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ACUSTICA

ACUSTICA. Acústica : R ama de la física que estudia el sonido. Abarca la producción, propagación y recepción del sonido, producido y recibido por seres humanos o por máquinas e instrumentos de medición.

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  1. ACUSTICA • Acústica: Rama de la física que estudia el sonido. Abarca la producción, propagación y recepción del sonido, producido y recibido por seres humanos o por máquinas e instrumentos de medición. • Sonido: Variaciones de presión en un medio compresible que pueden producir una sensación sonora en el ser humano, desde los más débiles que pueden percibirse y aquellos que pueden producir daños a la audición.

  2. Sonido

  3. Sonido El sonido es parte de la vida diaria, placentera (música) o útil, al permitir la comunicación, la recepción de señales de alerta, la evaluación del funcionamiento de motores, del latido cardíaco, … Aunque, …. el sonido también puede destruir (como una onda sónica que hace estallar vidrios) o dañar el delicado oído humano.

  4. Presión sonora y presión atmosférica Silencio Tiempo P(t) = Pt(t) – Pa donde: P(t) es la presión acústica; Pt(t) es la presión total; Pa es la presión átmosférica estática (~1000 mbar) 1 atm 20 µPa = --------------------------- 5 000 000 000

  5. Presión sonora Compresión Rarefacción Compresión λ = c/f = cT Las ondas sonoras son longitudinales, de velocidad de propagación c (340 m/s en el aire a 20 C), frecuencia f y período T (inversa de la frecuencia) Longitud de onda Rango audible: 20 Hz a 20 kHz λ (20 Hz) = 17 m ; λ (100 Hz) = 3,4 m λ (1 kHz) = 34 cm; λ (10 kHz) = 3,4 cm ; λ (20kHz) = 1,7 cm Tiempo

  6. Dominio del tiempo y dominio de la frecuencia Tiempo Frecuencia Tiempo Frecuencia Tiempo Frecuencia Tres ejemplos de la relación entre la forma de onda de una señal en el dominio del tiempo y su espectro en el dominio de la frecuencia.

  7. Ruido

  8. Ruido Ruido: Todo sonido molesto. Concepto subjetivo. Parte inevitable de la vida moderna. El desarrollo tecnológico ha incrementado el de máquinas, fábricas, transporte, etc... - Un ruido no debe necesariamente ser alto para ser molesto. - Se tolera un nivel de ruido mayor durante el día que durante la noche. - La exposición a niveles altos de ruido (sonido) en períodos prolongados puede dañar las células de la cóclea. El tímpano rara vez es dañado por el ruido industrial.

  9. Efectos Extra-auditivos del Ruido El ruido también tiene efectos extra-auditivos: aceleración de la pulsación, aumento de la presión sanguínea y estrechamiento de los vasos sanguíneos. La exposición prolongada al ruido alto puede sobrecargar el corazón, produciendo segregación anormal de hormonas y tensiones musculares. Como efecto de estas alteraciones puede modificarse el comportamiento, en forma de nerviosismo, fatiga mental, frustración, empeoramiento del desempeño laboral, ausencias en el trabajo, … Hay quejas de dificultades mentales y emocionales, causa de irritabilidad, fatiga y conflictos sociales entre operarios expuestos.

  10. Fuentes de ruido típicas y sus señales sonoras Tiempo Frecuencia Tiempo Frecuencia Tiempo Frecuencia

  11. Intensidad Sonora Al generar sonido una fuente de potencia sonora P, se transfiere energía de la fuente a las moléculas del aire circundante y el sonido se difunde por el medio como olas en el agua. El flujo de energía en una dada dirección y a través de una determinada área se denomina Intensidad Sonora. Intensidad y presión sonoras pueden medirse con instrumentos adecuados. La potencia sonora se calcula partir de valores medidos de intensidad o presión sonoras, conociendo el área de medición. La intensidad sonora se emplea sobre todo para ubicar fuentes sonoras y la presión sonora para estudiar la emisión de ruido.

