Percepción Auditiva, Umbrales y el Fonio

Si bien el decibelio SPL (dB SPL) proporciona una medida objetiva de la presión sonora, nuestra experiencia auditiva, la sonoridad, es profundamente subjetiva y está intrínsecamente ligada a la frecuencia y el nivel del sonido. Comprender esta relación entre la física del sonido y nuestra percepción es crucial.

Umbrales de Audición

El umbral de audición se define como el nivel de presión sonora (SPL) mínimo necesario para que la mayoría de las personas experimenten una sensación auditiva. Representa la presión sonora más baja que el oído humano promedio puede detectar en condiciones óptimas, típicamente en un entorno silencioso y para frecuencias dentro de su rango de mayor sensibilidad.

Históricamente, el valor de referencia para este umbral se ha establecido en 0.0002 microbar, lo que equivale a 20 × 10⁻⁶ Pascales (20μPa). Utilizando la fórmula del nivel de presión sonora:

donde p es la presión sonora medida y p₀ es la presión sonora de referencia (20 × 10⁻⁶ Pa), el umbral de audición se corresponde con:

Es asombrosa la sensibilidad de nuestro oído. Si fuera aún más sensible, incluso el movimiento térmico aleatorio de las moléculas del aire podría ser audible, lo que impondría un límite físico al silencio perceptible.

Desde una perspectiva estadística, el umbral de audición para una frecuencia específica se define como el SPL al cual una persona promedio puede oír el sonido el 50% de las veces que se presenta, considerando la variabilidad individual en la sensibilidad auditiva.

Otros Umbrales Importantes

• Umbral del Dolor: Este es el nivel de presión sonora (SPL) a partir del cual la exposición al sonido comienza a causar una sensación física de dolor o malestar en el oído humano. Típicamente se sitúa alrededor de 140dB SPL en el rango de frecuencias entre 200Hz y 10kHz, donde el oído es más sensible. Exponerse a niveles cercanos o superiores puede provocar daño auditivo, temporal o permanente.

• Umbral de Sensación (o de Molestia): Este umbral, también conocido como umbral de molestia o incomodidad, es el nivel de presión sonora (SPL) en el cual el sonido se vuelve desagradable o incómodo para el oyente, aunque aún no cause dolor físico. Se encuentra alrededor de 118dB SPL en el rango de 200Hz a 10kHz, significativamente por debajo del umbral del dolor, pero indicativo de un sonido potencialmente perjudicial con exposición prolongada.

El Fonio (Phon): Midiendo la Sonoridad Subjetiva

El fonio es la unidad psicofísica del nivel de volumen o sonoridad subjetiva. Su propósito es cuantificar cómo de fuerte percibimos un sonido, teniendo en cuenta que la sensibilidad de nuestro oído varía con la frecuencia.

Por definición, el nivel de volumen en fonios de un sonido es numéricamente igual al nivel de presión sonora en dB SPL de un tono puro de 1kHz que se percibe con la misma sonoridad.

Para frecuencias distintas de 1kHz, el número de fonios se determina comparando la sonoridad percibida del sonido con la de un tono de referencia de 1kHz a diferentes niveles de SPL. Esta relación está definida por las Curvas de Igual Sonoridad, también conocidas como Curvas de Fletcher-Munson.

Por ejemplo, un sonido que se percibe tan fuerte como un tono de 1kHz a 40dBSPL tiene un nivel de volumen de 40 fonios, independientemente de su frecuencia real. Sin embargo, para producir una sonoridad de 40 fonios a 10kHz, se requiere un nivel de presión sonora de aproximadamente 52dBSPL, ya que el oído es menos sensible a las altas frecuencias a niveles bajos.

Las Curvas de Igual Sonoridad (Curvas de Fletcher-Munson)

Estas curvas son esenciales para entender cómo nuestra percepción de la sonoridad cambia con la frecuencia y el nivel de presión sonora. Ilustran que la sensibilidad del oído humano no es uniforme en todo el espectro audible.

En estas curvas (como se muestra en la Figura 1), el eje horizontal representa la frecuencia (en Hz) en escala logarítmica, y el eje vertical representa el nivel de presión sonora (en dB SPL). Cada curva conecta puntos de igual sonoridad percibida y está etiquetada con un valor en fonios.

