¿Qué es la disminución espacial del nivel sonoro?

El Viaje del Sonido a Través del Espacio: Desvelando la Disminución Espacial del Nivel Sonoro

Cuando una fuente sonora emite energía en forma de ondas, estas se propagan a través del medio circundante, ya sea el aire, el agua u otro material. La intensidad con la que percibimos este sonido, medida como el nivel de presión sonora (Lp), no permanece constante, sino que disminuye a medida que nos alejamos de la fuente. Esta disminución espacial del nivel sonoro es un fenómeno fundamental en acústica, influenciado por una compleja interacción de factores que incluyen las características de la fuente, el entorno en el que se propaga el sonido y, crucialmente, la distancia entre la fuente y el receptor.

La Expansión Esférica: La Ley de la Inversa al Cuadrado en Campo Libre

En un espacio abierto y sin obstáculos (lo que en acústica se conoce como campo libre), una fuente sonora idealizada que irradia energía uniformemente en todas direcciones (una fuente omnidireccional, con una directividad Q = 1) provoca una disminución del nivel sonoro que sigue la ley de la inversa al cuadrado.

Imagina la energía sonora emitida por la fuente propagándose hacia afuera como una esfera en expansión. A medida que la esfera se hace más grande, la misma cantidad de energía se distribuye sobre una superficie cada vez mayor. La superficie de una esfera es proporcional al cuadrado de su radio (la distancia 'r' desde la fuente). Por lo tanto, la intensidad del sonido (potencia por unidad de área) disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia.

Matemáticamente, esta relación se traduce en una disminución del nivel de presión sonora de 6 decibelios (dB) por cada duplicación de la distancia desde la fuente.

Figura 1: Representación visual de la expansión esférica de las ondas sonoras desde una fuente omnidireccional en campo libre.

La Figura 1 mostraría una fuente sonora en el centro, con ondas sonoras representadas como esferas concéntricas que se expanden hacia afuera. Se indicarían dos puntos a diferentes distancias ('r' y '2r') desde la fuente, mostrando cómo la misma energía se distribuye sobre un área cuatro veces mayor a la distancia '2r', lo que resulta en una disminución de la intensidad.

Ejemplo Práctico de un altavoz en Campo Libre:

• A una distancia inicial (r1) de 10 metros, el nivel de presión sonora (Lp1) es de 80 dB.

• Al duplicar la distancia a r2 = 2 ⋅ r1 = 20 metros, la disminución del nivel sonoro es de 6 dB: Lp2 = Lp1 − 6dB = 80dB − 6dB = 74dB

• Al duplicar nuevamente la distancia a r3 = 2 ⋅ r2 = 40 metros, la disminución adicional es de otros 6 dB: Lp3 = Lp2 − 6dB = 74dB − 6dB = 68dB

Este comportamiento de -6 dB por cada duplicación de la distancia es una regla fundamental en la propagación del sonido en campo libre.

La Influencia del Entorno: Reflexiones y la Constante Acústica del Local

En espacios cerrados, la disminución del nivel sonoro con la distancia se vuelve más compleja debido a las reflexiones del sonido en las superficies del recinto (paredes, techo, suelo). Estas reflexiones hacen que el sonido llegue al oyente no solo directamente desde la fuente, sino también indirectamente después de rebotar en las superficies.

El nivel de presión acústica (Lp) en un punto dentro de un recinto se puede estimar con la fórmula que proporcionaste:

Donde:

• Lp = Nivel de presión sonora en el punto de medición (dB).

• Lw = Nivel de potencia acústica de la fuente sonora (dB). El nivel de potencia es una medida de la energía total emitida por la fuente y es intrínseca a la fuente.

• Q = Directividad de la fuente sonora (adimensional). Describe cómo la energía sonora se distribuye en el espacio. Q = 1 para una fuente omnidireccional, Q = 2 para una fuente que irradia en un hemisferio (por ejemplo, un altavoz en el suelo), y valores más altos para fuentes más directivas (como una bocina). Este concepto de directividad lo exploramos en detalle en nuestra discusión sobre las características de las fuentes sonoras.

• r = Distancia entre la fuente y el punto de medición (metros). El término Q / 4π r2 representa la contribución del campo directo, el sonido que llega directamente de la fuente sin reflexiones, y sigue la ley de la inversa al cuadrado (modificada por la directividad).

• R = Constante acústica del local (m2). Describe la capacidad del recinto para absorber el sonido. Depende del área de las superficies del recinto y de sus coeficientes de absorción acústica (α): 
  

Donde S es el área total de las superficies del recinto y α es el coeficiente de absorción acústica promedio de las superficies. El término 4 / R representa la contribución del campo reverberante o campo difuso, el sonido que llega al punto de medición después de múltiples reflexiones en las superficies del recinto.

Figura 2: Representación esquemática de la propagación del sonido en un recinto cerrado, mostrando el campo directo y las reflexiones que contribuyen al campo reverberante.

