Fundamentos del Sonido

Se han recogido en los siguientes apartados una serie de conceptos básicos sobre la física y matemática del sonido y algunas definiciones, que ayuden a interpretar los resultados de los Mapas Estratégicos de Ruido presentados en esta web.

¿Qué es el sonido?

El sonido es una perturbación que se propaga (en forma de onda sonora) a través de un medio elástico (sólido, líquido o gas) produciendo variaciones de presión o vibración de partículas, que pueden ser percibidas bien por el oído humano o bien por instrumentos específicos para tal fin.

Frecuencia

El número de variaciones de presión por segundo es lo que se denomina frecuencia del sonido y se mide en Hercios (Hz). La frecuencia de un sonido produce su tono distintivo.

Conociendo la velocidad de propagación de las variaciones de presión por un cierto medio (c) y la frecuencia, se puede calcular la longitud de onda que es la distancia entre un máximo o pico de presión de una onda y el siguiente.

Los sonidos de alta frecuencia tienen longitud de onda corta y los de baja frecuencia longitudes de onda larga.

λ = c⁄ƒ

Un sonido de una sola frecuencia se denomina tono puro. La mayor parte de los sonidos consisten en una amplia mezcla de frecuencias denominada de banda ancha.

Usualmente, el contenido en frecuencias de un sonido se agrupa en lo que se denomina bandas de frecuencia. Cada banda está compuesta por un número determinado de frecuencias: los extremos y la frecuencia central, mediante la cual se designa cada banda, están normalizadas.

El oído humano es capaz de identificar sonidos entre 20 Hz y 20.000 Hz, aunque para usos generales se utiliza el rango de frecuencias entre 100 Hz y 8 kHz. La escala de frecuencia empleada es logarítmica por ser la que mejor se ajusta al comportamiento del oído humano.

Las bandas pueden poseer un mayor o menor contenido de frecuencias dependiendo de sus anchura de banda. Las bandas de octava (1/1 octava) se definen como un intervalo de frecuencias entre dos sonidos cuyas frecuencias centrales son dobles una de la otra. Cuando se requiere mayor resolución, las banda de tercio de octava (1/3 octava) se obtienen al dividir cada banda de octava en tres intervalos, logarítmicamente iguales.

Representación de un nivel sonoro en bandas de frecuencia de tercios de octava[D]
Representación de un nivel sonoro en bandas de frecuencia de octava[D]
El Decibelio (dB)

La segunda cantidad principal que se utiliza para describir un sonido es el tamaño o amplitud de las fluctuaciones de presión.

Las variaciones de presión sonora audibles son muy pequeñas, en un margen que puede ir desde los 20 µPa (20×10-6 Pa) hasta los 100 Pa.

20 µPa corresponde al umbral auditivo medio de una persona. Por lo tanto es llamado umbral auditivo. Una presión sonora de, aproximadamente, 100 Pa es tan alta que causa dolor y por lo tanto es llamado umbral del dolor.

Si se midiese el sonido en Pascales, se trabajaría con cantidades enormes y poco manejables en la práctica. Para evitarlo se utiliza otra escala: El Decibelio.

Nivel en dB = 10*log10 (Cantidad medida ⁄ Cantidad de referencia)

Relación de escala entre el nivel de presión sonora en Pascales y en dB

Relación de escala entre el nivel de presión sonora en Pascales y en dB
µPa dB
20 - 1000 - 15
100 - 100015 - 35
1000 - 1000035 - 55
10000 - 10000055 - 75
100000 - 100000075 - 95
1000000 - 1000000095 - 115
10000000 - 100000000115 - 135
100000000135 - 140

La escala de decibelios da una aproximación mucho mejor a la percepción humana de sonoridad relativa que la escala lineal (Pa). El oído reacciona a un cambio logarítmico de nivel, que corresponde a la escala de decibelios, donde dB es el mismo cambio relativo en cualquier lugar de la escala. La escala en dB es logarítmica y utiliza el umbral auditivo de 20 µPa como nivel de referencia.

Tipos de Sonidos
Continuo constante
Tráfico rodadoEs un ruido proveniente de un foco que opera sin interrupción por lo que el sonido es continuo en el tiempo y además emite un sonido invariable.
Continuo intermitente
Percutor hidráulicoEs un ruido proveniente de un foco que opera en ciclos. Mientras está funcionando su sonido es constante, pero no es continuo en el tiempo.
Transitorio
Tráfico ferroviarioEs un ruido que se presenta en periodos aislados.
Fluctuante no periódico
Actividad industrialSe refiere a un ruido muy variable y aleatorio, donde puede haber muchos focos de ruido operando simultáneamente.
Impulsivo simple
VoladurasSe refiere a un sonido breve y abrupto que causa sorpresa en el ser humano.
Impulsivo repetitivo
Paso sobre chapa metálicaEs un ruido impulsivo pero que se repite en el tiempo.
Combinación de niveles sonoros

En muchas situaciones prácticas es necesario determinar el efecto combinado de varias fuentes sonoras.

Sin embargo, debido al hecho de que los niveles sonoros representados por un valor en dBs son valores logarítmicos, esta combinación no puede realizarse sumado o restando aritméticamente, sino que la intensidad acústica resultante debe ser determinada tomando algoritmos de los niveles sonoros, sumando o restando los valores en la escala lineal y formado de nuevo el algoritmo.

LpSUMA = 10*Log∑i10(Li⁄10)

Para simplificar estos cálculos existe una carta gráfica que facilita la suma y resta de valores logarítmicos.

