acústica Instalaciones de Megafonía y Sonorización. UC0597_2: Montar y mantener instalaciones de megafonía y sonorización de locales.

Transcripción

1 1 acústica Instalaciones de Megafonía y Sonorización. UC0597_2: Montar y mantener instalaciones de megafonía y sonorización de locales. Miguel Ángel Asensio Hernández, Profesor de Electrónica de Comunicaciones. Departamento de Electrónica, I.E.S. Emérita Augusta MÉRIDA.

2 La acústica es la ciencia que estudia el sonido. Cuando un medio elástico como el aire vibra, genera en nuestro cerebro una sensación a la que llamamos sonido. Estas vibraciones producen el desplazamiento de las moléculas de aire debido a la acción de una presión externa

3 El sonido es, por tanto, todo lo que oímos, resultado de las vibraciones transmitidas en forma de ondas por el aire.

4 1.1 Características del sonido. (periodo, frecuencia y amplitud) Periodo Tiempo que tarda en completarse una onda u oscilación. Se mide en unidades de tiempo (normalmente en segundos), y se representa por T. Frecuencia Amplitud Se define como el número de ondas que hay en un segundo. La unidad de medida de la frecuencia es el Hertzio (Hz), aunque es habitual emplear múltiplos de esta magnitud, como el KHz y el MHz. Se representa por f, y es la inversa del periodo. Indica el nivel de potencia de una oscilación. Cuanto mayor o más fuerte sea un sonido, mayor será la amplitud de la onda que genera. f = 1 T

5 Un oscilograma es la mejor manera de representar una onda u oscilación generada por un sonido. En ellos se puede medir el periodo (por tanto, también su frecuencia), y la amplitud de la onda. Las ondas sonoras se pueden visualizar en un osciloscopio.

6 1.2 La velocidad de propagación. Es la velocidad a la que viajan las ondas de un determinado medio. Y depende de la presión, temperatura y humedad, y fundamentalmente del medio. Se expresa en m/s. A medida que aumenta la temperatura también lo hace la velocidad de propagación.

7 La longitud de onda (λ) mide el espacio que recorre una onda completa. Cuando las ondas de sonido chocan con las moléculas del medio, van perdiendo energía. Por tanto, la amplitud va decreciendo con la distancia, y así será hasta que la onda desaparece.

8 Sabemos que en condiciones de temperatura y presión determinadas, la velocidad del sonido es de 331,4 m/s (a 0⁰C). Si ahora consideramos una variación de la temperatura y contemplamos lo que sería condiciones normales de temperatura ambiente, la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s (a 20⁰C). Como el espacio que ocupa una única onda constituye la longitud de onda, y el tiempo que tarda en recorrerlo el periodo, tenemos: c = λ T Como la frecuencia es la inversa del periodo, también podemos escribir: c = λ f

9 1.3 El espectro audible. Es el rango de frecuencias entre 20Hz y Hz El espectro audible es diferente para cada persona y se altera con la edad (a mayor edad se pierde sensibilidad a las frecuencias altas, es decir las frecuencias agudas). El oído humano es capaz de diferenciar sonidos con 1Hz de diferencia. Como podemos observar en la escala de arriba, las frecuencias pueden clasificarse en tonalidades. Así, distinguimos tonos graves o bajos, medios y agudos o altos. Los sonidos graves van de 20 a 300Hz, los sonidos medios de 300 a 2.000Hz, y los agudos de 2.000Hz a Hz Hz medios 300Hz

10 Sistema auditivo. estímulo respuesta Ondas sonoras. Tímpano. Cóclea. Células receptoras del oído. Espectro de frecuencia de respuesta del sonido captado. Impulso del nervio auditivo.

11 Respuesta en frecuencia de la cóclea T = 0,05 ms

12 El espectro audible (20Hz y Hz) se subdivide, a su vez, en octavas. Se denomina octava al intervalo de ocho grados entre dos notas de la escala musical. 4ª octava de la escala musical El valor máximo de cada una de ellas es el doble del valor de la anterior, siendo el tono más alto de los sonidos musicales el de frecuencia Hz que proporciona el piano.

