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Introducción a la intensidad de sonido
La medición de la intensidad del sonido es una de las técnicas más poderosa que nos permiten medir el flujo de energía del sonido como una cantidad vectorial promediada en el tiempo. Estas propiedades de la intensidad del sonido nos permiten separar las fuentes de sonido y distinguir el sonido directo del sonido reverberante en una habitación.
En esta nota te presentaremos teoría básica sobre intensidad del sonido, cómo se mide en la práctica y las aplicaciones comunes.
El sonido
Las variaciones de la presión del aire que percibimos como sonido se pueden medir simplemente con un sonómetro. Estas mediciones del nivel de presión del sonido brindan una imagen precisa de los niveles de sonido en el punto de medición, pero no siempre son suficientes para responder preguntas sobre las fuentes de ese sonido.
Entonces, antes de entender qué es la intensidad del sonido y cómo medirla, debemos entender cómo se relaciona con la presión del sonido y la potencia del sonido.
Presión del sonido y potencia del sonido
Una fuente de sonido irradia potencia y esto da como resultado una presión de sonido. La potencia del sonido es la causa. La presión del sonido es el efecto.
Considere la siguiente analogía: un calentador eléctrico irradia calor a una habitación y la temperatura es el efecto. La temperatura es también la magnitud física que nos hace sentir calor o frío. La temperatura en la habitación obviamente depende de la habitación en sí, el aislamiento y si hay otras fuentes de calor presentes. Pero para la misma entrada de energía eléctrica, el calentador irradia la misma potencia, prácticamente independientemente del entorno.
La relación entre la potencia del sonido y la presión del sonido es similar. Lo que escuchamos es la presión del sonido, pero es causada por la potencia del sonido emitida por la fuente.
La presión del sonido que escuchamos o medimos con un micrófono depende de la distancia desde la fuente y el entorno acústico (o campo de sonido) en el que están presentes las ondas sonoras. Esto, a su vez, depende del tamaño de la habitación y de la absorción acústica de las superficies. Entonces, al medir la presión del sonido, no necesariamente podemos cuantificar cuánto ruido hace una máquina.
Tenemos que encontrar la potencia sonora porque esta magnitud es más o menos independiente del entorno y es el único descriptor del ruido generado por una fuente de sonido.
¿Qué es la intensidad de sonido?
Cualquier pieza de maquinaria que vibre irradia energía acústica. La potencia del sonido es la velocidad a la que se irradia la energía (energía por unidad de tiempo). La intensidad del sonido describe la tasa de flujo de energía a través de una unidad de área. En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de área es 1 m². Y, por lo tanto, las unidades de intensidad del sonido son Watts por metro cuadrado.
La intensidad del sonido también da una medida de la dirección, ya que habrá un flujo de energía en algunas direcciones, pero no en otras. Por lo tanto, la intensidad del sonido es una cantidad vectorial ya que tiene tanto magnitud como dirección. Por otro lado, la presión es una cantidad escalar ya que solo tiene magnitud. Por lo general, medimos la intensidad en una dirección normal (a 90°) a una unidad de área específica a través de la cual fluye la energía del sonido.
También debemos afirmar que la intensidad del sonido es la tasa de flujo de energía promediada en el tiempo por unidad de área. En algunos casos, la energía puede viajar de un lado a otro. Esto no será medido; si no hay flujo neto de energía, no habrá intensidad neta.
En el siguiente diagrama, la fuente de sonido está irradiando energía. Toda esta energía debe pasar a través de un área que encierra la fuente. Dado que la intensidad es la potencia por área, podemos medir fácilmente la intensidad promedio espacial normal sobre un área que encierra la fuente y luego multiplicarla por el área para encontrar la potencia del sonido. Ten en cuenta que la intensidad (y la presión) siguen la ley del inverso del cuadrado para la propagación en campo libre.
Esto se puede ver en el diagrama, a una distancia 2r de la fuente, el área que encierra la fuente es 4 veces más grande que el área a una distancia r. Sin embargo, la potencia radiada debe ser la misma sea cual sea la distancia. En consecuencia, la intensidad y la potencia por área deben disminuir.
¿Por qué medir la intensidad de sonido?
Podemos determinar la potencia de sonido de un objeto a partir de mediciones de presión de sonido, pero existen desafíos prácticos. Si bien la potencia del sonido se puede relacionar con la presión del sonido, solo en condiciones cuidadosamente controladas se hacen suposiciones especiales sobre el campo de sonido. Los recintos especialmente construidos, como las cámaras anecoicas o reverberantes, cumplen estos requisitos. Tradicionalmente, para medir la potencia sonora, la fuente de ruido tendría que estar situada en este tipo de cámaras.
Sin embargo, la intensidad de sonido puede medirse en cualquier campo de sonido. No es necesario hacer suposiciones. Esta propiedad permite realizar todas las mediciones directamente en sitio. Y las mediciones en máquinas o componentes individuales se pueden realizar incluso cuando todos los demás emiten ruido. porque el ruido de fondo constante no contribuye a la potencia de sonido determinada al medir la intensidad
Debido a que la intensidad del sonido da una medida tanto de la dirección como de la magnitud, también es muy útil para ubicar fuentes de sonido. Por lo tanto, los patrones de radiación de maquinaria vibrante compleja pueden estudiarse en sitio.