Figura 1. Curvas de Fletcher-Munson

En la frecuencia de 1kHz, el valor en fonios de una curva coincide directamente con el valor en dB SPL del eje vertical. Para cualquier nivel de sonoridad (fonios), se necesitan diferentes niveles de SPL a distintas frecuencias para producir esa misma sensación. Por ejemplo, para alcanzar una sonoridad de 100 fonios:

• A 1kHz, se necesitan 100dB SPL.

• Alrededor de 4kHz (zona de mayor sensibilidad), se necesitan aproximadamente 88dBSPL.

• A frecuencias bajas (como 50Hz) y altas (como 17kHz), se requieren niveles de SPL significativamente mayores (alrededor de 110dBSPL).

Es importante notar que la forma de estas curvas cambia con el nivel de sonoridad. A niveles bajos, la sensibilidad del oído es mucho más dependiente de la frecuencia que a niveles altos. Esto significa que a volúmenes bajos, somos menos sensibles a las frecuencias bajas y altas en comparación con las frecuencias medias.

La No Linealidad del Oído y sus Consecuencias

El oído no es un dispositivo lineal y, como resultado, produce distorsión de armónicos cuando las ondas de sonido superan cierto volumen. Esta distorsión implica la generación de armónicos con formas de onda que no estaban presentes en la señal original. Por ejemplo, una onda sinusoidal pura a 1kHz puede percibirse como una combinación de ondas a 1kHz, 2kHz, 3kHz, etc.

Aunque el oído puede discernir la estructura de sobretonos de un violín, a niveles de audición elevados, puede generar armónicos adicionales, alterando la percepción del timbre del instrumento. Esto implica que un sonido monitoreado a volúmenes muy altos puede sonar significativamente diferente cuando se reproduce a niveles bajos.

Esta no linealidad también afecta la percepción del balance de frecuencias al variar el volumen. Las Curvas de Fletcher-Munson explican por qué una mezcla musical que suena equilibrada a un nivel de presión sonora alto puede sonar con una pérdida de graves y agudos al reproducirse a un nivel más bajo. La sensibilidad del oído a las bajas y altas frecuencias disminuye más rápidamente con la reducción del volumen que la sensibilidad a las frecuencias medias.

Se ha sugerido que un nivel de monitoreo de alrededor de 85dB SPL podría ser un buen promedio, ya que los cambios en el balance de frecuencias aparente son menos pronunciados alrededor de este nivel. Mezclar a volúmenes muy altos (como 120dB SPL) puede llevar a una mezcla que suene deficiente en graves, distante y sin vida al reproducirse a niveles más bajos. Por el contrario, una mezcla equilibrada a 85dBSPL mantendrá un balance similar en un rango de reproducción de 60 a 90dBSPL, con cambios menores en los extremos del espectro. Dado que los niveles de ruido doméstico suelen estar en el rango de 75 a 85dBSPL, este nivel de monitoreo parece óptimo para la mayoría de las situaciones de escucha.

"Mi consejo es no mezclar a mucho volumen, pues si probásemos a bajar el volumen a cero y subirlo progresivamente algunos de los instrumentos que escuchábamos en la mezcla a volumen fuerte, ahora no se escucharían e incluso a medida que aumentamos el volumen aparecen otros que no percibíamos antes".

Además, el volumen de una nota puede influir en el tono percibido. Por ejemplo, al aumentar la intensidad de una nota de 100Hz de 40 a 100dBSPL, el oído puede percibir un descenso del tono de hasta un 10%. Este efecto es menos pronunciado a frecuencias más altas.

Finalmente, debido a la no linealidad del oído, las notas pueden interactuar entre sí en lugar de percibirse de forma aislada, dando lugar a fenómenos como pulsaciones, tonos de combinación y enmascaramiento.

Conclusión

Es fundamental distinguir entre la medición objetiva del sonido (dB SPL) y nuestra percepción subjetiva (fonios). Las Curvas de Fletcher-Munson son una herramienta clave para comprender esta relación no lineal entre la intensidad física del sonido, su frecuencia y cómo lo experimentamos. Además, la no linealidad inherente al oído tiene implicaciones importantes en cómo percibimos el timbre, el balance de frecuencias y la interacción entre diferentes sonidos. Por ello, considerar estos aspectos es crucial en campos como la producción musical y la ingeniería de sonido para asegurar que las experiencias auditivas sean consistentes y placenteras en diferentes niveles de reproducción.