“INTRODUCCIÓN AL SONIDO Y LA ACÚSTICA“CLAUDIO_CORTES_POLANCO).pdf · también la densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios de presión

© 2010 ® DERECHOS RESERVADOS, REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL Nº 189336

“INTRODUCCIÓN AL SONIDO Y LA

ACÚSTICA“ <Primera Edición>

CLAUDIO CORTÉS POLANCO Ingeniero Civil Industrial - Sernageomin “B”

Magíster en Administración de Empresas (MBA)

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Primera Edición

© DERECHOS RESERVADOS, REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL Nº 189336. ISBN Nº 978-956-332-776-2. Página 2 de 54

“Introducción al Sonido y la Acústica” - Claudio Cortés Polanco

Í N D I C E Módulo I “El Sonido” 1. Generación y propagación del sonido ………............................................................4 1.1. Movimiento ondulatorio ………………………………………………………………4 1.2. La Fase y Longitud de Onda ……………………………………………..................5 2. Representación gráfica del sonido ……………………………………………………….6 3. Velocidad del sonido ………………………………………………...……………………8 4. Parámetros del sonido …………………………………………………………………..10 4.1. Las frecuencia …………………………………………………………...................10 4.1.1. Descripción, unidad de medida y gráfica de las frecuencias ……………..10 4.1.2. Rango audible de frecuencias …………………………………………….....11 4.1.3. Percepción auditiva de frecuencias …………………………………………12 4.1.4. Tono puro ………………………………………………………………………12 4.1.5. Interferencia de las frecuencias …….………………………………………..12 4.1.6. La resonancia ……………………………………….………….……………..13 4.1.7. Instrumentos musicales y sus frecuencias ………………………………….14 4.2. La Intensidad o Amplitud …………………………………………………………..15 4.2.1. Descripción, unidad de medida y gráfica de la intensidad ………………...15 4.2.2. Rango audible/tolerable de intensidad ………………………………………16 4.2.3. Percepción auditiva de la intensidad ………………………………………...17 4.2.4. Valor Peak, Medio y Eficaz (RMS) …………………………………………..17 4.2.5. Adición de Niveles Sonoros …………………………………………………..18 4.2.6. Medición del Nivel Sonoro ……………………………………………………18 4.3. El Timbre …………………………………………………………………………….19 5. El Ruido ……………………………………………………………………………………20 Módulo II “La Acústica” 6. Impacto de las ondas sonoras con superficies ………………………………………...21 6.1. Reflexión ……………………………………………………………………………..21 6.2. Absorción …………………………………………………………………………….22 6.3. Transmisión: refracción y difracción ………………………………………………22 7. Coeficientes de Reflexión, Absorción y Transmisión ………………………………….24 8. Noise Reduction Coefficient (NRC) ……………………………………………………..24 9. Sound Transmission Class (STC) ……………...……………………………………….24 10. Modos Normales de Vibración …………………………………………………………..24 11. Materiales acústicos ………………………………………………………………………26 11.1. Materiales Absorbentes …………………………………………………………..26 11.1.1. Absorbentes Porosos (Espumas) ………………………………………….26 11.1.2. Absortores Oscilantes (Resonadores de Placa) ………………………….27 11.1.3. Resonadores Unitarios, de Agujero o Helmholtz …………………………28 11.1.4. Otros materiales absorbentes ………………………………………………29 11.2 Materiales Difusores (Reflectores) ………………………………………………29 11.2.1 Difusores MLS® (Maximum Length Sequense) ………………………….29 11.2.2 Difusores QRD® (Quadratic Residue Diffusor) de 1D y 2D ……………..30 11.2.3 Difusores Anidados ………………………………………………………….33 11.2.4 Difusores PRD® (Primitive Root Diffusor) …………………………………34 11.3 Materiales Aislantes ………………………………………………………………35 11.3.1 Barreras Acústicas …………………………………………………………..35 11.3.2 Concreto ………………………………………………………………………35 11.3.3 Otros materiales aislantes ………………………………………………….36

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Módulo III “Sistemas de Amplificación de Audio” 12. Elementos de un Sistema de Amplificación de Audio …………………………………37 12.1. Micrófonos (Input Device) ………………………………………………………..39 12.1.1. Tipo de Transductor …………………………………………………………39 12.1.2. Patrón Polar (Direccionalidad) ……………………………………………..41 12.1.3. Respuesta de Frecuencia …………………………………………………..42 12.1.4. Recomendaciones de micrófonos …………………………………………42 12.1.5. Técnicas de Micrófonos …………………………………………………….43 12.2. La Consola, Mesa, Mixer o Mezcladora (Control Device) …………………….45 12.2.1. Características de las Consolas ……………………………………………45 12.2.2. Operatividad …………………………………………………………………45 12.3. El Amplificador o Power (Amplificator Device) ………………………………….50 12.3.1. Potencia ………………………………………………………………………50 12.3.2. Paneles y conexiones ……………………………………………………….50 12.3.3. Parámetros adicionales ……………………………………………………..51 12.4. Los Parlantes o Altavoces (Output Device) …………………………………….52 12.4.1. Potencia ………………………………………………………………………52 12.4.2. Parámetros de Altavoces ……………………………………………………52 13. Bibliografía …………………………………………………………………………………54

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1. GENERACIÓN Y PROPAGACIÓN DEL SONIDO

1.1. Movimiento ondulatorio

El sonido se genera cuando un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las partículas de aire, líquido o sólido que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las partículas vecinas y así sucesivamente.

Por lo anterior, dos cosas deben existir a fin de que se produzca una onda sonora: una fuente mecánica de vibración y un medio elástico a través del cual pueda propagarse la perturbación. De lo último señalado se desprende que no puede haber sonido en el vacío.

El desplazamiento oscilatorio de las partículas (vibración) es alrededor de su posición inicial, como lo muestra la Fig. 1.

Fig. 1: Vibración de una partícula “P” alrededor de su posición de equilibrio (tiempo inicial = t0)

El (pequeño) desplazamiento oscilatorio que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad) llamadas zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad) llamadas zonas de rarefacción, como lo representa la Fig. 2.

Fig. 2: Zonas de condensación y rarefacción producidas por el movimiento oscilatorio de las moléculas de aire.

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1.2. La Fase y Longitud de Onda Fase: Cuando la 1ra partícula entra en movimiento, la 3ra - por ejemplo – aún está en su posición de reposo, podemos decir entonces que cada partícula se encontrará en una situación distinta del movimiento oscilatorio. Es decir, cada partícula tendrá una situación de fase (ángulo de fase) distinta. En algún lugar de la cadena encontraremos una partícula cuya situación de fase coincide con la de la primera, aunque la primera partícula estará comenzando su segundo ciclo oscilatorio, mientras que la otra recién estará comenzando su primer ciclo. Longitud de Onda: La distancia que existe entre dos partículas consecutivas en igual situación de fase se llama Longitud de Onda (λ), lo cual se representa en la Fig. 3. También podemos definir la longitud de onda como la distancia que recorre una onda en un período de tiempo T. La Longitud de Onda disminuye al aumentar la Frecuencia (ver Fig. 4).

Fig. 3: Representación de la Longitud de Onda.

Fig. 4: Relación entre la longitud de onda y la frecuencia del sonido en el aire a 20°C y presión atmosférica normal (© Manuel Recuero López).

Al vibrar las moléculas de aire en su posición de equilibrio, podemos reconocer que el sonido no es un traslado de materia, sino una transmisión de energía (la energía no se pierde, sólo se transforma). Cuando nos alejamos de la fuente sonora escuchamos un nivel sonoro menor porque la onda sonora se ha distribuido en una mayor superficie (ver Fig. 5).

Fig. 5: Representación de la distribución de energía de una onda sonora en una superficie.

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2. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL SONIDO El sonido puede ser graficado considerando la distancia recorrida por la partícula o por la variación de la presión producida. a) Distancia Recorrida: La distancia recorrida por la partícula corresponde a un movimiento armónico simple (mas) y se representa por una onda senoidal representada por:

Fig. 6: Representación gráfica del sonido.

Con ω x = x0 * sen(ω * t + φ)

Con f x = x0 * sen(2*π*f*t + φ)

Con T x = x0 * sen(!!!

