Sound Intensity

Intensidad sonora: teoría y cómo medirla

Las medidas acústicas y la teoría acústica no siempre han avanzado al mismo ritmo. Lord Rayleigh sentó las bases de la acústica moderna con su obra The Theory of Sound, publicada en 1877-1878. Dentro de este cuerpo teórico, la magnitud intensidad sonora ya ocupaba un lugar central. Sin embargo, tuvieron que pasar cien años para que apareciera un método práctico completo para medirla.

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INTENSIDAD SONORA
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Presión sonora y potencia sonora

Las fuentes sonoras irradian una potencia sonora que, a su vez, genera presión sonora. La potencia sonora es la causa y la presión sonora es el efecto. Hagamos una analogía: un radiador eléctrico irradia calor en una habitación y, como efecto, produce un aumento de la temperatura. La temperatura es también la magnitud física que nos hace sentir calor o frío. La temperatura de la habitación depende de la propia habitación, del aislamiento y de la presencia de otras fuentes de calor. Sin embargo, el radiador irradia siempre la misma potencia —a condición de que reciba un suministro eléctrico constante—, de manera prácticamente independiente del entorno. La relación entre la potencia sonora y la presión sonora es similar. Lo que oímos es la presión sonora, pero la causa es la potencia sonora que emite la fuente.

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CONTENIDO

  1. Presión sonora y potencia sonora
  2. ¿Qué es la intensidad sonora?
  3. ¿Por qué se mide la intensidad sonora?
  4. Campos sonoros
  5. Presión y velocidad de partícula

La presión sonora que oímos o que medimos con un micrófono depende de la distancia a la que está la fuente y del entorno acústico (o campo sonoro) en el que se propagan las ondas sonoras. Ello a su vez depende del tamaño de la estancia y de la capacidad de absorción del sonido de las superficies de la misma. Por consiguiente, limitarse a medir la presión sonora no cuantifica necesariamente la cantidad de ruido que hace una máquina. Es necesario determinar la potencia sonora, porque es una magnitud más o menos independiente del entorno y porque es la única que realmente describe hasta qué punto es ruidosa una fuente sonora.

¿Qué es la intensidad sonora?

Cualquier máquina que genera vibraciones irradia energía acústica. La potencia sonora es la velocidad a la que se emite dicha energía (cantidad de energía por unidad de tiempo). La intensidad sonora mide el flujo de energía a través de una unidad de superficie. En el sistema internacional de unidades, Ia unidad de superficie es el metro cuadrado (m2). Por tanto, la intensidad sonora se mide en vatios por metro cuadrado.

Sound intensity 

La intensidad sonora también informa sobre la dirección del sonido, ya que existe flujo de energía en determinadas direcciones pero no en otras. En consecuencia, la intensidad sonora es una magnitud vectorial, ya que tiene tanto módulo como dirección. En cambio, la presión es una magnitud escalar. Normalmente, la intensidad se mide en una dirección normal (a 90°) con respecto a una superficie unitaria dada, a través de la cual fluye la energía acústica.

Conviene señalar que la intensidad sonora es el promedio temporal del flujo de energía por unidad de superficie. En algunos casos, la energía puede propagarse en ambos sentidos. Esta circunstancia no se mide, ya que si no hay un flujo neto de energía, tampoco habría una intensidad neta.

En el diagrama de más abajo, una fuente sonora irradia energía. Esa energía debe atravesar la superficie que rodea la fuente. Dado que la intensidad es la potencia por unidad de superficie, resulta sencillo medir la intensidad normal promediada en el espacio en una superficie que circunscribe la fuente, y después multiplicarla por dicha superficie para calcular la potencia sonora. En caso de que el sonido se propague en un campo libre, la intensidad (y la presión) sigue la ley de la inversa del cuadrado.

Sound level and intensity mapping

Como se puede ver en el diagrama, la superficie que encierra la fuente es 4 veces mayor a una distancia 2r de la fuente que a una distancia r. Sin embargo, la potencia irradiada debe ser la misma sea cual sea la distancia. En consecuencia, la intensidad —o sea, la potencia por unidad de superficie—, debe reducirse con la distancia.

¿Por qué se mide la intensidad sonora?

Es posible determinar la potencia sonora de un objeto a partir de medidas de presión sonora; no obstante, existen algunos inconvenientes prácticos. La potencia sonora solo puede correlacionarse con la presión sonora en condiciones cuidadosamente controladas, en las que el campo sonoro cumple una serie de supuestos especiales. Los recintos construidos expresamente con este objetivo, como las cámaras anecoicas o de reverberación, cumplen los requisitos necesarios. Tradicionalmente, para medir la potencia sonora, la fuente de ruido debía situarse en una sala de este tipo.

La intensidad, en cambio, puede medirse en cualquier campo sonoro, sin que tengan que cumplirse supuestos. Esta característica permite obtener todas las medidas directamente sobre el terreno. Además, se pueden obtener medidas en máquinas individuales o en componentes específicos aunque el resto de la maquinaria esté emitiendo ruido, ya que un ruido de fondo constante no afecta a la potencia sonora calculada a partir de la intensidad.

Why measure sound intensity

Y, dado que la intensidad proporciona una medida de dirección y de módulo, también resulta muy útil para localizar fuentes sonoras. De este modo, se pueden estudiar sobre el terreno los patrones de radiación de máquinas vibratorias complejas.

