29-11-2012 3. LA AUDICIÓN HUMANA 3.1. La frecuencia Una variación de presión en el aire (o en cualquier otro medio) no es un sonido hasta que en el oído se generan los impulsos nerviosos que llegan al cerebro humano y éste los interpreta como tal. Pero no todas las variaciones de presión que llegan al tímpano pueden ser transformadas en impulsos nerviosos. En efecto, las ondas sonoras cuya frecuencia sea menor de 20 Hz no producen ninguna sensación auditiva, o sea, no son audibles. Esto es debido al tamaño y elasticidad del tímpano y de las cavidades y fluidos internos que hacen que el sistema del oído no entre en vibración cuando recibe estas ondas, que son llamadas infrasonidos. Del mismo modo, las frecuencias superiores a los 20000 Hz tampoco provocan ninguna sensación sonora llamándose, en este caso, ultrasonidos. En resumen, el margen de frecuencias que el oído es capaz de interpretar como sonido es el comprendido entre los 20 y los 20000 Hz. Realmente, este margen de frecuencias sólo puede ser oído por personas jóvenes y sanas ya que, con la edad, el tímpano va disminuyendo sus características elásticas y se reduce considerablemente el margen audible. A la izquierda vemos las frecuencias de los distintos sonidos del piano. 3.2. Sonoridad y amplitud Cuanto mayor sea el desplazamiento de las vibraciones del sistema y mayor la superficie vibrante en contacto con el aire mayor será la presión ejercida sobre éste y mayor también la presión que ejerce el aire cercano sobre nuestro tímpano. Esto se traduce en mayor sonoridad. 13
En términos físicos la presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie. La fuerza la medimos en Newtons (Nw) y la presión en Pascales (Pa), luego un Pascal es una fuerza de un Newton aplicada sobre un metro cuadrado. Las presiones sonoras que pueden empezar a impresionar el oído humano son del orden de 0.00002 Pa. Una presión tan pequeña sobre el tímpano es capaz de generar una vivencia acústica en el cerebro. La mayor de las presiones que es capaz de soportar el oído humano es 1.000.000 veces mayor o más, del orden de 20 Pa, incluso 200 Pa. a frecuencias muy bajas. Supongamos ahora un sonido cuya amplitud sea de, por ejemplo, 0.1 Pascales, y que en un momento dado pasa a tener el doble de amplitud, esto es, 0.2 Pa. Parece lógico pensar que la sensación sonora será ahora también del doble, es decir, sonará el doble de fuerte. Pero esto no es así; únicamente se notara un ligero incremento de sonoridad. Si ahora se vuelve a doblar la presión pasando a 0.4 Pa, el aumento de sonoridad no será cuatro veces mayor que en el primer caso, sino aproximadamente igual que cuando pasábamos de 0.1 a 0.2. De aquí podemos deducir que el comportamiento del oído en cuanto a percepción de niveles de presión es logarítmico. Por esta razón la unidad que se toma para la medida del Nivel de Presión Sonoro (NPS) no es el Pascal sino una nueva que se relaciona logarítmicamente (en base 10) con la anterior. Esta unidad es el decibelio (db). Se ha elegido el decibelio para que el nivel más bajo que el oído puede captar, lo que se conoce como umbral de audición, corresponda con 0 db. Por otro lado, el nivel máximo a partir del cual se puede llegar a provocar una lesión permanente en el oído se conoce como umbral de dolor, y corresponde a un nivel de 120 db (unos 20 Pa). La siguiente tabla puede ayudar a hacernos una idea de los niveles en db de algunas fuentes sonoras: Fenómeno Presión sonora Pa db Umbral de audición 0.00002 0 Susurro de hojas 0.000063 10 Conversación muy baja 0.0002 20 Conversación baja 0.00063 30 Conversación normal 0.0063 50 Conversación animada 0.02 60 Tráfico pesado 0.2 80 Taller de chapeado 2 100 Avión despegando 6.3 110 Umbral de dolor 20 120 Máxima presión 200 140 14