*t + φ)

Donde: x : Distancia a la que se desplaza la masa respecto de su posición de equilibrio, denominada

desplazamiento. x0 : Desplazamiento máximo del movimiento, denominado Amplitud. Representa la distancia

máxima a la posición de equilibrio. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m).

ω : Frecuencia angular o pulsación. Representa el número de periodos comprendidos en 2*π segundos. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s). Se encuentra relacionada con la frecuencia y el periodo del movimiento según 𝜔 = !!

!= 2𝜋𝑓

t : Es el tiempo, en segundos (s). f : Frecuencia del movimiento. Es el número de oscilaciones o vibraciones que se producen en un

segundo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Hertzio (Hz). 1 Hz = 1 oscilación / segundo = 1 s-1.

T : Periodo del movimiento. El tiempo que tarda en cumplirse una oscilación completa. Es la inversa de la frecuencia T = 1/f . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo (s).

φ : Ángulo de fase inicial del movimiento. Se trata del ángulo que representa el estado inicial de vibración, es decir, la posición “x” del cuerpo en el instante t=0. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el radian (rad).

La Fig. 7 muestra, para diferentes tiempos “t” (en segundos), la distancia “x” (en metros) recorrida por la partícula de aire, con su respectivo gráfico.

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t [s] ω0t [rad] sen(ω0t) x [m]

0 0 0 0

T 4

π 2 +1 +x0

T 2 π 0 0

3T 4

3π 2 -1 -x0

T 2π 0 0

0=ϕ

Fig. 7: Pulsación angular en diferentes tiempos “t”. b) Variación de la Presión: La forma de onda de la variación de presión sonora que se propaga como onda periódica se presenta en la figura siguiente. Como se observa, se le denomina periódica porque se repite exactamente de una oscilación a la siguiente. La presión sonora resultante “p” varía por encima y por debajo de la presión estática de la atmósfera (105 [Pa]) de acuerdo con la relación:

)'(* 00 Ψ+= tsenpp ω Donde “p” y “p0” son la presión resultante y la máxima presión respectivamente, manteniéndose las definiciones del resto de las variables con respecto a las entregadas para la Distancia Recorrida.

Fig. 8: Representación gráfica de una onda de presión (© Manuel Recuero López).

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3. VELOCIDAD DEL SONIDO En la Velocidad del Sonido se aprecian las siguientes características: • La Velocidad del sonido depende del medio de propagación (de su masa y la elasticidad). • No depende de las características de la onda, o sea, es independiente de la intensidad que tenga

([dB]) y de la frecuencia ([Hz]). • En el caso de un gas (como el aire) es directamente proporcional a su temperatura específica y a su

presión estática e inversamente proporcional a su densidad. Dado que si varía la presión, varía también la densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios de presión o densidad del medio.

• Se representa por la letra “c” y se mide en [m/s].

Velocidad en los Sólidos Velocidad en los Líquidos Velocidad en los gases

dEcs =

dQc =ℓ

ργ 0*P

cg = ; MTRcg**γ

=

E = Módulo de Young o elasticidad de volumen. Unidad: [N/m2] = [Pa].

d = Densidad del sólido.

Q = Módulo de compresi-bilidad del líquido. Unidad: [N/m2] = [Pa].

d = Densidad del líquido.

γ = Coeficiente adiabático ( γ(aire) = 1,4 ) P0 = Presión del gas. Unidad: [Pa]. ρ = Densidad del gas. R = Cte. universal de los gases ( 8,314[J/(gmol ºK)] ). T = Temperatura absoluta. M = Masa molar del gas.

Para el aire a 22 [ºC] se tiene:

P0 = 105 [Pa]. (OBS aprox.: 105 [Pa] =105 [N/m2] = 1 [atm] ) ρ = 1,18 [Kg/m3]. por lo cual caire (22ºC) = 344 [m/s].

]/[34418,110*4,1*

)º22(

50 smcP

c CAireg =⇒==ρ

γ

Asumiendo que el aire se comporta como un gas ideal tenemos que:

2731332)(

tc idealg +=

Donde “t” = temperatura en [ºC]. La velocidad del sonido en el aire se incrementa 6 [m/s] por

cada 10 [ºC] de incremento en la temperatura.

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Fig. 9: Variación de la velocidad del sonido (en [m/s]) en función de la temperatura (en [ºC]).

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4. PARÁMETROS DEL SONIDO

El sonido puede ser estudiado de diferentes perspectivas. Los parámetros (cualidades) del sonido más estudiados son cuatro: altura (frecuencia), volumen (intensidad o amplitud), timbre y duración (ritmo). El estudio de estos parámetros proviene de dos grandes áreas:

• La sensorial. • La física (exceptuando la “duración”). La primera es subjetiva, pues depende del oyente. La segunda es objetiva y mesurable (se puede medir).

La correlación entre los efectos sensoriales y las propiedades físicas es:

Efecto Sensorial Propiedad Física Altura (Tono) Frecuencia

Volumen Intensidad (Amplitud) Timbre Forma de onda

4.1. Las Frecuencias 4.1.1. Descripción, unidad de medida y gráfica de las Frecuencias

La frecuencia corresponde al número de ciclos de oscilación por segundo de una onda de sonido. Sensorialmente se le llama altura (tono), que corresponde a nuestra percepción del sonido como más grave o más agudo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido.

Unidad de Medida Sensorial : agudo/grave – notas musicales. Unidad de Medida Física : Hercio o Hertz (Hz).

La representación gráfica de las frecuencias viene dada por una onda senoidal (ver detalles en el punto “2. Representación gráfica del sonido”). Ejemplo 1: 1 [Hz] y 2 [Hz] respectivamente:

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Ejemplo 2: Nota musical LA con 440 oscilaciones por segundo (440 [Hz]):

Físicamente, la Frecuencia se relaciona con la Velocidad del Sonido (c) y la Longitud de Onda

(λ), de la forma:

c = λ · f ó f = 1 / T Donde T es el tiempo en producirse un ciclo. Las ondas sonoras (audiofrecuencias) tienen longitudes de onda de entre 2 [cm] y 20 [m] aproximadamente (ver Fig. 10).

Fig. 10: Variación de la Longitud de Onda del sonido (en [m]) con respecto a la Frecuencia (en [Hz]).

Esta relación se transforma en un aspecto fundamental a tomar en cuenta en la Acústica Arquitectónica, ya que el comportamiento de un dispositivo de control acústico es dependiente de la longitud de onda del sonido. 4.1.2. Rango audible de Frecuencias El rango audible de frecuencias se encuentra entre los 20 [Hz] y los 20 [kHz]. Bajo este rango están los llamados Infrasonidos y sobre éste los Ultrasonidos (ver Fig. 11).

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Fig. 11: Infrasonidos, Audiofrecuencia y Ultrasonidos. En general, el rango de frecuencias audibles (Audiofrecuencias) se denominan:

20 [Hz] - 200 [Hz] = Frecuencias Bajas. 200 [Hz] - 3 [kHz] = Frecuencias Medias o Frec. de la Palabra. 3 [kHz] - 20 [kHz] = Frecuencias Altas.

4.1.3. Percepción auditiva de frecuencias

Supongamos que dos ondas sonoras de frecuencias f1 y f2 llegan al oído. Los tonos que percibe el oído son, además de f1 y f2, los armónicos de estas frecuencias y los llamados tonos de combinación. Armónicos: Son tonos de frecuencias múltiplos enteros de las frecuencias de las ondas componentes: 2f1, 3f1,… ,2f2, 3f2,... , etc. Tonos de Combinación: Son frecuencias: f2-f1, 2f2-2f1, f2-2f1, etc., f2+f1, 2f2+f1, etc. Es decir, el oído percibe frecuencias que físicamente no ocurren. Esto se debe a la naturaleza compleja del oído. Se ha demostrado, que el tono que se oye en forma preponderante es el de la frecuencia f2-f1, aunque no esté presente en las ondas sonoras. 4.1.4. Tono Puro

Un sonido de tono puro consiste en una onda de una sola frecuencia. Sin embargo, el tono de un sonido, en general, esta formado por ondas de muchas frecuencias (sonido complejo). Dos sonidos del mismo tono tienen muchas frecuencias comunes. Por ejemplo, el sonido de la nota LA de un piano y el sonido de la nota La de una guitarra tienen la frecuencia de 440 [Hz] en común.

