Los Niveles de Presión, Intensidad y Potencia Sonora

Los Pilares del Sonido: Niveles de Presión, Intensidad y Potencia

El oído humano posee una capacidad asombrosa para detectar sonidos en un rango de energía vastísimo, aproximadamente de 10¹³ : 1 (diez billones a uno). Esta enorme amplitud dificulta el manejo de las mediciones en una escala lineal. Para simplificar y hacer más intuitivas las magnitudes sonoras, se utiliza una escala logarítmica basada en el decibelio (dB).

Los faders de las mesas de mezclas tienen una relación logarítmica.

El decibelio es una unidad adimensional que expresa la relación entre dos cantidades de energía (ya sean acústicas, eléctricas o mecánicas) en una escala logarítmica, multiplicada por un factor de 10. No es una unidad fundamental, sino una transformación matemática útil para:

• Comprimir un rango amplio de valores: El logaritmo reduce la magnitud de números muy grandes y amplifica la de números muy pequeños, facilitando su representación y comparación.

• Reflejar la percepción humana: Nuestra percepción del sonido es aproximadamente logarítmica. Cambios iguales en decibelios suelen corresponder a cambios aproximadamente iguales en la sensación de sonoridad.

• Simplificar cálculos: En lugar de multiplicar o dividir grandes cantidades, se pueden sumar o restar sus valores en decibelios.

El Decibelio: La Unidad de Relación Logarítmica

Matemáticamente, la ganancia (o cualquier relación) en decibelios se define como:

Donde P₂ es la potencia de salida y P₁ es la potencia de entrada (o, en general, las dos cantidades que se están comparando). Como es una relación, el resultado es adimensional. La unidad "decibelio" se introduce para indicar que se ha aplicado esta transformación logarítmica.

Niveles Acústicos de Referencia

En acústica, las magnitudes de presión, intensidad y potencia sonora rara vez se utilizan en sus unidades absolutas (Pascales para presión, vatios por metro cuadrado para intensidad, vatios para potencia). En su lugar, se expresan como niveles en decibelios, referenciados a un valor estándar o de referencia. Esto permite trabajar con una escala logarítmica relativa a un umbral significativo.

Vamos a explorar los tres niveles acústicos fundamentales:

1. Nivel de Presión Sonora (SPL - Sound Pressure Level)

• Definición: El Nivel de Presión Sonora (SPL) mide la presión eficaz (RMS - Root Mean Square) de las ondas sonoras en un punto específico del espacio, relativa a una presión sonora de referencia. Representa la magnitud de las variaciones de presión atmosférica causadas por el sonido.

• Unidad: Decibelio (dB) SPL.

• Presión de Referencia (p₀): La presión sonora de referencia estándar en el aire es: Este valor se eligió por ser aproximadamente el umbral de audición para un oído humano joven y sano a una frecuencia de 1 kHz.

• Fórmula: El nivel de presión sonora (Lp) se calcula como: 
  
  Donde p es la presión sonora eficaz medida en Pascales. El factor 20 aparece porque la potencia sonora es proporcional al cuadrado de la presión sonora (P ∝ p²), y al aplicar el logaritmo:
  

• Características:

1. Es una medida de campo: Su valor depende de la ubicación del punto de medición y de las condiciones del entorno acústico (distancia a la fuente, reflexiones, absorción, etc.).
2. Es lo que miden los sonómetros o medidores de nivel de sonido.
3. Está directamente relacionado con nuestra percepción de la sonoridad. Un aumento de 10 dB SPL se percibe aproximadamente como una duplicación de la sonoridad.
4. El rango de SPL que el oído humano puede tolerar va desde el umbral de audición (0 dB SPL) hasta el umbral del dolor (alrededor de 120-130 dB SPL).

• Ejemplos de Niveles de Presión Sonora:

1. Umbral de audición: 0 dB SPL
2. Susurro suave a 1 metro: 30 dB SPL
3. Conversación normal a 1 metro: 60 dB SPL
4. Tráfico intenso a 10 metros: 80 dB SPL
5. Concierto de rock (cerca de los altavoces): 110 dB SPL
6. Umbral del dolor: 120-130 dB SPL

Nivel de dB	Contexto
20 - 30 dB	Estudio de grabación, ambiente muy silencioso
30 - 40 dB	Ruido residencial bajo, nivel ambiental
40 - 50 dB	Ruido moderado en una oficina
50 - 60 dB	Sonido de un teléfono o fax
60 - 70 dB	Prueba de nivel en un micrófono
70 dB	Conversación animada
70 - 80 dB	Restaurante concurrido
80 dB	Guitarra acústica tocada con los dedos, a 30 cm
80 - 90 dB	Límite de exposición sonora según la normativa de la UE
90 - 100 dB	Prueba de sensibilidad de un micrófono a 2 cm
105 dB	Amplificador de guitarra Fender Deluxe, volumen máximo a 25 cm
130 - 140 dB	Golpe de platos cercano, a 15 cm
140 - 150 dB	Cantante de rock gritando al micrófono con contacto directo
150 - 160 dB	Golpe de bombo de batería desde la posición del micrófono