  12. Intensidad sonora Intensidad sonora Vector que describe la cantidad y dirección del flujo de energía en una determinada posición. I = P/(4πr2) =p2/ρc donde: P es potencia sonora en watt; p: presión sonora en Pascal; ρ: densidad del aire; c: velocidad del sonido en el aire [ I ] = W/m2 En condiciones de campo libre:

  13. Potencia sonora de fuentes de ruido típicas Nivel de potencia sonoraLw = 10 log (W/Wo)donde: W = Potencia emitida (watt) Wo= Potencia de referencia (10-12 watt) • Potencia (Watts) Nivel de Potencia • (dB re 10 -12 W) • 100 000 000 200 • Cohete saturno (50 000 000 W) • 1 000 000 180 • Avión de 4 turbinas (50 000 W) • 10 000 160 • 100 140 • Orquesta sinfónica (10 W) • 1 120 Martillo neumático (1 W) • 0,01 100 • Gritos (0,001 W) • 0,000 1 80 • Conversación (2x10-6 W) • 0,000 001 60 • 0,000 000 01 40 • Susurro (10-9 W) • 0,000 000 000 1 20 • 0,000 000 000 001 0

  14. Decibel [dB] Unidad de una escala logarítmica en la que la potencia sonora, la intensidad sonora y también la presión sonora, se expresan como cociente de la cantidad medida y determinado nivel de referencia. Wo: Potencia sonora de referencia, 10 -12 Watt. po: Presión sonora de referencia, 20  Pascal. Es el menor sonido que un ser humano, en promedio, puede oir. En decibeles, el rango de audición humana es de 130 dB, en lugar de abarcar de 20 µPa a 100 Pa.

  15. Presión Sonora y Nivel de Presión Sonora Para otras magnitudes distintas de la potencia sonora, los niveles en decibeles se calculan por medio de su relación con la potencia sonora. Por ejemplo, el nivel de presión sonora se define como: • Lp (NPS) = 10 log10 (p/po)2 = 20 log 10 (p/po) • p es la presión sonora en un determinado punto y circunstancia; • po es la presión sonora de referencia, 20 µPa

  16. Potencia Sonora y Nivel de Presión Sonora Analogía Calor-Sonido Presión Temperatura Potencia Potencia Fuente sonora Estufa

  17. Presión Sonora de fuentes de ruido típicas • Pa dB (re 20 Pa) • 140 • Umbral del dolor 10 000 000 • 130 • - Jet despegando • 120 • 1 000 000 • 110 • 100 - Martillo neumático • 1 000 000 • 90 • - Automóvil • 80 • 100 000 • 70 • 60 - Oficina • 10 000 • 50 • 40 - Casa tranquila • 1 000 • 30 • 20 • 100 - Canto de pájaros • 10 • Umbral de audición20 0

  18. Niveles de Presión Sonora: Adición Máquina 1: L1 = 85 dB Máquina 2: L2 = 82 dB (L1 – L2) = 3 dB ΔL (dB) ΔL = 1,7 dB Δ L = 1,7 dB Nivel sonoro total: (85 +1,7) dB L1-L2 (dB) L1 – L2 = 3 dB

  19. Suma de muchos niveles La suma de muchos niveles de presión sonora expresados en dB se hace mediante la siguiente ecuación: LTotal = 10 log (10 0,1 L1 + 10 0,1 L2 + …..+ 10 0,1 Ln) Para niveles iguales, se puede usar la suma gráfica de decibeles ya vista.

  20. Niveles de Presión Sonora: Substracción del Ruido de Fondo Nivel sonoro total: Lt= 60 dB Ruido de fondo: Lf= 53 dB (Lt – Lf) = 7 dB Δ L = 1 dB ΔL = 1 dB Nivel sonoro de máquinas: (60 – 1) dB = 59 dB (Lt – Lf) = 7 dB

  21. Frecuencia de diferentes fuentes sonoras Frecuencia [Hz]

  22. Análisis en frecuencia Es el proceso de dividir un sonido complejo en términos de bandas de frecuencia de ancho a elección. La mayor parte de los sonidos son de forma compleja. Su análisis en frecuencia primario muestra señales compuestas por gran cantidad de frecuencias discretas en niveles individuales presentes simultáneamente. Las contribuciones a la señal total en las bandas de frecuencia individuales se obtienen filtrando la señal en bandas cuyo ancho depende del uso a que se destinen los resultados. Para analizar en frecuencia la señal sonora se emplean filtros de frecuencia o bandas de filtros. Si el ancho de banda de estos filtros es pequeño, se logra un análisis de gran precisión.