Se sabe que los peores golpes para el oído son los instantáneos y de alta frecuencia como martillazos sobre metal que, aunque no sean muy fuertes, a largo plazo pueden dañar muy seriamente el oído. Los músicos de las orquestas están sometidos a picos de presión sonora de 140 y 150 db y no acaban con daños apreciables ni roturas. Tal vez la respuesta sea que al oído del músico llegan pocas frecuencias, sonidos y armonías y no ruidos con un espectro muy amplio de frecuencias. No es lo mismo estar sometido a un ruido de 120 db que a una orquesta limpia de 120 db. 3.3. Percepción de la presión sonora 3.3.1. Respecto de la frecuencia Vamos a ver como varia la sensación de sonoridad con la frecuencia. No es lo mismo escuchar un sonido de 2000 hz y 50 db que otro de 80 hz y 50 db, la presión sonora sobre el tímpano es la misma pero nuestro oído es más sensible a frecuencias altas que a bajas y los 50 db a 2000 Hz nos parecerán más sonoros que los 50 db a 80 Hz. El oído humano tiene su máximo de sensibilidad entre 3000 y 4000 Hz. Los estudios se han realizado con tonos puros y mediante estadísticas se llegó a la siguiente tabla donde aparecen las líneas que nos dan la misma sensación de sonoridad. Son las que llamamos líneas isófonas que mediremos en FONes. 15
En 1000 Hz. coinciden dbs y FONes. La más baja de las líneas en el gráfico expresa el verdadero umbral de audición para las diferentes frecuencias. A 1000 Hz. El umbral es 0 db pero según disminuye la frecuencia hay que aumentar el nivel de presión sonora para llegar a percibir ese sonido. A frecuencias cercanas a los 3000-4000 Hz., el umbral de audición es incluso menor de 0 db, esto quiere decir que escuchamos sonidos de menos de 0.00002 Pa. A 30 Hz. debemos aumentar hasta algo más de 60 db la presión sonora para percibir sonido alguno. La curva de 50 FON, por ejemplo, nos dice que tanto a 100 Hz como a 3000 Hz esos decibelios que marca la tabla nos darán la misma sensación de sonoridad. Podemos ver como el umbral de dolor a 3000 Hz puede ser de 110 db mientras que a 20 Hz podemos soportar hasta 150 y 160 db. A esa misma frecuencia de 20 Hz y a 60 db nuestro oído y cerebro no serán capaces de percibir sensación sonora alguna. 3.3.2. Respecto del aumento de presión Tenemos que tener en cuenta también que un incremento de 10 a 20 db es diferente a uno de 90 a 100 db. A volúmenes altos un cambio de 10 db supone mucho más cambio de sonoridad que los 10 db a muy bajo volumen sonoro. Hemos de recordar que el db está en relación logarítmica con el aumento de presión en Pa, con lo cual sumar 10 db significa multiplicar por 10 el nivel sonoro anterior. 3.4. Respuesta temporal del oído Para finalizar este rápido repaso a las características de la audición humana sólo nos queda hablar de la memoria temporal del oído. Cuando un impulso sonoro llega a nuestro oído el tímpano y todos los huesecillos situados en el oído interno entran en vibración y se mantienen así mientras dure el sonido. Sin embargo, puesto que se trata de elementos elásticos, una vez que el sonido haya desaparecido seguirán vibrando un cierto tiempo, lo que provocará que el cerebro interprete que el impulso que ha provocado la vibración dura algunos milisegundos más. Por decirlo de alguna manera podríamos afirmar que el oído memoriza durante un breve espacio de tiempo el sonido que acaba de desaparecer. El tiempo de retención del sonido en el oído, o memoria temporal, depende de cada persona pero, generalizando, puede decirse que se encuentra en torno a los 50ms. Por tanto, dos impulsos sonoros cuya separación sea mayor que este tiempo podrán ser reconocidos separadamente; sin embargo, si la separación es menor de 50 ms el oído los confundirá como uno solo. 16
Cuando escuchamos el efecto de eco ocurre que el tiempo que tarda el sonido en recorrer la distancia desde nosotros a una pared y volver es mayor de esos 50ms. En cambio, en una sala cerrada donde el sonido se refleja en paredes, techo, suelo y objetos, y llega de nuevo a nosotros como multitud de reflexiones separadas unas de otras en el tiempo unos pocos milisegundos, nuestro oído no será capaz de diferenciar una reflexión de otra y entenderá el proceso como un solo sonido prolongación del sonido original. Este fenómeno es conocido como reverberación, y es decisivo a la hora de determinar la calidad acústica de un recinto. 17