Campos sonoros

Un campo sonoro es una región del espacio en la que hay sonido. Se clasifican de acuerdo con el modo y el entorno en que se propagan las ondas sonoras. A continuación se describen algunos ejemplos, así como la relación existente entre la presión y la intensidad. Esta relación se conoce con exactitud solo en los dos primeros casos especiales que se explican a continuación.

Campo libre

Este término describe la propagación del sonido en un espacio libre ideal en el que no se produce reflexión. Estas condiciones se dan al aire libre (a una distancia suficiente del suelo) o en una cámara anecoica en la que todo el sonido que incide en las paredes se absorbe. La propagación en campo libre se caracteriza por un descenso de 6 dB en los niveles de presión e intensidad (en la dirección en la que se propaga el sonido) cada vez que se duplica la distancia con respecto a la fuente. Se trata de un ejemplo de la ley de la inversa del cuadrado. La relación entre la presión y la intensidad sonora (solo el módulo) también es conocida, lo cual proporciona una manera de calcular la potencia sonora, que se describe en las normas internacionales ISO 3744, 3745 y 3745.

Free field 

Campo difuso

En un campo difuso, el sonido se refleja tantas veces que se propaga en todas las direcciones con la misma magnitud y grado de probabilidad. Las cámaras de reverberación se aproximan a este tipo de campo. A pesar de que en este caso la intensidad neta es cero, existe una relación teórica entre la presión de la estancia y la intensidad unidireccional, Ix. Este valor es la intensidad en una dirección, sin tener en cuenta la componente con igual módulo y sentido opuesto. Aunque la intensidad unidireccional no puede medirse con un analizador de intensidad sonora es de todos modos, una magnitud útil: podemos medir la presión y utilizar la relación entre la presión y la intensidad unidireccional para determinar la potencia sonora. El procedimiento se describe en las normas ISO 3741, 3743 y 3747.

Diffuse field 

Campos sonoros activos y reactivos

La propagación del sonido implica un flujo de energía; no obstante puede existir presión sonora aunque no se produzca propagación. Un campo activo es aquél en el que existe un flujo de energía. En un campo reactivo puro no existe flujo neto de energía. Esto es así porque la energía se propaga hacia el exterior en un momento dado pero siempre regresa hacia el interior en un momento posterior. La energía se almacena como en un muelle. La intensidad neta es, por tanto, cero. En general, un campo sonoro real cuenta con componentes activos y reactivos. Las medidas de presión realizadas para calcular la potencia sonora en campos que no están bien definidos pueden ser imprecisas, ya que el componente reactivo no está correlacionado con la potencia irradiada. No obstante, es posible medir la intensidad sonora. Dado que la intensidad sonora describe el flujo de energía, el componente reactivo del campo es irrelevante. A continuación se muestran dos ejemplos de campos reactivos.

Ondas estacionarias en un tubo

Pensemos en un pistón que excita el aire en uno de los extremos de un tubo. En el otro extremo, hay un elemento terminal que refleja las ondas sonoras. La combinación de las ondas que se desplazan hacia adelante y las ondas reflejadas genera un patrón de máximos y mínimos de presión, que se producen a distancias fijas a lo largo del tubo. Si el elemento terminal es perfectamente rígido, toda la energía se refleja y la intensidad neta es cero. En cambio, si el elemento terminal tiene una cierta capacidad de absorción, se medirá cierta intensidad. Las ondas estacionarias también aparecen en salas a bajas frecuencias.

Spring power

Campo cercano de una fuente

En la región más próxima a una fuente, el aire actúa como un sistema masa-resorte capaz de almacenar energía. La energía circula sin propagarse y la región por la que se desplaza se denomina campo cercano. En esta región, el cálculo de la potencia sonora solo puede realizarse mediante mediciones de la intensidad sonora. Y, como es posible trabajar muy cerca de la fuente, la relación señal-ruido puede optimizarse.

Presión y velocidad de partícula

Cuando una partícula de aire se desplaza de su posición media se produce un aumento transitorio de la presión. Este aumento de la presión tiene dos efectos: por un lado, lleva de nuevo a la partícula a su posición inicial y, por otro, transmite la perturbación a la siguiente partícula. Los ciclos de aumento de presión (compresión) y de disminución (rarefacción) se propagan por el medio como una onda sonora. En este proceso intervienen dos parámetros importantes: Particle velocity formulala presión (aumentos y disminuciones locales con respecto a la presión ambiente) y la velocidad de las partículas del aire, que oscilan en torno a una posición fija. La intensidad sonora es el producto de la velocidad de partícula y la presión. Y, como puede verse en la transformación del cuadro, es equivalente a la definición de potencia por unidad de superficie que hemos hecho anteriormente.

En un campo activo, la presión y la velocidad de partícula varían de forma simultánea. Un pico en la señal de presión se produciría al mismo tiempo que un pico en la señal de velocidad de partícula. A este fenómeno se le denomina “estar en fase” y el producto de las dos señales se traduce en una intensidad neta. En un campo reactivo, la presión y la velocidad de partícula están desfasadas 90°. Están desplazadas entre sí un cuarto de la longitud de onda. Multiplicando las dos señales se obtiene una señal de intensidad instantánea que varía en torno a cero de forma sinusoidal. La intensidad promediada en el tiempo es, por tanto, cero. En un campo difuso, la fase de la presión y la velocidad de partícula varia aleatoriamente, de manera que la intensidad neta es cero.

Phase shift 

SIGUIENTE CAPÍTULO: "¿CÓMO SE MIDE LA INTENSIDAD SONORA?" 

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