INTENSIDAD SONORA
DE BRÜEL & KJÆR
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¿Qué ocurre con el ruido de fondo?
Una de las principales ventajas del método de cálculo de la potencia sonora a partir de la intensidad es que no se ve afectado por un alto nivel de ruido de fondo, a condición de que ese ruido de fondo sea estacionario.
Imaginemos una superficie en el espacio (cualquier volumen cerrado). Si dentro de dicho espacio cerrado existe una fuente sonora, podemos medir la intensidad media que atraviesa la superficie y multiplicarla por el área para calcular la potencia sonora total que irradia la fuente.
Si, a continuación, extraemos la fuente de la superficie y volvemos a determinar la potencia sonora, el resultado sería cero. Siempre captaremos una cierta cantidad de energía que incide en alguna parte de la superficie. Sin embargo la energía que entra por un lago sale por otro; por tanto su contribución a la potencia sonora que irradia la caja sería nula.
CONTENIDO
Para que la afirmación anterior sea válida, el nivel de ruido de fondo no debe fluctuar significativamente a lo largo del tiempo. Cuando se cumple esta condición, se considera que el ruido es estacionario. Conviene tener en cuenta que, con un tiempo de promediación lo suficientemente largo, se elimina la influencia de las pequeñas fluctuaciones aleatorias en el nivel de ruido. Otra condición necesaria es que la caja no absorba sonido. De lo contrario, parte del ruido de fondo que entra en la caja no sale de ella.
El ruido de fondo puede entonces considerarse como una serie de fuentes situadas fuera de la caja de medición, sin ningún efecto en la potencia sonora de la fuente que medimos. En la práctica, es posible medir con una precisión de 1 dB la potencia sonora de una fuente que emite sonido hasta 10 dB por debajo del ruido de fondo. Si el ruido de fondo plantea algún problema, se puede seleccionar una superficie de medición más pequeña para mejorar la relación señal-ruido.
Elaboración de mapas de intensidad
En cualquier problema de control de ruido, lo primero es localizar e identificar la fuente. Las medidas de intensidad sonora ofrecen varias formas de hacerlo, con ventajas considerables con respecto a las técnicas de medida de la presión sonora.
Gráficos de contorno
Los gráficos de contorno presentan una imagen detallada del campo sonoro que genera una fuente. A partir del gráfico se pueden identificar con precisión varias fuentes y/o pozos.
Para definir una superficie, se establece una cuadrícula. A continuación, se efectúan medidas de intensidad sonora en dirección normal a dicha superficie, en un cierto número de puntos equiespaciados de la superficie. Esas mismas medidas pueden emplearse para calcular la potencia sonora a través de la cuadrícula. Los valores se almacenan. Con ello, hemos obtenido una matriz de niveles de intensidad, con un valor para cada punto. A continuación, se pueden trazar líneas de igual intensidad interpolando y uniendo los puntos que tienen el mismo valor de intensidad.
Localización de la fuente: el método de búsqueda del valor nulo
Como prueba rápida y sencilla, podemos utilizar la característica direccional de la sonda. El sonido que incide a 85° con respecto al eje se registra con una intensidad positiva, mientras que el sonido que incide a 95° produce una intensidad negativa. Por lo tanto, se produce un cambio de signo en un pequeño intervalo angular.
Mientras observamos la representación gráfica, hacemos un barrido en el que la sonda describe una línea paralela al plano en el que pensamos que se encuentra la fuente. En algún momento, se produce un cambio brusco de signo. Esta posición se identifica como el punto en el que la representación cambia rápidamente de una intensidad positiva a una negativa. En ese punto, el sonido incide en la sonda a 90º con respecto a su eje. Por tanto, hemos localizado la fuente. Este método es útil cuando hay una única fuente dominante; si hay otras fuentes (o pozos), los resultados pueden no ser claros.
Instrumentación
Un sistema de análisis de la intensidad sonora tiene tres componentes esenciales: un sistema de adquisición de datos, una sonda y un calibrador. Brüel & Kjær dispone de un completo catálogo de estos componentes. Igualmente, suministra paquetes de software de posprocesamiento. En conjunto, ofrece una amplia gama de sistemas de medida de la intensidad.
Brüel & Kjær ofrece soluciones de medida de intensidad sonora optimizadas para uso de campo o de laboratorio.
El Analizador portátil Modelo 2270 con el Software de intensidad sonora BZ-7233 es un analizador de intensidad sonora en tiempo real muy portátil, ideal para aplicaciones de campo. Este analizador incorpora orientaciones de medida y facilita el flujo de trabajo para determinar la potencia sonora de acuerdo con las normas ISO 9614-1, ISO 9614-2, ANSI S12.12 y ECMA 160.
Por su parte, PULSE™ Sound Power Using Sound Intensity Modelo 7882 es un software para determinar la potencia sonora según las normas ISO 9614-1, ISO 9614-2 e ISO 9614-3. En combinación con la Sonda de intensidad sonora Modelo 3599 y un módulo LAN-XI adecuado, el Modelo 7882 constituye una solución ideal para determinar la potencia acústica en el laboratorio.
El calibrador de intensidad sonora
El Modelo 4297 es un completo calibrador de intensidad sonora compacto y portátil, con fuentes sonoras incorporadas. A diferencia de los calibradores de intensidad sonora más antiguos, el Modelo 4297 puede utilizarse sin necesidad de desmontar la sonda de intensidad sonora. Se adapta muy bien a aplicaciones de campo y de laboratorio.