OBS: Medio Tono corresponde a la multiplicación de la frecuencia base por 21/12 (recordar que

1212/1 22 = ). Ej.: LA 440 [Hz] → LA# = 440x21/12 = 466,16 [Hz]. 4.1.5. Interferencia de las Frecuencias

Es la propiedad de las ondas de mezclarse entre sí, dando por resultado una nueva onda. Dos ondas senoidales de distintas frecuencias sumadas dan otra onda no senoidal (ver Fig. 12).

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Fig. 12: Ondas senoidales “a” y “b” que dan como resultado la onda “c” no senoidal.

Por lo tanto, una onda que no tenga forma senoidal pura es porque se trata de una superposición o interferencia de dos o más ondas sonoras de frecuencias diferentes.

Si se analiza una onda compuesta según sus ondas componentes, eso se llama el Análisis Armónico, y cada onda componente es una armónica. Luego, una onda compleja o compuesta se llama multiarmónica, y su contenido armónico influye en la forma de la onda resultante. Ejemplo 1: La característica destacada del ejemplo de la Fig. 13 es que hay fuertes armónicas en una frecuencia que es diez veces mayor que la fundamental. Si nosotros convertimos ese sonido en una corriente eléctrica y lo amplificamos y volvemos a convertir en sonido, tendremos que oír una vocal i, pero si alteramos el contenido armónico no reconoceremos a la persona que emitió el sonido.

Fig. 13: Espectro acústico o contenido armónico de una vocal, es este caso de la letra i, con frecuencia fundamental de 256 ciclos por segundo

Ejemplo 2: Otro ejemplo clásico es el del teléfono, donde se cortan frecuencias del sonido por razones técnicas y las voces suelen confundirse un poco, pero ese corte de frecuencia afecta al timbre de la voz y no a su frecuencia fundamental; no hay posibilidad de confundir a un hombre con una mujer, por ejemplo, pero sí se pueden confundir dos mujeres, porque al alterarse los armónicos en ambas las voces toman aspectos similares. Los ejemplos anteriores nos dan también un barniz sobre lo que significa el timbre. 4.1.6. La Resonancia

Se ha visto que los cuerpos tienen ciertas frecuencias naturales de vibración que son características del material. Siempre que un cuerpo esta bajo la acción de una serie de impulsos periódicos que tienen una frecuencia aproximadamente igual a una de las frecuencias naturales del mismo, éste es puesto en vibración con una amplitud relativamente grande. A este fenómeno se le llama resonancia o vibración simpatética.

La resonancia acústica puede ser un inconveniente en la reproducción del sonido.

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Ejemplos de aplicaciones: • El puente de Tacona Narrows fue destruido por un viento que no era demasiado fuerte. Sucedió en

1940, en Washington, y la causa fueron las vibraciones resonantes inducidas por el viento. • Las marchas militares rompen el paso cuando atraviesan un puente. Es una precaución, desde que

en 1850 las vibraciones producidas por unos soldados franceses al marcar el paso mientras atravesaban un puente coincidieron con la frecuencia natural de éste. Las vibraciones resonantes llegaron a alcanzar tal amplitud que provocaron la destrucción de la estructura del puente. Fallecieron 226 soldados.

• Una cantante puede romper una copa de cristal con su voz. Para lograrlo, le basta escoger una nota

que haga entrar en resonancia a la copa y mantenerla el tiempo suficiente, la copa oscilará cada vez más ampliamente hasta romperse.

• Existen pavimentos capaces de destrozar los amortiguadores de un coche sin ser excesivamente

accidentados. • Algunos insectos mueven sus alas 120 veces por segundo y, sin embargo, sólo envían tres impulsos

nerviosos por segundo. Para conseguirlo, envían los impulsos nerviosos con la frecuencia adecuada al movimiento natural de las alas, es decir, ambas frecuencias están en resonancia.

4.1.7. Instrumentos musicales y sus Frecuencias a) Instrumentos de cuerda: Tres factores determinan la frecuencia de un instrumento de cuerda: Tensión (T) : Directamente proporcional. Longitud (L) : Inversamente proporcional. Masa (M) : Inversamente proporcional, la Masa es directamente proporcional al diámetro de la

cuerda (espesor). Entonces:

MLTf guit *

=

b) Instrumentos de viento: Como cualquier objeto, el tubo de los instrumentos de viento tiene frecuencias naturales de oscilación, que dependen de la forma, de la masa y de la sustancia que lo componen. El tubo juega el papel del resonador. Al soplar en el tubo, éste vibra, con lo que el aire que lo rodea también vibra. c) Instrumentos de percusión: La frecuencia depende del material, volumen y forma del instrumento de percusión, variando también el timbre dependiendo de las características del objeto usado para golpearlos. En el caso de tambores otro factor es la tensión del parche.

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4.2. La Intensidad o Amplitud 4.2.1. Descripción, unidad de medida y gráfica de la Intensidad

La intensidad del sonido sensorialmente es llamada volumen, dinámica o matiz, y viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio. Físicamente es la Potencia transferida por una onda sonora, a través de la unidad de Área normal (perpendicular) a la dirección de propagación (ver Fig. 14).

Fig. 14: Potencia transferida perpendicular a un área

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡→⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡→⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= 222

//)*(mW

msegJoule

msegmN

API

Unidad de Medida: a) Sensorialmente (musicalmente):

Unidad Musical Castellano Abreviatura

Fortíssimo Muy fuerte f.f.

Forte Fuerte f.

Mezzoforte Medianamente fuerte m.f.

Piano Suave p.

Pianíssimo Muy suave p.p.

b) Físicamente: La unidad de medida física de la Intensidad es la razón de una unidad de potencia con una unidad de área. Las unidades de intensidad más usuales son el [W/m2], el [W/cm2] y el [µW/cm2]. c) Físico-Auditivamente (el dB): Debido a la no linealidad de la percepción auditiva, se ocupa una escala logarítmica que es la que se asemeja más al comportamiento del oído, cuya unidad es la décima parte de la unidad del científico Alexander Graham Bell, el decibel (dB). El decibel es una unidad adimensional y está dada por:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

000

log20)(;log10)(;log10)(PPdBL

IIdBL

WWdBL PIW

para Potencia (NWS / LW / PWL), Intensidad (NIS / LI / IL) y Presión (NPS / Lp / SPL), respectivamente. donde: W0 , I0 , P0 = Valor de referencia para Potencia, Intensidad y Presión respectivamente,

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Descripción Valor de referencia

Nivel de Potencia Sonora (NWS / LW / PWL)

Corresponde a la cantidad de energía liberada (Jouls) por unidad de tiempo (seg.). OBS: [J/seg] = [W]

W0 = 10−12 [W]

Nivel de Intensidad Sonora (NIS / LI / IL)

Corresponde a la distribución de la Potencia (W) por unidad de superficie (m2). I0 = 10−12 [W/m2]

Nivel de Presión Sonora (NPS / Lp / SPL)

Corresponde a la presión acústica generada por las ondas sonoras. P0 = 20 × 10−6 [Pa] (Pa=N/m2)

OBS: El límite superior capaz de percibir el oído y donde comienzan a producirse daños en él es llamado Umbral del Dolor, mientras que el límite inferior es llamado Umbral de Audición (o Nivel Mínimo Audible). No olvidar que el oído percibe sólo “presión”. Representación gráfica de la Intensidad Sonora: La representación gráfica de la Intensidad Sonora viene dada por la amplitud de la onda senoidal (ver Fig. 15).

Fig. 15: Dos sonidos de igual frecuencia pero distinta intensidad (amplitud) 4.2.2. Rango audible/tolerable de intensidad

El Umbral de Audición está en 0 [dB] (mínima intensidad del estímulo) y el Umbral de Dolor está en 120 [dB]. Cuando se habla de la percepción de la audición del oído humano, se denomina decibel A (dBA).

El oído humano tiene la capacidad de soportar cierta intensidad de los sonidos; si estos sobrepasan los niveles aceptables, provocan daños en el órgano de la audición. En la ciudad, los niveles de ruido oscilan entre 35 y 85 [dBA], estableciéndose que entre 60 a 65 [dBA] se ubica el umbral del ruido diurno que comienza a ser molesto.

La Fig. 16 muestra una relación del Nivel de Presión Sonora en [dB] (columna izquierda) con la Presión Sonora en [microPascales] (columna derecha). Se puede apreciar la no linealidad del dB (comparar intervalos iguales en el NPS versus la desproporcionalidad de la Presión Sonora).