13 La escala natural En música, una octava es el intervalo que separa dos sonidos cuyas frecuencias fundamentales tienen una relación 2:1. Tomando como base la frecuencia de 55 Hz (que en la escala musical es el LA más grave del piano) y a esta frecuencia la multiplicamos por 2, luego por 3 y así sucesivamente, obtendremos distintas frecuencias, que además constituyen distintas notas musicales. Octava Límites de cada octava 1ª octava 32 Hz. 64 Hz 2ª octava 64 Hz..125 Hz 3ª octava 125 Hz Hz 4ª octava 250 Hz Hz 5ª octava 500 Hz 1000 Hz 6ª octava 1000 Hz 2000 Hz 7ª octava 2000 Hz 4000 Hz 8ª octava 4000 Hz 8000 Hz 9ª octava 8000 Hz.. 16 KHz 10ª octava 16 KHz.. 1ª Octava 55 Hz 2ª Octava 110 Hz 165 3ª Octava 220 Hz ª Octava 440 Hz 495 Hz 550 Hz 605 Hz 660 Hz 715 Hz 770 Hz 825 Hz 5ª Octava 880 Hz La Si Do Re Mi Fa Sol A B C D E F G H Octava completa natural Por ejemplo: el LA₅ de 880 Hz está una octava por encima de LA₄ de 440 Hz. Nota: Para entender como es la relación entre las notas musicales y como se definieron estas a través de los años, fue necesario establecer una primera nota fundamental o estándar que corresponde a la nota musical La central, que tiene una frecuencia de 440 Hz.

14 Octava Límites de cada octava 1ª octava 32 Hz. 64 Hz 2ª octava 64 Hz..125 Hz 3ª octava 125 Hz Hz 4ª octava 250 Hz Hz 5ª octava 500 Hz 1000 Hz 6ª octava 1000 Hz 2000 Hz 7ª octava 2000 Hz 4000 Hz 8ª octava 4000 Hz 8000 Hz 9ª octava 8000 Hz.. 16 KHz

15 Pocos altavoces son capaces de reproducir los extremos de 20Hz y/o 20KHz a un nivel de potencia suficiente como para jugar un papel significativo. Es más útil limitar la discusión a aquellas frecuencias que son más probables, como: desde los 31 Hz (la nota B en un bajo de cinco cuerdas).. hasta los 18 KHz. El número de octavas entre dos frecuencias puede calcularse mediante el uso de logaritmos en base 2. Así, por ejemplo, si el rango de frecuencias audibles es de 20Hz a 20KHz, el número de octavas que abarca este rango es: log₂ = 9,965 octavas

16 Los armónicos. los armónicos tienen una frecuencia que es múltiplo (coincidentes en el tiempo) de la frecuencia de la onda fundamental, y siempre de amplitud menor.

17 A pesar de tener el mismo tono y la misma potencia, dos sonidos no tienen por qué ser idénticos. La diferencia está en el timbre, que es lo que nos permite diferenciar, por ejemplo, una misma nota musical dada por dos instrumentos diferentes. Su espectro en frecuencia es lo que determina la forma y característica propia de sonar de cada instrumento. Esto se debe a que los sonidos se componen de ondas superpuestas a una frecuencia fundamental. Son lo que llamamos armónicos, cuya frecuencia es múltiplo de la onda fundamental.

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20 1.4 Intensidad sonora. [db] La intensidad de un sonido depende de la presión sonora que emite la fuente y del medio por el que se transmite. Fuente puntual La intensidad sonora se mide en decibelios(db). Los decibelios son muy apropiados por seguir una proporción exponencial, muy similar a la respuesta del oído humano.

21 El margen de ruido o sonidos que podemos escuchar comprende: Desde los 200 Pascales (25w/m 2 ), que representa el margen doloroso, es decir, 130dB SPL Hasta Pascales (10-12 w/m 2 ) que representa el margen de audición a 1kHz, y es considerado como el nivel de 0dB SPL.