La Figura 2 muestra una fuente sonora dentro de una habitación, con flechas indicando el sonido que viaja directamente al oyente (campo directo) y otras flechas mostrando ondas sonoras que se reflejan en las paredes, el techo y el suelo antes de llegar al oyente (campo reverberante).

La Interacción del Campo Directo y el Campo Reverberante

La fórmula para Lp en un recinto revela que la disminución del nivel sonoro con la distancia no es tan simple como en campo libre. Cerca de la fuente (a distancias pequeñas 'r'), el término del campo directo (Q / 4π r2) domina, y la disminución del nivel sonoro con la distancia se acerca a los 6 dB por cada duplicación de la distancia.

Sin embargo, a medida que la distancia 'r' aumenta, la contribución del campo directo disminuye rápidamente (proporcional a 1 / r²). Eventualmente, a una distancia suficientemente grande de la fuente, el término del campo reverberante (4 / R) se vuelve dominante. En esta región, el nivel de presión sonora tiende a ser más uniforme y la disminución con la distancia es mucho menor o incluso insignificante.

La distancia a la que la contribución del campo directo y el campo reverberante son iguales se conoce como la distancia crítica (rc):

A distancias mucho mayores que la distancia crítica, el nivel sonoro estará dominado por el campo reverberante y será relativamente constante en todo el recinto.

Factores Adicionales que Afectan la Disminución Espacial

Además de la distancia y el entorno (campo libre vs. espacio cerrado), otros factores pueden influir en la disminución espacial del nivel sonoro:

• Absorción Atmosférica: En distancias largas, especialmente a frecuencias altas, la atmósfera puede absorber una cantidad significativa de energía sonora, lo que resulta en una disminución adicional del nivel sonoro con la distancia. Este efecto es más pronunciado en condiciones de alta humedad y a frecuencias elevadas.

• Obstáculos y Difracción: La presencia de obstáculos (edificios, barreras, etc.) puede bloquear o reflejar las ondas sonoras, creando sombras acústicas donde el nivel sonoro es significativamente menor. Sin embargo, el sonido también puede rodear los obstáculos mediante el fenómeno de la difracción, lo que reduce la efectividad del bloqueo, especialmente para frecuencias bajas.

• Gradientes de Temperatura y Viento: En exteriores, las variaciones de temperatura y las corrientes de viento pueden curvar las trayectorias de las ondas sonoras (refracción), afectando la forma en que el nivel sonoro disminuye con la distancia en diferentes direcciones.

• Directividad de la Fuente: Como se mencionó anteriormente, la directividad (Q) de la fuente sonora influye significativamente en cómo se distribuye la energía en el espacio. Una fuente altamente directiva concentrará la energía en una dirección específica, lo que resultará en una menor disminución del nivel sonoro en esa dirección en comparación con otras.

Aplicaciones Prácticas: Diseño Acústico y Control de Ruido

Comprender la disminución espacial del nivel sonoro es crucial en numerosas aplicaciones prácticas:

• Diseño de Sistemas de Sonido: En el diseño de sistemas de megafonía o refuerzo sonoro en auditorios, estadios o espacios públicos, es fundamental predecir cómo el nivel sonoro disminuirá con la distancia para asegurar una cobertura uniforme y una inteligibilidad adecuada en toda el área de audiencia. Se deben considerar la directividad de los altavoces y las características acústicas del recinto.

• Control de Ruido Ambiental: Al evaluar y mitigar el impacto del ruido de fuentes como el tráfico, la industria o la construcción, es necesario comprender cómo el nivel sonoro disminuye con la distancia al propagarse a través del entorno. Esto ayuda a determinar las distancias de seguridad o la necesidad de implementar barreras acústicas.

• Acústica Arquitectónica: En el diseño de teatros, salas de conciertos, estudios de grabación y otros espacios acústicamente sensibles, se busca controlar las reflexiones y el campo reverberante para lograr una distribución sonora óptima. La comprensión de la relación entre la distancia, la directividad y la constante acústica del local es esencial.

• Mediciones Acústicas: Al realizar mediciones de ruido o de la respuesta de sistemas de sonido, es fundamental tener en cuenta la distancia entre la fuente y el micrófono, así como las condiciones del entorno, para interpretar correctamente los resultados.

Conclusión: Una Ley Fundamental con Complejas Interacciones

La disminución espacial del nivel sonoro es un fenómeno acústico fundamental que rige cómo percibimos el sonido a medida que nos alejamos de su fuente. Si bien en condiciones ideales de campo libre la regla de los -6 dB por cada duplicación de la distancia proporciona una guía útil, en entornos reales, especialmente en espacios cerrados, la interacción con las reflexiones y otros factores ambientales introduce una complejidad significativa. Comprender estos principios y la fórmula que describe el nivel de presión sonora en un recinto es esencial para abordar una amplia gama de desafíos en el diseño acústico, el control de ruido y la ingeniería de sonido.