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Fig. 16: Relación entre el NPS en dB y la Presión Sonora (© Manuel Recuero López) 4.2.3. Percepción auditiva de la intensidad

El oído humano no escucha los niveles de intensidad en forma lineal, esto quiere decir que es más sensible a ciertas frecuencias (las medias) que a otras (las altas y bajas). Por ejemplo, si se generan 3 frecuencias, de 30 [Hz] (baja), de 400 [Hz] (media) y 10.000 [Hz] (alta) respectivamente, todas a 50 [dB], es posible que la persona “sienta” que la de 400 [Hz] tiene un nivel más alto. ¿Es la audición humana deficiente? No, esta cualidad nos permite conversar de mejor manera, dado que las frecuencias del “hablar” están en las medias. 4.2.4. Valor Peak, Medio y Eficaz (RMS) Se puede expresar la amplitud de una onda sonora con cualquiera de los valores que se muestran en el gráfico de la Fig. 17, estando todos ellos relacionados entre sí de forma simple en el caso de esta señal simple particular. El valor cuadrático medio (Root Mean Square, RMS) de una señal es proporcional a su contenido energético y por tanto es uno de los valores de amplitud más importante y que se usa con más frecuencia.

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Fig. 17: Valores Peak, Medio y Eficaz de una onda sonara.

Sólo para una sinusoide estos valores se relacionan de forma simple de la siguiente manera:

PeakMediaRMS PPP *21*

22==

π

4.2.5. Adición de Niveles Sonoros Cuando se superponen dos o más sonidos de frecuencias distintas, estadísticamente la intensidad sonora resultante es la suma de las intensidades de cada uno de los sonidos, o lo que es lo mismo, el cuadrado de la presión sonora eficaz es la suma de los cuadrados de las presiones sonoras eficaces de los distintos ruidos. Si queremos sumar tres ruidos de presiones eficaces P1, P2, P3, tendremos:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++= 2

0

23

22

21log10

PPPP

LP

Por ejemplo, si sumamos dos sonidos de igual intensidad:

0103,3)2log(10log102log10 120

21

20

21 +=+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= PP L

PP

PPL

Lo que nos indica que la suma de dos niveles sonoros iguales, sea el que fuere su valor, sólo se

incrementa en 3 dB en el nivel sonoro global. 4.2.6. Medición del Nivel Sonoro

Se utilizan medidores llamados Sonómetros (o decibelímetros) (ver Fig. 18) que generalmente constan de un micrófono patrón, extremadamente calibrado y que responde a todas las frecuencias audibles por igual y una pantalla gráfica analógica (con aguja móvil) o digital (luces o displays de cristal líquido) y una llave selectora de sensibilidad. También existen los Analizadores de Espectros (ver Fig. 18), que pueden graficar las frecuencias que componen un ruido determinado, pero estos equipos tan especializados sólo se utilizan para mediciones críticas y desarrollos e investigaciones especializadas.

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Fig. 18: Sonómetro Digital Quest 2900 y Analizador de Espectro, respectivamente. 4.3. El Timbre

Generalmente los sonidos que se perciben no son tonos puros, sino que son una combinación de frecuencias relacionadas armónicamente (contenido armónico del sonido), como por ejemplo los sonidos producidos por un instrumento musical. La composición de un sonido viene determinada por un análisis espectral (gráfica que relaciona amplitudes en función de la frecuencia), lo que en definitiva define su timbre. Dicho contenido armónico se debe a los materiales por los que está compuesto el instrumento, su forma, etc.

Fig. 19: Diferencia en el timbre de un Piano y un Clarinete ejecutando la nota DO (Izq.: ondas sonoras – Der.: contenido armónico)

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En la Fig. 19 se aprecia como en el piano el tono es más puro, con menos armónicos, teniendo que existen frecuencias más próximas a la fundamental; en el clarinete hay más armónicas, y preferentemente son elevadas, o sea con frecuencias muy altas.

5. EL RUIDO

El ruido es un conjunto de sonidos mezclados y desordenados. Si vemos las ondas de un ruido observaremos que no poseen una longitud de onda, frecuencia, ni amplitud constantes y que se distribuyen aleatoriamente unas sobre otras (ver Fig. 20).

Fig. 20: Ruido compuesto por ondas desordenadas Tipos de Ruido: Existen tres tipos de ruidos básicos: • Ruido Blanco: que se compone de todas las frecuencias audibles a la misma amplitud y es parecido

a un “Shshshshsh” también producido por el televisor cuando se corta la recepción.

• Ruido Rosa: que se compone principalmente por frecuencias graves y agudas, medias atenuadas, parecidas a un Fsfsfsfsfsfs (pronunciando la "f" y la "s" al mismo tiempo).

• Ruido Marrón: compuesto principalmente por ondas graves y medias, parecidas a un Jfjfjfjfjfjfjfjfjf

(pronunciando la "j" y la "f" al mismo tiempo).

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6. IMPACTO DE LAS ONDAS SONORAS CON SUPERFICIES Cuando una onda sonora impacta una superficie, parte de esta es reflejada, absorbida o transmitida, según se señala en la Fig. 20.

Fig. 20: Onda reflejada, absorbida y transmitida de un onda incidente 6.1. Reflexión

Generalmente una onda sonora experimentará una reflexión siempre que exista una discontinuidad o un cambio en el medio a través del cual se propaga la onda. Un ejemplo comúnmente conocido por todos de reflexión de ondas sonoras, es el denominado Eco, que consiste en una reflexión que queda retrasada excesivamente después de la onda directa (sobre 1/10 segundo), con una intensidad suficiente para que pueda percibirse por el oído. Un sonido que se refleja hasta 1/10 de segundo después del sonido directo no se detecta por el oído, de forma que los dos sonidos se confunden originando lo que se conoce como Reverberación.

Fig. 21: Sonido Directo y Reflejado que impacta a un Receptor. Un tipo especial de Reflexión es la Difusión (ver Fig. 22), en la cual la onda reflejada se distribuye en forma homogénea.

Fig. 22: Representación relacional entre la Reflexión, Absorción y Difusión.

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6.2. Absorción Las superficies de un recinto reflejan sólo parcialmente el sonido que incide sobre ellas; el resto es absorbido. Según el tipo de material o recubrimiento de una pared, ésta podrá absorber más o menos el sonido. Los materiales de construcción y los revestimientos tienen propiedades absorbentes muy variables. 6.3. Transmisión: refracción y difracción En la transmisión del sonido es posible que la superficie de impacto: a) Separe completamente los dos medios. b) No separe completamente los dos medios, producto de orificios, etc. Con esto se producen los fenómenos de Refracción y Difracción respectivamente. a) Refracción: Es el cambio de dirección que experimenta la onda sonora cuando pasa de un medio a otro, penetrando en el segundo medio con una dirección distinta a la de incidencia (ver Fig. 23).

Fig. 23: Representación de una onda refractada. b) Difracción: Es el fenómeno que se presenta cuando la onda sonora pasa a través de una abertura (ver Fig. 24 y 25) o encuentra un obstáculo (ver Fig. 26) de dimensiones comparables con su longitud de onda (λ).

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Fig. 24: Difracción de las ondas sonoras a través de una abertura (© Manuel Recuero López).

Fig. 25: Otros esquemas de difracción a través de una abertura.

Fig. 26: Difracción de las ondas sonoras a través de un obstáculo (© Manuel Recuero López).

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7. COEFICIENTES DE REFLEXIÓN, ABSORCIÓN Y TRANSMISIÓN

Para poder cuantificar y proporcionar los fenómenos de reflexión, absorción y transmisión con respecto a la onda incidente, se utilizan los Coeficientes de Reflexión, Absorción y Transmisión, respectivamente. Coeficiente de Reflexión: Es la razón entre la intensidad de energía reflejada y la intensidad de energía incidente sobre la superficie.

αρρ −== 1I

R

II

Coeficiente de Absorción (α): Es la razón entre la intensidad de energía absorbida y la intensidad de energía incidente sobre la superficie. Varía entre 0 y 1.

I

A

II

=α

Coeficiente de Transmisión (τ): Es la razón entre la intensidad de energía transmitida de un lado a otro de la superficie y la intensidad de energía incidente sobre la superficie. No hay relación matemática con el Coeficiente de Reflexión y el de Absorción, pues depende de otros factores (la masa y rigidez).

