Parámetros que definen el ruido

 

 

 

 

 

 


Parámetros ondulatorios

     Periodo (T): es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la onda sonora. Su unidad es el segundo.

 

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     Frecuencia (f): es el número de ciclos que se realizan por segundo. Por tanto es la inversa del periodo. Se mide en Hz.

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Nota musical

f (Hz)

l (m)

DO de un tubo de órgano de 9,60 m (mínima frecuencia audible)

16

21,5

LA (contraoctava, última nota del piano)

27

12,7

DO (contraoctava)

32

10,7

DO (gran octava)

64

5,4

DO (pequeña octava)

128

2,7

DO (octava central)

256

1,35

DO (primera octava)

512

0,67

FA (tercera octava: máximo para la sensibilidad auditiva)

2.734

0,125

DO (cuarta octava, límite derecho del piano)

4.096

0,85

Máxima frecuencia audible

20.000

0,017

Tabla. Frecuencia de algunas notas y longitudes de onda correspondientes, en el aire a 20º C (c = 344 m/s)

     Velocidad del sonido (c): es la velocidad a la que se propaga la onda acústica en un medio elástico, y sólo dependerá de las características de éste. Se representa por c y se mide en m/s.

 

     A continuación se muestran dos tablas con algunos ejemplos de velocidades de propagación de la onda acústica, en diferentes medios y a unas condiciones determinadas:

  

Sólidos y líquidos en condiciones normales de P y

sustancia

densidad (Kg/m3)

velocidad "c" (m/s)

Aluminio

2700

5104

Cobre

8900

3560

Hierro

7800

5000

Plomo

11400

1227

Mármol

2700

3810

Agua

998

1473

Agua de mar

1020

1460

Alcohol etílico

790

1220

Gasolina

700

1166


Gas en condiciones normales de P y

sustancia

densidad (Kg/m3)

velocidad "c" (m/s)

Hidrógeno

90

1262

Vapor de agua

808

401

Aire

1293

344

Oxígeno

1430

317,2

Anhídrido carbónico

1970

258

Cloro

3220

206,4

 

 

     Longitud de onda (l): es la distancia entre puntos análogos en dos ondas sucesivas. Se mide en metros.

     La longitud de onda está relacionada con la velocidad del sonido, frecuencia y periodo, por la expresión:

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     Para sonidos propagándose en aire, dentro del rango de frecuencias audibles, los límites de la longitud de onda son de 17m para 20 Hz y 17 mm para 20000 Hz.

 

 

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Cualidades del sonido

 

     Intensidad: está relacionada con la amplitud de onda.

     La intensidad es proporcional al cuadrado de dicha amplitud y podemos clasificar así los sonidos en fuertes y débiles.

 

     Tono: está relacionado con la frecuencia.

     Es una cualidad mediante la cual distinguimos los sonidos  graves de los agudos, de forma que:

 

     La sensación sonora aguda procede de sonidos producidos por focos sonoros que vibran a frecuencias elevadas.

     La sensación sonora grave procede de sonidos producidos por focos sonoros que vibran a frecuencias bajas.

 

     Timbre: está relacionado con los armónicos incluidos en la onda sonora.

Cualidad mediante la cual podemos distinguir dos sonidos de igual intensidad e idéntico tono que han sido emitidos por focos sonoros diferentes.

 

     Físicamente el timbre de un sonido se relaciona con el hecho de que casi nunca un sonido es puro, es decir, nunca un sonido corresponde a una onda sonora pura dada por  y= A · Sen w t = A · Sen 2p f · t,  sino que, y dependiendo del tono, suele haber una frecuencia fundamental a la que pertenece la mayor parte de la energía de ese sonido, y otras frecuencias que también llevan asociadas unas cantidades de energía y responden a una ecuación similar:     y’= A · Sen 2p f’ · t

 

     Estas ondas se llaman armónicos y se superponen a la onda correspondiente a la frecuencia fundamental.

 

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Presión sonora RMS

 

     Cuando se propaga una onda sonora en un medio elástico como el aire, se crea una variación de presión sobre la presión ambiental existente. Esta variación de presión es extremadamente útil para caracterizar la onda sonora ya que podemos medirla fácilmente.

 

     Supongamos que tenemos un tono puro, es decir, un sonido cuyas variaciones de presión dependen de una sola frecuencia, que llamaremos f , cuya variación de presión es senoidal y viene dada por la expresión:

 

P(t) = P0 sen w t ; siendo w t = 2p f

 

     El valor instantáneo de la presión p(t) no sería adecuado para caracterizar la onda ya que varía contínuamente con el tiempo.

