fórmula: s = t / p. Donde; s es la sensibilidad, t es la tensión eléctrica proporcionada, y p es la presión sonora que ejercemos sobre el diafragma. Los micrófonos de condensador son los más sensibles, después los dinámicos, y por último los de cinta. No es aconsejable el uso de micrófonos cuya sensibilidad sea inferior a 1 mv/Pa. 29.