I

T

II

=τ

8. NOISE REDUCTION COEFFICIENT (NRC) El Noise Reduction Coefficient (NRC, Coeficiente de Reducción de Ruido) se define como la capacidad de absorción sonora de un material para ser representado mediante un solo número. Para efectos prácticos, el NRC es utilizado para tratamientos de la palabra hablada.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +++=

4][2][1][500][250 kHzkHzHzHzNRC

αααα

9. SOUND TRANSMISSION CLASS (STC)

El Sound Transmission Class (STC, Clase de Transmisión Sonora) es un índice de número único calculado de acuerdo a la Norma ASTM E413 (American Society for Testing and Materials), mediante el cual se cuantifica el asilamiento acústico proporcionado por una partición (pared, puerta, ventana, etc.).

10. MODOS NORMALES DE VIBRACIÓN

Para las longitudes de onda grandes, con respecto al recinto, se producen fenómenos de resonancias por interferencia de la señal con los reflejos. Este fenómeno es muy difícil de ser analizado en edificaciones de geometría compleja.

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Fig. 27: Representación de los Modos Normales de Vibración

Es de hacer notar que no existe un único criterio para la relación que deben tener las dimensiones de una sala, pero lo que sí está claro es que los modos deben distribuirse uniformemente, esto es, no deben permitirse modos de resonancia muy cercanos entre sí. Algunas recomendaciones que se encuentran en la literatura son: Proporciones de Bolt:

Estudio Proporciones

Z X Y

Pequeño 1 1,25 1,6

Medio 1 1,50 2,5

Grande 1 1,25 3,20

Techo Bajo 1 2,50 3,20

Proporciones de otros autores:

Autor Proporciones

Z X Y

ASHRAE 1 1

1,17 1,45

1,47 2,10

IAC 1 1,25 1,60

SEPMEYER 1 1,14 1,41

Regla de Oro 1 1,26 1,41

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11. MATERIALES ACÚSTICOS

Aprendidos los fenómenos de Absorción, Reflexión y Transmisión, ahora veremos materiales absorbentes, reflectantes (difusores) y aislantes que dan, respectivamente, respuesta a cada uno de ellos, los cuales se presentan de la siguiente forma:

11.1. Materiales Absorbentes

11.1.1. Absorbentes Porosos (Espumas). 11.1.2. Absortores Oscilantes (Resonadores de Placa). 11.1.3. Resonadores Unitarios, de Agujero o Helmholtz. 11.1.4. Otros materiales absorbentes.

11.2. Materiales Difusores

(Reflectores)

11.2.1. Difusores MLS® (Maximum Length Sequense). 11.2.2. Difusores QRD® (Quadratic Residue Diffusor) de 1D y 2D. 11.2.3. Difusores Anidados. 11.2.4. Difusores PRD® (Primitive Root Diffusor).

11.3. Materiales Aislantes

11.3.1. Barreras Acústicas. 11.3.2. Concreto. 11.3.3. Otros materiales aislantes.

OBS: No se profundiza en los cálculos de diseño asociados a los materiales aquí descritos. 11.1. Materiales Absorbentes 11.1.1. Absorbentes Porosos (Espumas)

Fig.28: Espuma Absorbente Profoam® de la empresa RPG Diffusor Systems, Inc.

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Fig.29: Espuma Absorbente para frecuencias bajas Profoam® de la empresa RPG Diffusor Systems, Inc.

Otro diseño de espuma muy utilizado es la mostrada en la Fig. 30, de la empresa chilena SAM. Esta espuma se encuentra sometida a medición de laboratorio para constatar su Coeficiente de Absorción Sonora (visto en el Punto 7), sometiéndose a prueba en cámara reverberante conforme a norma ISO 354. Los resultados obtenidos en el Laboratorio CPIA (Centro Privado de Investigaciones Acústicas) son de un NRC de 0,5 y 0,75 para las versiones de 40mm y 60mm respectivamente.

Fig. 30: Producto Sam Foam (fabricación chilena). 11.1.2. Absortores Oscilantes (Resonadores de Placa)

Si de acuerdo con el espectro del ruido producido debe realizarse el tratamiento especialmente en bajas frecuencias y si no se dispone del espacio suficiente, la solución más idónea es la aplicación de resonadores de placa. Éstos consisten en una placa u hoja que vibra sobre un colchón de aire. Si la placa es suficientemente grande y no demasiado rígida, la fuerza de retroceso vendrá definida por la rigidez de la capa de aire.

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Considerando que la placa u hoja vibra con la misma amplitud en toda su superficie (lo cual en la práctica es válido), la frecuencia de resonancia del resonador viene dada por la expresión:

''20 dxdxcf

δδ

π=

Donde:

c = Velocidad del sonido en el aire (m/seg). δ = Densidad del aire (kg/m3). δ’ = Densidad de la placa u hoja (kg/m3). d = Espesor de la capa de aire (m). d’ = Espesor de la placa u hoja (m).

11.1.3. Resonadores Unitarios, de Agujero o Helmholtz

La constitución de los Resonadores de Agujero es en esencia la misma que los Resonadores de Placa, con la diferencia de que la placa u hoja va provista de perforaciones. Al igual que en los resonadores de placa, debe cuadricularse el espacio de aire, a fin de evitar la propagación de sonido paralela a la placa. El tamaño de las cuadrículas debe ser pequeño en comparación con la longitud de onda del sonido a amortiguar.

Fig. 31: Resonador de Helmholtz junto a su representación esquemática.

Con este tipo de resonadores se consigue, para un espesor limitado, un elevado grado de absorción para la gama de frecuencias medias. La amortiguación en este caso está determinada por el rozamiento del aire con las paredes de las perforaciones, acompañado de un desprendimiento de calor. Como en el caso de los resonadores de placa, el relleno del espacio de aire con un material poroso a base de lana mineral aumenta el grado de absorción. Variante del Resonador de Helmholtz:

Debido a que la absorción de un Resonador Unitario (Helmholtz) es proporcional a λ2, es necesario utilizar una gran cantidad de ellos para absorber frecuencias altas. Así aparecen los Resonadores Acoplados (ver Fig. 32), Resonadores Ranurados y Resonadores de Ranuras Cortas.

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Fig. 32: Resonador Acoplado. 11.1.4. Otros materiales absorbentes La Fig. 33 muestra otros tipos de materiales absorbentes que se pueden encontrar en el mercado.

Fig. 33: Materiales acústicos Absorbor® y Clearsorber P ® 11.2. Materiales Difusores (Reflectores) 11.2.1. Difusores MLS® (Maximum Length Sequense)

Están basados en las secuencias pseudo aleatorias periódicas, denominadas de longitud máxima. Consiste en una superficie dentada y se crea partiendo de una superficie lisa y reflectante (ver Fig. 34). El margen de frecuencias para la cual la difusión es óptima es únicamente del orden de una octava. Este tipo de difusores presenta una menor absorción a bajas frecuencias que los difusores QRD® y PRD®.

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Fig. 34: Difusores MLS® 11.2.2. Difusores QRD® (Quadratic Residue Diffusor) de 1D y 2D

Existen dos tipos de Difusores QRD® (Difusor de Residuo Cuadrático): unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D) a) Unidimensionales (1D): Son los más utilizados a nivel práctico, consisten en una serie de ranuras paralelas de forma rectangular, de igual anchura y de diferente profundidad. Por lo general, dichas ranuras están separadas por unos divisores delgados y rígidos (ver Fig. 35). La profundidad de cada ranura se obtiene a partir de una secuencia matemática prefijada, dando lugar a estructuras repetitivas (periódicas) (ver Fig. 36), que producen en un determinado margen de frecuencias una dispersión del sonido o difusión en planos perpendiculares a dicha ranura.

Se logra una óptima difusión del sonido dentro de un determinado margen de frecuencias. La frecuencia más elevada para la cual se produce difusión del sonido aumenta a medida que la anchura de las ranuras disminuye, en tanto que la mínima frecuencia disminuye a medida que aumenta la máxima profundidad. De todas formas existe un límite al valor máximo de dicha relación, puesto que las ranuras estrechas y muy profundas producen un exceso de absorción acústica. Dicho límite lleva a que, en la práctica, el margen útil de frecuencias quede restringido a prácticamente 3 octavas. Fuera de dicho margen, el difusor tiende a comportarse como una superficie plana, dando lugar a reflexiones prácticamente planas.