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23 Como nivel de referencia empleamos los decibelios SPL (Sound Pressure Level), o Nivel de Presión Sonora, que expresan medidas relativas de presión sonora. Como ya hemos visto, la referencia o umbral de audición corresponde a 0dB SPL, que es la menor cantidad de sonido perceptible por el oído humano a la frecuencia de 1kHz. En términos de potencia, el nivel de intensidad sonora, SIL (NI) vale: NI = 10 log ( I I ref ) donde I, es intensidad sonora de salida (SIL) y podemos expresarlo en presiones, SPL de la siguiente forma: N SPL = 20 log ( P P ref ) la presión de referencia la conocemos Pa N SPL = 20 log ( P ) [Pa]

24 Cuando tenemos varias fuentes de sonido no podemos sumar directamente logaritmos, hemos de sumar presiones Cuando doblamos (x2) la presión sonora, solo experimentamos un aumento de 6dB. P i = N SPL (Pa) P t = P i La presión total es la suma de todas las presiones de todas las fuentes de sonido. N SPL = 20log( P t ) db SPL

25 Ejemplo Se quiere calcular la diferencia en decibelios entre dos potencias eléctricas, una doble de la otra, 2W y 4W respectivamente: P = 10 log 4W 2W = 3dB PWL Igualmente la diferencia en decibelios entre una señal de amplitud 2V y otra de amplitud 4V es de: dbv = 20 log 4V 2V = 6dB SPL Es decir, doblar el voltaje supone un incremento de 6dB, mientras que doblar la potencia equivale a incrementar 3dB.

26 Normalmente, en los equipos de audio vemos indicaciones de tensión en decibelios. Los valores estándar son 0dBu, lo que equivale a 0,775 voltios (RMS), así como 0dBV, lo que equivale a 1V (RMS). Donde la referencia ha sido de 1mW a 600Ω. 1 mw Fuente sonora Carga de 600Ω 0dBu 0,775V 0dBV 1V Según la World Audio Levels and Common Meter Scales

27 Unidad dbw dbm dbv Nivel de Referencia 1W 1mW 1V dbµv 1µV dbu dba 0,775V (1mW/600Ω) 1A dbµa 1µA PWL (potencia sonora) W SIL (intensidad sonora) W/m 2 SPL (presión sonora) 20µPa Como ya se ha explicado, el BELIO, o más apropiado, el DECIBELIO, es un medio para expresar relaciones de potencia acústica. Su uso está justificado por la necesidad de utilizar escalas no lineales.

28 A modo de resumen: Empleamos dos fórmulas básicamente porque hay magnitudes de potencia (PWL) (SIL), que usan 10 log y magnitudes de tensión (dbv) y presión (SPL), que usan 20 log SIL, PWL = 10 log W W (db) dbv, SPL = 20 log P (Pa) ; (dbv)

29 Incorporaremos el decibelio [db] en nuestros cálculos para incluir relaciones de potencias eléctricas, de forma que la ganancia o pérdida de un sistema pueda expresarse en unidades de decibelios. Frecuentemente no se conoce ni la potencia de salida ni la potencia de entrada de un «sistema», y por lo general no es necesario determinarla. Sin embargo, si es necesario conocer su respuesta en términos de ganancia. El decibelio es la décima parte del belio, que en inglés se escribe Bell. Se adoptó este término, como unidad, en honor a Alexander Graham Bell.

30 Ejemplo práctico: [Ensayo] Imaginemos que disponemos de un amplificador conectado a un altavoz entregando 1 W de potencia. P 1 = 1W P 2 = 1,26W Pasado el momento inicial subimos la ganancia del amplificador a 1,26W, instante en el que se percibe el doble de volumen. Si ahora conectamos nuestro altavoz a otro amplificador que entrega 10W, oiremos música a un cierto volumen. Igual que antes subiremos la potencia hasta que se escuche el doble de volumen, lo que se consigue cuando llegamos a 12,6W. En el primer caso el aumento fue de 0,26W y en el segundo de 2,6W. Sin embargo el incremento de volumen conseguido en ambos casos fue el doble. Es decir, el aumento de potencia no es el mismo en valores absolutos pero si en valores relativos. El aumento es del 26% en ambos casos.

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