Campos de sonido
Un campo de sonido es una región donde hay sonido. Se clasifica según la forma y el entorno en el que viajan las ondas sonoras. A continuación, se describirán algunos ejemplos y se discutirá la relación entre la presión y la intensidad. Esta relación se conoce con precisión solo en los dos primeros casos especiales que se describen a continuación.
Campo libre
Este término describe la propagación del sonido en un espacio libre idealizado donde no hay reflejos. Estas condiciones se mantienen al aire libre (lo suficientemente lejos del suelo) o en una habitación anecoica donde se absorbe todo el sonido que golpea las paredes. La propagación en campo libre se caracteriza por una caída de 6 dB en el nivel de presión sonora y el nivel de intensidad (en la dirección de propagación del sonido) cada vez que se duplica la distancia desde la fuente. Esto es simplemente un enunciado de la ley del cuadrado inverso. También se conoce la relación entre la presión del sonido y la intensidad del sonido (solo la magnitud). Esto proporciona una forma de encontrar la potencia del sonido, que se describe en las normas internacionales ISO 3744, 3745 y 3746.
Campo difuso
En un campo difuso, el sonido se refleja tantas veces que viaja en todas las direcciones con igual magnitud y probabilidad. Este campo se aproxima en una sala reverberante. Aunque la intensidad neta es cero, existe una relación teórica que relaciona la presión en la habitación con la Intensidad unilateral, Ix. Esta es la intensidad en una dirección, ignorando la componente igual y opuesta. La intensidad unilateral no se puede medir con un analizador de intensidad de sonido, pero es una cantidad útil: al medir la presión, podemos usar la relación entre la presión y la intensidad unilateral para encontrar la potencia del sonido. Esto se describe en las normas ISO 3741, 3743 y 3747.
Campo de sonido activo y reactivo
La propagación del sonido implica un flujo de energía, pero aún puede haber una presión de sonido incluso cuando no hay propagación.
Un campo activo es aquel donde hay flujo de energía. En un campo reactivo puro, no hay flujo de energía. En cualquier instante, la energía puede estar viajando hacia afuera, pero siempre regresará en un instante posterior.
La energía se almacena como en un resorte. Por lo tanto, la intensidad neta es cero. En general, un campo de sonido tendrá componentes tanto activos como reactivos.
Las medidas de presión de potencia sonora en campos que no están bien definidos pueden resultar poco fiables ya que la parte reactiva no está relacionada con la potencia radiada. Sin embargo, es posible medir la intensidad del sonido. Dado que la intensidad del sonido describe el flujo de energía, no habrá contribución del componente reactivo del campo. A continuación, se muestran dos ejemplos de campos reactivos.
Ondas estacionarias en una tubería
Considere un pistón que excita el aire en un extremo de un tubo. En el otro extremo, hay una terminación que hace que las ondas sonoras se reflejen. La combinación de las ondas reflejadas y que viajan hacia adelante produce patrones de presión máxima y mínima, que ocurren a distancias fijas a lo largo del tubo. Si la terminación es completamente rígida, toda la energía se refleja y la intensidad neta es cero. Con una terminación absorbente, se medirá cierta intensidad. Las ondas estacionarias también están presentes en las habitaciones a bajas frecuencias.
El campo cercano de una fuente
Muy cerca de una fuente, el aire actúa como un sistema masa-resorte que almacena la energía. La energía circula sin propagarse y la región en la que circula se llama campo cercano. Aquí solo se pueden realizar mediciones de intensidad de sonido para determinar la potencia de sonido. Y debido a que es posible acercarse a la fuente, se mejora la relación señal-ruido.
Presión y velocidad de partículas
Cuando una partícula de aire se desplaza de su posición media, se produce un aumento temporal de la presión. El aumento de presión actúa de dos maneras: para restaurar la partícula a su posición original y para transmitir la perturbación a la siguiente partícula. El ciclo de aumentos de presión (compresiones) y disminuciones (rarefacciones) se propaga a través del medio como una onda sonora.
Hay dos parámetros importantes en este proceso: La presión (la local aumenta y disminuye con respecto al ambiente) y la velocidad de las partículas de aire que oscilan alrededor de una posición fija.
La intensidad del sonido es el producto de la velocidad de las partículas y la presión. Y como se puede ver en la transformación a continuación, es equivalente a la definición de potencia por unidad de área dada anteriormente.
En un campo activo, la presión y la velocidad de las partículas varían simultáneamente. Un pico en la señal de presión ocurre al mismo tiempo que un pico en la señal de velocidad de las partículas. Por lo tanto, se dice que están en fase y que el producto de las dos señales da una intensidad neta.
En un campo reactivo, la presión y la velocidad de las partículas están desfasadas 90°. Uno está desplazado un cuarto de longitud de onda con respecto al otro. La multiplicación de las dos señales juntas da una señal de intensidad instantánea que varía sinusoidalmente alrededor de cero. Por lo tanto, la intensidad promediada en el tiempo es cero. En un campo difuso, la fase de presión y velocidad de las partículas varía aleatoriamente, por lo que la intensidad neta es cero.
Bibliografía
Brüel & Kjaer, Sound Intensity: Theory and Measurements (s.f.) Recuperado https://www.bksv.com/en/knowledge/blog/sound/sound-intensity [enero 2022]
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