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Fig. 35: Difusor QRD® 734TM unidimensional.

Fig. 36: Esquema del Difusor de la empresa chilena SAM

La Fig. 37 muestra otros tipos de difusores QRD unidimensionales.

Fig. 37: Difusores unidimensionales Diffusor Blox® y Flutter Free® respectivamente

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b) Bidimensionales (2D): Aparecen con el objetivo de obtener una óptima difusión del sonido incidente en todas las direcciones del espacio. En este tipo de difusores las ranuras son sustituidas por pozos dispuestos en paralelo, de profundidad variable, y de forma generalmente cuadrada (ver Fig. 38).

Fig. 38: Difusor bidimensional OmniffusorTM (de Incidencia Rasante)

La Fig. 39 muestra otros tipos de difusores QRD bidimensionales.

Fig. 39: Difusores bidimensionales Golden Pyramid® y Waveform® respectivamente

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11.2.3. Difusores Anidados El ancho de banda de los difusores QRD®, como hemos visto, está limitado en las altas frecuencias, por la anchura de las hendiduras practicadas y, en las bajas frecuencias, por la profundidad máxima de las mismas. Por lo que un difusor que nos pudiese ofrecer una cobertura espectral verdaderamente amplia se hace necesario. La solución puede ser el uso de difusores anidados. El modelo Diffractal® (ver Fig. 40) es el modelo más simple de difusores anidados. En él podemos observar cómo en el interior de cada una de las hendiduras que forman el difusor se encuentran a escala otros difusores, cada uno de ellos diseñado para cubrir una determinada frecuencia. La filosofía consiste en anidar difusores a escala de manera que cada uno de ellos cubra un rango específico de frecuencias y obtener así un rango de cobertura más amplio, evitando además en parte los efectos de “absorción”. Cada difusor nos proporciona una difusión uniforme sobre un rango específico de frecuencias de manera que el ancho de banda efectivo se amplía.

Fig. 40: Difusor anidado Diffractal® En la Fig. 41 podemos observar la filosofía de éste tipo de difusores. Observamos los modelos Diffractal® DFR72 (modelo Diffractal de 2ª generación) compuesto por dos difusores QRD® anidados y el modelo Diffractal® DFR73 compuesto por tres, ofreciendo en éste caso una difusión espectral tanto a baja, media como a alta frecuencia, obteniendo un ancho de banda muy extenso, limitado únicamente a la profundidad de las hendiduras que tengamos disponibilidad.

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Fig. 41: Gráfica de la difusión de un difusor anidado. 11.2.4. Difusores PRD® (Primitive Root Diffusor) Son análogos a los difusores bidimensionales QRD®, con la única diferencia de que la profundidad para cada ranura se obtiene a partir de otra secuencia matemática generadora, que tiene como resultado la no existencia de simetría dentro de cada período (ver Fig. 42).

Fig. 42: Difusores PRD®.

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11.3. Materiales Aislantes 11.3.1. Barreras Acústicas La Fig. 43 muestra Barreras Acústicas utilizadas en carreteras, etc., que atenúan el nivel sonoro producido por el tránsito vehicular, de trenes, etc.

Fig. 43: Barrera Acústica de SAM 11.3.2. Concreto

La Fig. 44 muestra el producto de concreto SAM BLOX®, cuya forma permite cumplir con dos funciones, estas son la gran aislación sonora debido a su gran masa por unidad de superficie y un coeficiente de absorción elevado debido a la incorporación de una fisura, la que produce un resonador en la cavidad interna del bloque. La incorporación de una palmeta de fibra acústica asegura un muy buen rendimiento como material absorbente.

Fig. 44: Concreto SAM BLOX®

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11.3.3. Otros materiales aislantes Vinilo de Alta Densidad: La Fig. 45 muestra el vinilo de alta densidad Fonac Barrier®, que se utiliza en el interior de tabiques de placas de yeso, de madera o de metal; encima de cielorrasos livianos por donde se trasmite el ruido de un ambiente a otro; en encabinados de máquinas o generando cortinas verticales para aislar sectores ruidosos. También se lo utiliza para revestir cañerías por donde se transmite ruidos por vibraciones, incorporándose una pequeña capa de espuma flexible de poliuretano como amortiguador.

Fig. 45: Vinilo de alta densidad Fonac Barrier®

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12. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN DE AUDIO Todo sistema de audio tiene 4 elementos, que en orden de flujo de señal son: • Input Device (Instrumentos musicales, micrófonos, Reproductores de CD, etc.). • Control Device (Consola, Mesa, Mixer o Mezcladora). • Amplificator Device (Amplificador o Power). • Output Device (Parlantes, Cajas o Altavoces).

Estos 4 elementos están presentes en un celular, equipo de música de casa, etc.

Fig. 46: Elementos básicos de un Sistema de Amplificación de Audio. Ejemplos de Sistemas de Amplificación de la empresa Behringer: a) Solución pasiva de 2 vías, 100 personas, Programa de 2 x 300 W:

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b) Solución pasiva de 3 vías, 200 personas, Programa de 2 x 900 W:

c) Solución activa de 3 vías, 500 personas, Programa de 2 x 1.600 W: (Aunque un sistema de este tamaño es normalmente utilizado en modo activo, éste también puede ser utilizado en modo pasivo, gracias a los divisores de frecuencia integrados de los subwoofers).

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12.1. Micrófonos (Input Device) Los micrófonos tienen parámetros que lo caracterizan: • Tipo de Transductor. • Patrón Polar (Direccionalidad). • Respuesta de Frecuencia.

Fig. 47: Ejemplo de Transductor, Patrón Polar y Respuesta de Frecuencia del micrófono SHURE® SM-58. 12.1.1. Tipo de Transductor Un transductor es cualquier dispositivo que cambie o transforme una forma de energía en otra, en el caso de los micrófonos, éste transforma energía acústica en energía eléctrica. En base a esto tenemos: a) Micrófonos Dinámicos o Electromagnéticos. b) Micrófonos de Condensador o Electroestáticos. En la práctica, el uso de ellos depende no sólo de la fuente y el destino de la fuente, sino también del medio ambiente donde será usado, siendo los primeros (a) para halls y al aire libre y los segundos (b) para ambientes controlados (iglesias, auditorios y teatros). a) Micrófonos Dinámicos o Electromagnéticos: Emplea una configuración Diafragma-Bobina-Imán permanente, todos estos ensamblados como un generador eléctrico pequeñísimo (ver Fig. 48). Características: • Fácil construcción. • Económico y resistente.

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• Excelente sonido. • Soporta altísimos niveles de presión sonora. • Es imposible sobrecargarlo.

Fig. 48: Esquema de un micrófono dinámico. b) Micrófonos de Condensador o Electroestáticos: Emplea una combinación Diafragma-Espacio-Placa, todos estos elementos están eléctricamente ensamblados formando un condensador o capacitor sensitivo al sonido (ver Fig. 49). Características: • Requieren baterías o Phantom Power. • Más sofisticados que los Mic dinámicos, por lo tanto más costosos. • Alta sensitividad, sonido natural (particularmente en las altas frecuencias). • Respuesta plana en un amplio rango de frecuencias.

Fig. 49: Esquema de un micrófono de condensador.