Procedimiento de suma y resta de decibelios de forma gráfica
Suma de L1 = 80 dB y L2 = 87 dB
  1. L1 - L2 = 7
  2. Se entra por el valor 7 del eje de abscisas hasta cortar con la curva
  3. Se obtiene el valor correspondiente del eje de ordenadas (0,8)
  4. El valor resultante se suma al mayor valor de L1 y L2
  5. Resultado: L1 + L2 = 87,8 dB

La suma de dos focos iguales origina un incremento en el nivel sonoro de 3 dB.

Ejemplo de suma de decibelios de dos fuentes sonoras iguales

Lp1 = 80 dB

Lp2 = 80 dB

Lp1 + Lp2 = 80+3 = 83 dB

Teniendo en cuenta que la sensación de molestia no es lineal con respecto a los niveles sonoros en decibelios, el caso anterior no implica que la sensación para el oído humano sea del doble del sonido, sino que es necesario un incremento de 10 dB, es decir un sonido 10 veces mayor, para que la sensación sea el doble.

También se debe tener presente que si se emiten simultáneamente dos niveles sonoros por dos fuentes, siendo una de ellas al menos 10 dB superior a la otra, el nivel sonoro resultante es igual al originado por la más grande.

Curvas de Ponderación

Basándose en las curvas de isosonoridad del oído humano ( figura anterior) se definieron una serie de filtros con la pretensión de ponderar la señal recogida por un micrófono de acuerdo con la sensibilidad del oído, es decir, atenuando las frecuencias bajas, para poder reflejar un nivel sonoro representativo de la sensación de ruido recibida.

Curva de ponderación A. Relaciona cada banda de frecuencia de tercio de octava con su correspondiente valor de ponderación en dB

Con este criterio se han definido varios filtros, siendo el más habitualmente empleado el A, ya que diversos estudios experimentales han demostrado que, aunque se desarrolló con la idea de caracterizar niveles sonoros bajos, caracteriza adecuadamente la molestia para todos los niveles.

Parámetros descriptores del sonido

El sonido es un fenómeno variable lo que exige para su caracterización el empleo de parámetros que consideran esta característica, bien reflejándola o bien mediante la obtención de niveles promedio representativos del fenómeno.

La tendencia actual es unificar el empleo de los parámetros empleados para la caracterización del impacto de cualquier tipo de foco de ruido ambiental. Los parámetros más empleados son los siguientes:

El nivel sonoro equivalente LAeq a lo largo de un determinado periodo T, permite analizar la evolución de un foco sonoro durante el periodo de tiempo de interés.

En acústica ambiental es frecuente complementar la información proporcionada por el LAeq con los niveles estadísticos o percentiles, LAN,T, que expresan el nivel que se supera en el porcentaje del periodo total de medida indicado en la denominación del percentil, y que proporcionan información sobre la fluctuación del nivel sonoro durante el intervalo de medida.

En ocasiones puede ser interesante el empleo del nivel máximo de presión sonora ponderado A, LpA, maxF, como representativo de la molestia originada.

El criterio mas extendido para caracterizar la situación sonora de un punto o un área, es utilizar índices basados en el concepto de nivel equivalente, siendo los más habituales los niveles promedio continuo equivalente correspondiente a los periodos diurno LAeq-día y nocturno LAeq-noche, o según indica la Directiva 49/CE/2002 sobre Evaluación y Gestión del Ruido Ambiental, el nivel promedio equivalente día- tarde-noche, Lden

LDEN = 10*Log(1⁄24)((1⁄12)10(LDIA⁄10)+(1⁄4)10((LTARDE+5)⁄10)+(1⁄8)10((LNOCHE+10)⁄10))

Donde,

Ldía es el nivel sonoro medio a largo plazo ponderado A definido en la norma ISO 1996-2:1987 determinado a lo largo de todos los periodos diurnos de un año. Al periodo día le corresponden 12 horas entre las 7:00-19:00 horas.

Ltarde es el nivel sonoro medio a largo plazo ponderado A definido en la norma ISO 1996-2:1987 determinado a lo largo de todos los periodos vespertinos de un año. Al periodo tarde le corresponden 4 horas entre las 19:00-23:00 horas.

Lnoche es el nivel sonoro medio a largo plazo ponderado A definido en la norma ISO 1996-2:1987 determinado a lo largo de todos los periodos nocturnos de un año. Al periodo noche le corresponden 8 horas entre las 23:00-7:00 horas.

Propagación del sonido

La propagación del sonido en el aire se puede comparar a las ondas de un estanque. Las ondas se extienden uniformemente en todas direcciones, disminuyendo en amplitud según se alejan de la fuente.

En el caso ideal de que no existen objetos reflectantes u obstáculos en su camino, el sonido proveniente de una fuente puntual, se propaga en el aire en forma de ondas esféricas con una relación de reducción del nivel de presión sonora de 6 dB cada vez que se dobla la distancia.

El sonido proveniente de una fuente lineal (comportamiento de carreteras y líneas de ferrocarril), se propaga en forma de ondas cilíndricas con una relación de reducción del nivel de presin sonora de 3 dB cada vez que se dobla la distancia.

Representación de la forma de propagación del sonido a partir de una fuente puntual (esférica) y de una fuente lineal (cilíndrica)
Propagación de una fuente puntual

Propagación de una fuente puntual

Propagación de una fuente lineal

Propagación de una fuente lineal