Cómo medir
Promediación temporal
Para minimizar el error aleatorio se debe emplear un tiempo de promediación lo suficientemente largo como para obtener resultados estables. Para valorar el tiempo de promediación necesario, se pueden obtener varias medidas e ir incrementando el tiempo hasta obtener resultados repetibles.
Promediación espacial
Las medidas de barrido deben cubrir todas las áreas por igual. Por tanto, la velocidad de barrido debe ser constante y el área debe cubrirse con un número entero de barridos. En las mediciones de puntos discretos, el número de puntos necesario viene dado por la variabilidad de la intensidad a lo largo de la superficie de medida. Cuanto mayor es la variabilidad, más puntos de medida se requieren. Es fácil saber cuándo es correcto el promedio espacial: cuando se obtienen resultados repetibles para diferentes superficies de medida o para diferentes posiciones de medida en una misma superficie, entonces el promedio espacial es correcto.
Ruido de fondo
Es posible obtener medidas con una precisión de 1 dB incluso aunque el nivel de ruido de fondo supere al de la fuente en 10 dB, a condición que el ruido de fondo sea estable. Para hacerse una idea de la contribución del ruido de fondo, se puede medir la potencia sonora con la fuente apagada (si es posible). De este modo, solo se mide el ruido de fondo. El efecto del ruido de fondo se reduce midiendo más cerca de la fuente.
Límite de frecuencia
Los dos micrófonos aproximan el gradiente de la curva a una línea recta entre dos puntos. Si la curva varía muy rápido entre esos dos puntos, la estimación será imprecisa. Esto ocurre cuando la longitud de onda medida es pequeña en comparación con la distancia efectiva de separación entre los micrófonos.
En estos casos, la comparación de la distancia efectiva de separación con la longitud de onda produce una distorsión en las características direccionales de la intensidad sonora de la sonda. Esta distorsión es especialmente acusada en la dirección del eje de la sonda (ver la figura). Para una distancia efectiva dada de separación, existe un límite superior de frecuencia más allá del cual el error aumenta significativamente. Para obtener una precisión de ±1 dB, la longitud de onda medida debe ser más de seis veces mayor que la distancia de separación. Eso corresponde a los límites superiores de frecuencia siguientes:
- Separador de 50 mm: hasta 1,25 kHz
- Separador de 12 mm: hasta 5 kHz
- Separador de 6 mm: hasta 10 kHz
Límite de frecuencia superior ampliado
La configuración utilizada, en la que los dos micrófonos se colocan uno frente al otro, produce una resonancia en la pequeña cavidad entre el separador y la membrana del micrófono. Eso, a su vez, provoca un aumento de la presión debida a la incidencia de sonido a lo largo del eje de la sonda. Este aumento de presión compensa, hasta cierto punto, la distorsión de la característica direccional de la sonda provocada por el error en la diferencia finita.
Por tanto, el intervalo de frecuencia operativo de la sonda de Brüel & Kjær puede ampliarse una octava por encima del límite marcado por el error en la diferencia finita, siempre que la longitud del separador colocado entre los micrófonos sea igual al diámetro de estos, y siempre que los niveles se compensen con una respuesta de frecuencia optimizada para el par de micrófonos en cuestión. Este fenómeno fue descubierto originalmente por F. Jacobsen, V. Cutanda y P.M. Juhllos, autores del artículo A Sound Intensity Probe for Measuring from 50 Hz to 10 kHz. Revista técnica de Brüel & Kjær nº 1, 1996.
Límite de frecuencia inferior
A bajas frecuencias, la diferencia entre las señales de los dos micrófonos es muy pequeña. Las mediciones son, por tanto, más sensibles al ruido autogenerado del propio equipo de medida y a los errores causados por los desajustes de fase.
Estos problemas pueden atenuarse utilizando una mayor separación entre los micrófonos aunque, como contrapartida, se reduce el límite de frecuencia superior.
El mismo sonido llega a los dos micrófonos con un leve retardo, que se emplea para calcular la velocidad de propagación. Dado que existe una correlación entre el retardo, la fase y el índice de presión-intensidad de las medidas de intensidad sonora, los errores de fase pueden analizarse y expresarse desde la perspectiva del índice de presión-intensidad.
Tanto los micrófonos como los componentes eléctricos de los canales de medición alteran la fase de las señales. Cualquier diferencia en los cambios que los dos canales introducen en la señal produce errores de desfase. La magnitud del desfase entre los dos canales del sistema analizador determina el límite de frecuencia inferior. A altas frecuencias, el cambio de fase a lo largo de la distancia del separador es importante. Por ejemplo, el cambio de fase es de 65° a 5 kHz con un separador de 12 mm. En cambio, a bajas frecuencias, la fase varía poco a lo largo de la distancia del separador. A 50 Hz, el cambio de fase a lo largo de un separador de 12 mm es de tan solo 0,65°. Para obtener una precisión del orden de 1 dB, el cambio de fase a lo largo de la distancia del separador debe ser más de cinco veces mayor que el desfase.
La norma internacional IEC 61043, que regula los instrumentos de intensidad sonora, establece requisitos mínimos en cuanto al índice presión-intensidad residual. Estos requisitos pueden traducirse en errores de fase para el conjunto del sistema de ±0,086° a 50 Hz y ±1,7° a 5 kHz.