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12.1.2. Patrón Polar (Direccionalidad) El término “Patrón Polar” se usa para describir la respuesta de un micrófono a las fuentes de sonido de varias direcciones. Cada tipo de Patrón Polar tiene su propio lugar y uso en el proceso de grabación. Hay que notar que las definiciones de los patrones polares clásicos aplican de manera más precisa cuando el sonido golpea el micrófono de manera perpendicular a la superficie del diafragma. En general, los micrófonos tienden a volverse más direccionales en enfoque en cuanto las frecuencias se incrementan; dicho de otra manera, las cápsulas son menos sensibles a las altas frecuencias cuando no están perpendiculares. Éste fenómeno es típicamente menos significativo en cápsulas medianas que en las grandes.

a) Patrón Cardioide: Es el patrón polar más común encontrado en los micrófonos. El nombre deriva de la forma de corazón de la gráfica del patrón. Los cardioides son unidireccionales, significando que toman la señal principalmente del frente de la cápsula. La parte trasera de la cápsula rechaza el sonido permitiéndole al ingeniero aislar la fuente de sonido de otras o del ruido de fondo. De manera más notoria en diseños de cápsula grande, los cardioides típicamente exhiben el efecto de proximidad: un aumento en las frecuencias bajas que se acrecienta mientras más cercana esté la fuente de sonido con la cápsula.

b) Patrón Omnidireccional: Como el nombre lo indica, el patrón omnidireccional (omni) toma el sonido igualmente bien de todas direcciones y es usado para captar la resonancia de la sala donde se grabe junto con la fuente de sonido, permitiendo un sonido más abierto comparado con los cardioides. Los omnis son excelentes para grupos vocales, efectos de sonido e instrumentos acústicos realistas, asumiendo que el espacio acústico de la sala de grabación es algo deseable de captar. Los omnis también presentan un efecto de proximidad significativamente menos que los cardioides. Un resultado es que los omnis son de cierta manera menos sensibles a los movimientos de un vocalista muy dinámico. Otra característica es que los omnis tienden a requerir menos ecualización (EQ). Como mencionamos anteriormente, a pesar que los omnis registren señales de 360 grados alrededor, tienden a ser más direccionales cuando las frecuencias se incrementan, especialmente en cápsulas grandes.

c) Patrón Bidireccional o en “8”: El patrón “en 8” o Bidireccional es igualmente sensible en las dos caras opuestas del micrófono, aunque rechaza la señal de los lados. Éste patrón tiene las mismas características de efecto de proximidad de los patrones en cardioide. El patrón en “8” es excelente para capturar un dueto o entrevistas cara a cara con un solo micrófono. El rechazo lateral de 40 [dB] también lo hace genial para aislar instrumentos como un Snare Drum del resto de la batería. El patrón bidireccional es también un componente clave para la técnica de microfoneo M/S, una técnica de grabación en estéreo.

d) Patrón HíperCardioide: El patrón Híper Cardioide muestra un área de sensibilidad aún más angosta que el clásico cardioide y es usado para grabaciones con enfoque sónico preciso. El hiper cardioide es genial para crear una zona de escucha perfecta para instrumentos como el piano o percusiones. El patrón es también ideal para sesiones de grabación en vivo donde es importante aislar un instrumento de otro, incluyendo la minimización del cruce de registro de señales entre un vocalista y su propio instrumento.

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Micrófonos de Patrón Simple v/s multipatrón: La manera más barata de hacer un micrófono es proveyéndolo de un patrón fijo sencillo, sin embargo en el mercado existen micrófonos que permiten seleccionar su patrón polar, tal cual como lo muestra la Fig. 50.

Fig. 50: Esquema de funcionamiento de un micrófono multipatrón. 12.1.3. Respuesta de Frecuencia Se define como el rango de frecuencias que el Mic puede captar (de los más bajos a los más altos) y las variaciones que este puede presentar a la salida. La mayoría de los Mics tienen mejor respuesta en ciertas frecuencias que en otras, dependiendo del modelo, clase y marca. a) Respuesta Flat: salida uniforme de frecuencias audibles (muy graves o muy altas). A esta característica se le llama un sonido natural Alta Fidelidad o Descolorido. b) Shaped: Salida variada con Peaks y Dips específicos, lo que hace sonar al micrófono con un sonido típico de él, por lo que va a ser reconocido. 12.1.4. Recomendaciones de micrófonos a) Sobre su ubicación: La Fig. 51 muestra esquemas de ubicación para evitar los acoples.

Fig. 51: Esquemas de ubicación para evitar el Acople (Feedback o Realimentación).

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b) Sobre cómo sujetarlo: El micrófono debe ser siempre sujetado por su mango y no cubrir la rejilla con la mano, como es ilustrado en la Fig. 52. Además se debe mantener la rejilla de bola del micrófono bien atornillada en la empuñadura del mismo.

Fig. 52: Recomendaciones sobre cómo sujetar un micrófono. c) Otras reglas básicas del uso de micrófonos: • Coloque el mic lo más cerca posible a la fuente deseada. Nota: Cuando la fuente sonora se

encuentra a menos de 6 [mm] del micrófono, éste introduce un aumento progresivo en las bajas frecuencias (de 6 a 10 [dB] en los 100 [Hz]) que crea un sonido de frecuencias bajas más cálido y fuerte que cuando la fuente está alejada. Este efecto conocido como el Efecto de Proximidad, se produce únicamente en micrófonos dinámicos unidireccionales tales como el SM-58.

• No se debe utilizar más de un micrófono para captar una misma fuente sonora. La distancia entre un mic y otro deberá ser al menos tres veces la distancia de cada fuente al micrófono destinado para captarla.

• Utilice el menor número de micrófonos que resulte práctico para la aplicación particular. • Si se desea obtener mayor respuesta a frecuencias bajas, acerque el micrófono, como se dijo

anteriormente esto es conocido como Efecto de Proximidad. • Colocar los micrófonos lo más lejos posible de las superficies reflectoras de sonido (superficies duras

y lisas). • Evitar el manejo excesivo del micrófono para reducir la captación de ruidos mecánicos, por ej. cuando

los cantantes aplauden con el micrófono. • Para voces, la rejilla del micrófono debe estar a una distancia de 2 a 5 [cm] de la boca. • Se debe mantener seco el micrófono, evitar los niveles extremos de temperatura y humedad, de ser

necesario, limpiar el micrófono con un trapo suave y libre de pelusas. 12.1.5. Técnicas de Micrófonos Para captar el sonido, existen diferentes Técnicas de Ubicación de Micrófonos: Distante, Cercana, Técnicas estéreos, etc., que dependerán del lugar, el instrumento, etc. (ver Fig. 53).

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Fig. 53: Diferentes Técnicas de Micrófonos. No está dentro del alcance de este texto profundizar en estas técnicas, pero un completo detalle puede ser encontrado en los siguientes textos: • Microphone Techniques for Drums. • Microphone Techniques for Music - Sound Reinforcement • Microphone Techniques for Music - Studio Recording. Descargables en: www.shure.com/ProAudio/TechLibrary/EducationalArticles/index.htm

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12.2. La Consola, Mesa, Mixer o Mezcladora (Control Device) 12.2.1. Características de las Consolas Todos las consolas tienen tres tipos de controles:

a) Selectores de Entrada - De donde viene la señal. b) Asignación de las Salidas - Donde va a ir la señal. c) Control de Ganancia - Que tan sonora es la señal.

El ruteo de cualquier consola no es obvio hasta no estudiar su Diagrama en Bloque (Block Diagram, ver Fig. 54), el cual muestra cada switch, potenciómetro, fader y jack encontrado en ella.

Fig. 54: Ejemplo de Diagrama en Bloque de una consola. 12.2.2. Operatividad A continuación estudiaremos, a modo de ejemplo, la consola marca Behringer modelo UB 2222 FX (ver Fig. 55).

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Fig. 55: Consola Behringer modelo UB 2222 FX (Los números permiten ubicarse en las descripciones de las páginas 47, 48 y 49).

a) Conexiones: Conexiones panel trasero: Con cables XLR y jack de ¼” toda consola permitirá: • La salida de la señal master (Main Outputs) hacia otros dispositivos (amplificadores, procesadores,

etc.). • Salidas varias: hacia Subgrupos, Monitores de Estudio, etc. • Conexiones “Inserts”, que permiten básicamente sacar señal de un canal de la consola, procesarla y

volverla a introducir dentro del mismo canal.

En consolas más profesionales se apreciará más alternativas de conexión, lo que las hace más versátiles en diferentes aplicaciones.

Fig. 56: Panel trasero de la Consola Behringer modelo UB 2222 FX.

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Conexiones panel superior:

(1) C

anal

Mon

o

MIC: Cada canal mono ofrece una entrada de micrófono balanceada mediante conector XLR y alimentación fantasma (+48 V) para el funcionamiento de micrófonos de condensador. LINE IN: Cada canal mono dispone también de una entrada de línea balanceada mediante jack de ¼”, a la cual se pueden conectar también señales no balanceadas. (OBS: Se puede utilizar sólo una entrada) FILTROS Permiten filtrar determinadas frecuencias. TRIM DE GANANCIA Permite ajustar el nivel de las señales.

