Fundamentos del sonido: medición de la potencia en dB

El sonido se define como cualquier variación de presión que pueda ser percibida por el oído humano. En términos de nivel de presión sonora, los sonidos audibles oscilan entre el umbral de audición (0 dB) y el umbral del dolor (más de 130 dB). El dB (decibelio) es la unidad de medida estándar en acústica, aunque su comprensión puede resultar confusa. La unidad de medida, el Bel, fue establecida originalmente en 1928 por The Bell System Company en EE.UU. para describir los niveles sonoros. El principio más importante de la escala Bel es que, por definición, es la relación de potencias. Originalmente se refería a potencias de nivel sonoro, pero desde entonces se ha generalizado a todo tipo de potencias.

La potencia sonora, SPL, tiene un rango enorme. Empieza en el umbral de audición (TOH), que equivale a un nivel sonoro de unos ^{10-12 W/m2}. Dicho de otro modo, el TOH es un nivel de potencia de 1 billonésima parte de un vatio por metro cuadrado, 1/1.000.000.000.000 ^W/m2, normalmente denominado picovatio. La aparición del dolor se produce a unos ¹⁰ W/m2, y el nivel de potencia necesario para romper un tímpano es de 1^.000 W/m2. Algunos de los sonidos artificiales más fuertes registrados proceden del lanzamiento de cohetes; el Saturno V produjo unos 100 W/m² a una distancia de 1.500 m de la plataforma de lanzamiento. Si tenemos en cuenta que los niveles de presión sonora se duplican cada vez que la distancia se reduce a la mitad, a 750 m es de ^200W/m2, a 375 m es de ^400W/m2 y, si se comete la imprudencia de caminar hacia el cohete durante el lanzamiento, a unos 180 m el oído se resentirá.
lanzamiento, a unos 180 m te estallarían los tímpanos, suponiendo que los gases de escape no te hayan calcinado antes.

Hay 15 órdenes de magnitud (de 10 a la menos 12 a 10 a la potencia de tres) entre el umbral de audición y el nivel de ruptura. Cuando existe un rango dinámico tan grande, resulta más cómodo describir los valores en términos del logaritmo de la relación entre los niveles de potencia y un nivel de referencia.

Para el sonido, se utiliza el TOH como referencia. Un susurro es un nivel de potencia sonora de unas 100 veces el TOH. Se trata de un nivel sonoro de log (100/1) = 2 Bels. Una aspiradora es unas 10 millones de veces el TOH, su sonoridad es log (^107/1) = 7 Bels. En la escala Bel, la sonoridad del lanzamiento de un transbordador espacial es de sólo 14 Bels, lo que no da mucha idea de la intensidad del ruido a una milla del lugar de lanzamiento. De hecho, su intensidad es¹⁰¹⁴ o 100 billones de veces superior a la del TOH. Es un poco como no darse cuenta de que un año-luz (la distancia que recorre la luz en un año) representa una distancia de unos 10 billones (10.000.000.000.000) de km.

Para dar más significado a la escala, en lugar de referirnos al Bel directamente, por convención, hemos ampliado la escala en 10x y utilizamos unidades de 1/10 de Bel, lo que se denomina un decibelio, o dB para abreviar. Un dB es siempre, sin excepción, por definición, 10x el logaritmo de la relación de las potencias: en unidades de dB = 10 x log(P1/P0). En la escala de dB, la sonoridad va desde 0 dB como el TOH hasta 140 dB para el lanzamiento del transbordador espacial.Como puede verse en las tablas siguientes, un aumento de 3 dB representa una duplicación de la presión sonora, pero en la práctica se requiere un aumento de unos 10 dB para que el sonido parezca subjetivamente el doble de fuerte. El cambio más pequeño que podemos oír es de unos 3 dB. La intensidad subjetiva o percibida de un sonido viene determinada por varios factores complejos, el principal de los cuales es que el oído humano no es igual de sensible a todas las frecuencias. Es más sensible a sonidos entre 2 kHz y 5 kHz, y menos sensible a frecuencias más altas y más bajas. Esta diferencia de sensibilidad a las distintas frecuencias es más pronunciada a niveles de presión sonora más bajos que a niveles de presión sonora más altos. Por ejemplo, un tono de 50 Hz debe ser 15 dB más alto que un tono de 1 kHz a un nivel de 70 dB para proporcionar la misma sonoridad subjetiva.

Para normalizar la dependencia frecuencial de la audición humana, se han desarrollado diversas ponderaciones. La red de ponderación "A" pondera una señal de forma que se aproxime a un contorno de igual sonoridad invertido a niveles de presión sonora bajos, la red "B" corresponde a un contorno a niveles de presión sonora medios y la red "C" a un contorno de igual sonoridad a niveles de presión sonora altos. Actualmente, la red de ponderación "A" es la más utilizada, ya que las ponderaciones "B" y "C" no se correlacionan bien con las pruebas subjetivas. Una de las razones de esta falta de correlación es que los contornos de igual sonoridad se basaron en experimentos con tonos puros, mientras que la mayoría de los sonidos comunes son señales muy complejas.

Un valor de potencia de salida de -3 dB significa que la relación entre la potencia de salida y la de entrada es de ^10-3/10= 0,5. Esto es lo que la mayoría de nosotros entendemos: -3 dB menos es una caída del 50% en la potencia. La principal dificultad para relacionarse con una escala de dB es visualizar que las grandes diferencias de potencia están representadas por aumentos relativamente pequeños del nivel de dB. Por ejemplo, pasar de un nivel de 100 dB a 110 db equivale a un aumento del SPL de diez mil millones de veces el TOH a cien mil millones de veces el TOH; un aumento de 10 dB no transmite la magnitud del cambio.

Relacionar los niveles de presión sonora con los objetos cotidianos

Salidas del producto de aviso acústico E2S
Para facilitar la comparación entre diferentes productos, la salida de todas las sirenas E2S se especifica como x dB(A) a 1m. La unidad db(A) se refiere a la ponderación dependiente de la frecuencia que se da a una señal de manera que se aproxima a un contorno de sonoridad igual invertido a niveles bajos de presión sonora. La distancia de 1 metro es significativa porque la salida de una sirena disminuye 6 dB cada vez que se duplica la distancia a la que se encuentra.