2. Nivel de Intensidad Sonora (SIL - Sound Intensity Level)

• Definición: El Nivel de Intensidad Sonora (SIL) mide la intensidad acústica (I) en un punto del espacio, relativa a una intensidad de referencia. La intensidad acústica es la potencia acústica que fluye a través de una unidad de área perpendicular a la dirección de propagación del sonido. Se mide en vatios por metro cuadrado (W / m²).

• Unidad: Decibelio (dB) SIL.

• Intensidad de Referencia (I₀): La intensidad sonora de referencia estándar es:
  
  Este valor corresponde aproximadamente a la intensidad de una onda sonora con una presión eficaz de 20 μ Pa en el aire a condiciones estándar y se relaciona con el umbral de audición en términos de energía.

• Fórmula: El nivel de intensidad sonora (L I ) se calcula como:
  

• Características:

1. Es una medida del flujo de energía sonora por unidad de área.
2. Es una cantidad vectorial (tiene magnitud y dirección), aunque a menudo se considera su magnitud.
3. La intensidad sonora está relacionada con el cuadrado de la presión sonora y la impedancia acústica (Z = ρc) del medio de propagación (donde ρ es la densidad del medio y c es la velocidad del sonido):
   
4. En campo libre (donde no hay reflexiones), el Nivel de Intensidad Sonora (SIL) y el Nivel de Presión Sonora (SPL) para la misma onda sonora son prácticamente iguales, debido a la relación entre las referencias p0 e I0 a través de la impedancia acústica del aire.
5. La intensidad sonora disminuye con el cuadrado de la distancia a una fuente puntual en campo libre (ley de la inversa del cuadrado), lo que implica una disminución de 6 dB en el nivel de intensidad por cada duplicación de la distancia.

3. Nivel de Potencia Sonora (SWL o Lw - Sound Power Level)

• Definición: El Nivel de Potencia Sonora (SWL) mide la potencia acústica total (P) emitida por una fuente sonora en todas las direcciones, relativa a una potencia de referencia. La potencia acústica se mide en vatios (W) y representa la tasa a la que la fuente emite energía sonora.

• Unidad: Decibelio (dB) SWL o Lw.

• Potencia de Referencia (P0): La potencia sonora de referencia estándar es:
  
  Este valor es extremadamente pequeño y se relaciona con el umbral de audición en términos de la potencia que una fuente teórica irradiaría para producir ese nivel de intensidad a una distancia determinada.

• Fórmula: El nivel de potencia sonora (Lw) se calcula como:
  

• Características:

1. Es una propiedad intrínseca de la fuente sonora y no depende del entorno acústico ni de la distancia del observador (en condiciones ideales).
2. Se utiliza para cuantificar la "fortaleza" acústica de una fuente y para comparar la capacidad de diferentes fuentes para generar sonido.
3. El SWL no se mide directamente con un sonómetro en un punto. Se determina experimentalmente mediante mediciones de presión sonora realizadas en una superficie que rodea la fuente, considerando el área de esa superficie y las condiciones del entorno.
4. El Nivel de Potencia Sonora es fundamental para predecir los niveles de presión sonora que se producirán a diferentes distancias de la fuente y en diversos entornos acústicos.

• Relación entre SWL y SPL en Campo Libre: En campo libre (sin reflexiones), el nivel de presión sonora (Lp) a una distancia r de una fuente puntual con un nivel de potencia sonora Lw se puede aproximar mediante la siguiente relación:
  
  El término 4 π r² representa la superficie de una esfera de radio r a través de la cual se distribuye la potencia sonora. Esta ecuación ilustra cómo el SPL disminuye con la distancia debido a la dispersión de la energía sonora en un área cada vez mayor.

En Resumen:

• Nivel de Presión Sonora (SPL): Lo que se mide en un punto y está directamente relacionado con lo que oímos. Depende de la fuente y el entorno.

• Nivel de Intensidad Sonora (SIL): El flujo de energía sonora a través de un área. También depende del punto y la dirección, y está relacionado con el SPL y la impedancia del medio.

• Nivel de Potencia Sonora (SWL): La cantidad total de energía sonora emitida por una fuente. Es una propiedad de la fuente y no depende directamente del entorno o la distancia.

Comprender la distinción entre estos tres niveles y cómo se relacionan es crucial para el análisis y la gestión del sonido en diversos campos, desde la acústica arquitectónica y la ingeniería de sonido hasta la evaluación del ruido ambiental y la salud auditiva.