  23. Análisis en frecuencia Presión Presión sonora vs tiempo Tiempo Nivel [dB] 1/3 octava 1 octava Análisis en bandas de tercio de octava Frecuencia [Hz] 63 125 250 500 1,0 k 4,0 k

  24. Filtro ideal vs filtro real Ancho de banda de ruido efectivo B Ripple Amplitud Filtro ideal Filtro real (práctico) Ancho de Banda 3 dB Punto 3 dB Punto 3 dB Frecuencia (Escala lineal)

  25. Bandas de Octava y de Tercios de Octava Octava Octava Frecuencia Octava Octava Frecuencia

  26. Octava y de Tercios de Octava Octava Frecuencia [Hz] Octava Frecuencia [Hz]

  27. Octavas y Tercios de Octava

  28. Espectro en frecuencia y niveles ponderados Octava Los MNS más avanzados ofrecen en sus pantallas simultáneamente el análisis en frecuencia y los resultados ponderados. Octava Frecuencia [Hz]

  29. OIDO HUMANO El oído humano puede ser considerado un conjunto de filtros pasabanda de ancho relativo constante (ancho porcentual constante) solapados, con las características normales de los filtros prácticos. La Sonoridad es la impresión que, de la intensidad de un sonido de referencia, tiene un conjunto de oyentes. Su unidad es el “son”. El Nivel de Sonoridad es numéricamente igual al (nivel de presión sonora) de un sonido de referencia que un observador promedio juzga como de igual sonoridad que el sonido dado. Su unidad es el “fon”. Las Curvas de Igual Sonoridad son el resultado del tratamiento estadístico de muchos ensayos realizados en laboratorio en distintas condiciones, con grupos de sujetos expuestos entre los 18 y 25 años. Para tonos puros se obtienen las curvas que se observan en la figura siguiente.

  30. Curvas patrón de Igual Sonoridad para tonos puros • 70 fones: • a 1 kHz 70 dB • a 50 Hz 85 dB La percepción humana es sumamente alineal: Se necesitan casi 80 dB más de NPS a 20 Hz que a 3–4 kHz para tener la misma percepción sonora. Nivel de presión sonora [dB] Frecuencia [Hz}

  31. Percepción de los Decibeles Cambio de Nivel Sonoro (dB) Cambio en la Sonoridad Percibida • 3 Apenas perceptible 5 Diferencia notable 6 Doble NPS 10 Dos veces más sonoro (ó 1/2, si es negativo) 15 Cambio amplio 20Cuatro veces más sonoro (ó 1/4) No existe una relación lineal entre el nivel de sonoridad en dB y la percepción del ser humano.

  32. Rango audible • Umbral de audición: El sonido más débil que una persona promedio puede oir. Corresponde a una presión sonora de 20 Pa (*). • Umbral del dolor: Una presión sonora tan alta que produce dolor. Corresponde a una presión sonora de aproximadamente 100 Pa. • El ámbito de sonidos entre ambos límites, umbral de audición y umbral del dolor, se denomina rango audible. • (*) Pa es la abreviatura de Pascal, la unidad de presión, equivalente a una fuerza de 1 N (Newton) aplicada a un área de 1 m2.

  33. Rango audible Frecuencia Sólo los sonidos en el ámbito de frecuencias de 20 Hz a 20 kHz pueden ser percibidos por el oido humano.

  34. RESPUESTA DEL OIDO HUMANO TONOS PUROS Umbral de audibilidad 20 Pa Umbral del dolor Umbral del dolor ~100 Pa Rango audible Rango audible: 20 Hz a 20 kHz, 20 µPa a 100 Pa ó 130 dB Música Nivel de Presión sonora [dB] Habla Piano: 27,5 Hz - 4186 Hz Umbral de audibilidad Frecuencia [Hz]

  35. Redes de Compensación Redes de compensación (filtros de ponderación) A, B, C y D: Circuitos electrónicos cuya sensibilidad varía con la frecuencia en forma similar a la del oído humano. Obtenidos en laboratorio empleando tonos puros. La red de compensación D ha sido normalizada para la medición del ruido de aeronaves. La más ampliamente usada es la curva de compensación (o filtro de ponderación) A

  36. Redes de Compensación A, B, C y D Circuito A: NPS bajos Sigue aproximadamente la curva de igual sonoridad de 40 fones Circuito B: NPS medios Sigue aproximadamente la curva de igual sonoridad de 70 fones Nivel de Presión Sonora [dB] Circuito C: NPS alto Sigue aproximadamente la curva de igual sonoridad de 100 fones Circuito D: Ruido de aviones Aproxima una curva de ruidosidad percibida (“perceived noisiness”) con énfasis entre 1 kHz y 10 kHz. Normalmente usada para ruido de aviones. Frecuencia [Hz]

  37. Redes de Compensación A, B, C y D Las curvas de ponderación normalizadas A, B, C y D son filtros pasabanda de ancho de banda relativamente grande, con frecuencias de corte en ambos extremos específicamente diseñadas para representar la respuesta del oído humano. El análisis en frecuencia emplea normalmente bandas mucho más estrechas, que idealmente dejarían pasar toda la señal dentro de la banda en cuestión y eliminarían toda componente de la señal original fuera de ella. Pero los filtros no pueden tener pendiente tan abrupta. Los filtros ideales son una abstracción matemática. El apartamiento respecto del comportamiento ideal se describe como una cantidad de "ripple“. Nivel de Presión Sonora [dB] Frecuencia [Hz]