(2) C

anal

Est

éreo

MIC Cada canal estéreo dispone de dos entradas balanceadas de nivel de línea con jacks de ¼” para el canal izquierdo y el derecho. Al emplear exclusivamente la entrada designada “L”, el canal trabaja mono. Dependiendo del modelo, disponen de un conmutador de nivel entre +4dBu y -10dBV y/o incluso controles de ganancia.

(3) E

nvío

s y

Ret

orno

s de

A

uxili

ares

En estas conexiones se pueden conectar altavoces para monitorización (en cuyo caso el AUX SEND correspondiente debe estar conmutado pre-fader. En la UB 2222FX el envío de Aux. 1 es siempre prefader, de ahí que se denomine MON) o pueden utilizarse para conectar procesadores de efectos externos siempre y cuando estén conmutados post-fader. El retorno de estas señales se hace vía conexión AUX RETURNS.

(4) I

nput

/Out

put

de C

D/T

ape

Permite la conexión In-Out de un dispositivo vía cable RCA.

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b) Potenciómetros:

(5) E

cual

izad

ores

Para las bandas altas (HIGH) y bajas (LOW) se dispone de filtros tipo shelving que aumentan o atenúan todas las frecuencias por encima o debajo de la frecuencia de corte. Las frecuencias de corte de las bandas alta y baja son 12 [kHz] y 80 [Hz] respectivamente. Para los medios, la consola dispone de un filtro semiparamétrico con factor de calidad (Q) de una octava que abarca desde 100 [Hz] hasta 8 [kHz]. Con el control MID se ajusta el aumento/atenuación, mientras que FREQ determina la frecuencia central de filtro.

(6) E

nvío

de

Aux

iliar

es

Los envíos de auxiliares ofrecen la posibilidad de captar señales de uno o varios canales y reunirlas en una misma ruta (bus). Esta señal está presente en las salidas auxiliares (envíos de auxiliares), de donde se puede enviar a un par de altavoces activos para monitorización (MON OUT) o a un procesador de efectos externos. Para retornar la señal pueden utilizarse los retornos auxiliares. En cualquier consola, aquí el Diagrama en Bloque permite saber si los AUX son pre o post fader, pre o post ecualizador, etc.

(7) A

sign

ació

n PA

N, S

OLO

y F

AD

ER

PAN: Con el control PAN se determina la posición de la señal del canal dentro del campo estéreo. Si se trabaja con subgrupos permite también la distribución de estos.

MUTE: Utilizado para silenciar el canal. OBS: Dependiendo de la consola es posible que los envíos AUX post-fader también se cierren (ver el Diagrama en Bloque).

LED MUTE y LED CLIP Indicadores de activación de MUTE y de que el nivel de la señal del canal es demasiado alto, respectivamente.

SOLO Asigna la señal al “Bus Solo” o “PFL” (Pre Fader Listen). De esta manera, puede escucharse una señal sin influir en la señal de la salida principal. Ver Diagrama en Bloque para relación con Salida de Audífonos, etc.

SUB (1-2 y 3-4): Asigna la señal a los subgrupos correspondientes.

MAIN: Asigna la señal a la mezcla principal.

FADER: El Fader de Canal determina el nivel de la señal del canal en la mezcla principal (o en la submezcla).

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(8

) Mas

ter d

e En

vío

y R

etor

no d

e A

uxili

ares

Esta sección de la consola permite configurar los niveles de envío y retorno de las señales enviadas por el Envío de Auxiliares (visto como panel Nº 3 en Pág. 47) y su enrutamiento.

(9) S

ecci

ón M

aste

r

Esta sección permite: • Asignar la señal a los Indicadores de Nivel

(LED). • Controlar el nivel de salida Control Room y

auriculares (Phones). • Asignar la entrada CD/TAPE a la salida

principal (por lo general corta la mezcla principal, pero se deberá ver el Diagrama en Bloque para seguridad).

• LED rojo “+48 V” de activación de Phantom Power.

• Asignar los subgrupos a la mezcla principal y controlar sus niveles (Faders de subgrupos).

• Controlar el Nivel Master (Fader Master Mix).

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12.3. El Amplificador o Power (Amplificator Device) 12.3.1. Potencia Todas los amplificadores dentro de sus especificaciones señalan la potencia que ofrecen dada una determinada Impedancia en Ohms (Ω) de los altavoces, ver a modo de ejemplo la serie RMX de QSC en la Fig. 57.

Fig. 57: Potencia que ofrece la serie RMX de QSC para determinadas impedancias. 12.3.2. Paneles y conexiones El panel frontal de la mayoría de los amplificadores posee: • Switch de encendido/apagado. • Indicadores LED de encendido, señal de entrada y saturación (Clip). • Potenciómetros para Nivel por canal.

Respecto a las conexiones, el panel trasero de los amplificadores, dependiendo de la marca y el modelo, permiten la conexión para entradas o salidas XLR, de Barrera (Barrier Strip Input), Neutrik Speakon o jack de ¼”.

Fig. 58: Panel frontal y trasero del amplificador QSC modelo RMX 2450

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12.3.3. Parámetros adicionales Dependiendo del fabricante y el modelo, es posible encontrar una serie de características adicionales en un amplificador. Por ej. en la serie RMX: • Limitador de peaks independiente. • Filtro de frecuencias graves completamente seleccionables, con elección de atenuación entre 30 [HZ]

ó 50 [Hz]. La serie RMX de QSC trae un Tablero de Configuración en su parte posterior (ver Fig. 59), con un panel recordatorio sobre su uso (“Mode Switch Settings”).

Fig. 59: Tablero de Configuración de la serie RMX de QSC.

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12.4. Los Parlantes o Altavoces (Output Device) 12.4.1. Potencia Todos los altavoces tienen una determinada Potencia (W) e Impedancia Nominal (Ω). El JBL modelo JRX 115 (ver Fig. 60), por ejemplo, tiene una Impedancia Nominal de 8 [Ω] y Potencia de 250 [W] (ver Fig. 60).

Fig. 60: JBL modelo JRX 115. 12.4.2. Parámetros de Altavoces Los altavoces tienen parámetros que lo caracterizan, por ej. el JRX 115: • Tipo de Sistema : 15” 2 Way Sound Reinforcement Speaker. • Respuesta de Frecuencia : 50[Hz] – 12.5 [kHz] ( ±3 [dB]) (ver Fig. 61). • Máximo SPL : 128 [dB]. • Sensitividad : 98 [dB] (1W/1m) • Conectores : Neutrik Speakon® y ¼” jack. • Frecuencia Crossover : 1,6 [kHz] • Filtros Pasa Bajo (LPF, Low Pass Filter) y Filtros Pasa Alto (HPF, High Pass Filter) (ver Fig. 62).

Fig. 61: Respuesta de frecuencia del altavoz JBL modelo JRX 115.

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Fig. 62: Esquema de vías y filtros del altavoz JBL modelo JRX 115.

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13. BIBLIOGRAFÍA Literatura: Ingeniería Acústica Manuel Recuero López | 2000, Edit. Paraninfo. Engineering Acoustics EE 363N Tom Penick | www.teicontrols.com/notes Acoustics and Vibration Animations D. Russell | http://paws.kettering.edu/~drussell/Demos.html Introducción a los Conceptos Fundamentales de la Acústica José Mellado Ramírez / Marcos Vera Coello | 2005, Universidad Carlos III Madrid. Micrófonos y sus Técnicas Jorge Villegas Ahumada | 1998, Edit. Universidad Arturo Prat. Microphone Techniques for Drums. Microphone Techniques for Music - Sound Reinforcement Microphone Techniques for Music - Studio Recording. Shure | Descargables en: www.shure.com/ProAudio/TechLibrary/EducationalArticles/index.htm Sitios Web: www.rpginc.com | Empresa de materiales acústicos RPG Diffusor Systems Inc. www.sam.cl | Empresa de materiales acústicos SAM. www.shure.com | Empresa de micrófonos Shure. www.behringer.com | Empresa de equipos de audio. www.qscaudio.com | Empresa de amplificadores QSC. www.jbl.com | Empresa de parlantes JBL.

“Porque nada hay imposible para Dios”

Lucas 1 : 37

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“INTRODUCCIÓN AL SONIDO Y LA ACÚSTICA“CLAUDIO_CORTES_POLANCO).pdf · también la densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios de presión