  38. Curva de Igual Sonoridad (40 fon) y Curva de Compensación A Lp (dB) Curva de Igual Sonoridad de 40 dB (40 fon) normalizada a 0 dB para 1 kHz Frecuencia [Hz] Lp (dB) Curva de Igual Sonoridad de 40 dB (40 fon) invertida y comparada con la curva de ponderación A Compensación A Frecuencia [Hz]

  39. Nivel Sonoro Continuo Equivalente La posibilidad de daños a la audición de un determinado ruido no depende solamente de su nivel sino también de su duración. Se establece un valor único que incluye ambos parámetros del ruido, como Nivel Sonoro Continuo Equivalente, Leq, que es el nivel sonoro medio integrado en un determinado intervalo de tiempo. Leq es aquel nivel sonoro constante en el tiempo que tiene, durante un período T, la misma energía sonora que el ruido real variable en el tiempo. Al tener el mismo contenido energético que el suceso real, su posibilidad de provocar un daño auditivo es la misma. El cálculo se basa en la energía sonora, es decir en el cuadrado de la presión sonora: Leq = 10 log10 (1/T)  (p(t)/p0)2dt donde: T es el tiempo total de medición, pA(t) es el valor instantáneo de la presión acústica ponderada A p0 es la presión acústica de referencia (20 Pa) T 0

  40. Nivel Sonoro Continuo Equivalente dB Variaciones en escalón: Leq = 10 log10 Σ(1/Ti)(pi(t)/p0)2 Si se dispone del valor de los niveles de presión sonora, es: Leq = 10 log [Σ(1/T)10 (Li/10)ti] n i Leq n i Tiempo [s] dB Variaciones aleatorias: Leq = 10 log10 (1/T) (p(t)/p0)2dt T 0 Leq Tiempo [s]

  41. Nivel Sonoro Continuo Equivalente Compensado A El Nivel Sonoro Equivalente Compensado A es aquel nivel sonoro constante en el tiempo que tiene, durante un período T, la misma energía acústica que el suceso real ponderado A. LAeq = 10 log10 (1/T)  (pA(t)/p0)2dt T 0 donde: T es el tiempo total de medición, pA(t) es el valor instantáneo de la presión acústica ponderada A p0 es la presión acústica de referencia (20 Pa) LAeqes empleado en las normas de muchos países para evaluar los efectos del ruido en la comunidad y es aceptado internacionalmente para evaluar el riesgo de pérdida de audición, por ejemplo en la legislación argentina al respecto.

  42. Nivel de Exposición sonora (LAX) El Nivel de Exposición Sonora NES (ó LAX ó LAE), es un nivel constante en dB(A), que tiene para una duración de 1 segundo la misma energía sonora que el suceso real ponderado A. Equivale al Leq normalizado para 1 segundo de tiempo de integración. T 0  -  NES = 10 log10 (pA(t)/p0)2dt/ref donde: ref tiempo de referencia (1 s)  -  Esta medida de la energía acústica de ruidos transitorios, es adecuada para evaluar ruidos transitorios inconexos, ya que al calcular todas esas energías acústica en el mismo tiempo de un segundo, permite compararlas entre sí.

  43. Historia del Nivel Sonoro producido por el paso de vehículos LAx (NES ó SEL) = 96,1 dB(A) Nivel Sonoro producido por el pasaje de un ciclo motor LAeq = 84,3 dB(A) Nivel de presión sonora [dB(A)] Tiempo

  44. Historia del Nivel Sonoro producido por el paso de vehículos LAx = 84,2 dB(A) Nivel Sonoro producido por el pasaje de un omnibus LAeq = 72,4 dB(A) Nivel de Presión Sonora [dB(A)] Tiempo

  45. Noise Rating NR Las curvas de evaluación de ruido NR (Noise Rating) (ISO 1996(1971) - son conjuntos de curvas de niveles en función de la frecuencia que pueden compararse con el espectro de niveles de presión de un ruido ambiental (Lp). Superponiendo las curvas con el espectro de presión sonora de un ruido ambiental en bandas de frecuencia, el NR asociado con ese ruido es el máximo valor de las intersecciones de las curvas patrón con los valores de Lp (marcados con x a la izquierda). Nivel de presión sonora [dB] Nivel de presión sonora en octavas Frecuencia [Hz]

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