 

     Podríamos pensar en utilizar el valor medio dado por la expresión:

 

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     En nuestro caso:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image6.gif

 

     Es decir, el valor medio tampoco serviría para caracterizar la onda.

 

     El parámetro válido es el valor eficaz (RMS: root mean square en denominación inglesa), que se define como:

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     Para un tono puro (onda senoidal) el valor eficaz vale:

 

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image8.gif

 

     Por otra parte, se puede demostrar que la energía de la onda sonora es proporcional al cuadrado del valor eficaz de la presión. Por esta razón y dado que es una magnitud fácilmente medible, utilizaremos, de ahora en adelante, el valor eficaz de la presión acústica como el parámetro básico que cuantifique la onda sonora.

 

     Por comodidad, y mientras no se diga lo contrario, utilizaremos el término presión acústica o sonora, refiriéndonos a presión acústica eficaz.

Para que las variaciones de la presión acústica sean audibles, deben estar comprendidas en el rango entre   20·10-6 200 Pa, aunque ésto sólo es rigurosamente cierto para la frecuencia de 1.000 Hz.

 

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Intensidad del sonido

 

     Es conveniente aclarar la distinción entre la intensidad real o física de un sonido de la intensidad subjetiva que produce este sonido a un agente determinado.

 

     Físicamente, la intensidad se define como la cantidad de energía que atraviesa por segundo la unidad de superficie situada perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda sonora.

 

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image9.gif

 

     Siendo sus unidades el ergio/(s · cm2) en el sistema CGS y el W/m2 en el S.I.

Por tanto, la Intensidad será la Potencia partido por la Superficie.

 

     Si el foco emite en un medio isótropo (por igual en todas las direcciones), podemos conocer la potencia en todos los puntos de la superficie de una esfera de radio r, si conocemos la intensidad del foco emisor:  Potencia = I · 4p r2

 

     Una onda sonora puede caracterizarse por:

 

- El desplazamiento que produce a las partículas del medio.

- La velocidad de una partícula (u)

- La presión de dicha onda (p)

     En función de la velocidad y la presión, la intensidad puede expresarse como:

 

I = u x p x cos j    (siendo j el ángulo de fase entre u y p)

     En un campo libre:       I = u x p x cos j

 

     A su vez:

 http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image21.gif

 

Donde: r = densidad del medio (Kg/m3)

              c = velocidad del sonido en el medio (m/s)

     Sustituyendo u, nos quedaría:

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     Si f = 90 , cosf = 0 , por tanto,  I=0

 

     Esto quiere decir que en una dirección perpendicular a la de propagación, la intensidad es nula.

 

r .c es la impedancia característica del medio.

 

En el aire, a 20ºC y 1 atm de presión amb.: r .c = 40,8 unidades  c.g.s.

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image23.gif(µw/cm2)

expresando p en µbar : (dinas/cm2)

 

          Nivel de Intensidad acústica:

 

          Símbolo: LI

          Unidad: decibelio dB (re 10-12w/m2)

 

          Se define mediante la siguiente expresión:

 

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image24.gif

 

Donde I es la intensidad acústica considerada, en W/m2

I0 es la intensidad acústica de referencia, que se establece en 10-12 W/m2

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Potencia Sonora

 

     Se define como la Energía emitida en la unidad de tiempo por una fuente sonora determinada.

 

     Partiendo de la definición de Intensidad sonora:

 

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para una esfera: S = 4p R2

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image11.gifhttp://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image12.gif

como:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image13.gif

entonces:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image14.gif

UnidadesW (µw)

r . c = 40,8 unidades (en el aire)

p (µbar)

R (cm)

Ejemplos

 

 

Potencia

Nivel de presión (dB)

 Avión reactor

10 kilowatios

160

 Martillo neumático

1 watio

120

 Automóvil a 72 Km/h

0,1 watio

110

 Piano

20 miliwatios

103

 Conversación normal

20 µwatios

73

 Reloj eléctrico

0,02 µwatios

43

 Susurro

0,00 µwatios

30

 

- Potencia sonora de referencia: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image18.gif

- Potencia sonora considerada: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image19.gif

- Nivel de potencia sonora: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image20.gif

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Nivel de presión sonora. Decibelios

 

     El oído humano es capaz de detectar variaciones de presión acústica comprendidas entre 20× 10-6 Pa (20 m Pa) y 200 Pa (200.000.000 m Pa) aproximadamente.

 

     Si la cuantificación de la presión acústica la hiciésemos en Pa, deberíamos utilizar una escala de 200.000.000 de unidades, con la poca operatividad que esto supone.

 

     Con el fin de soslayar este problema, se utiliza una escala logarítmica introduciendo el concepto de Nivel de presión acústica en dB dado por la expresión:

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Siendo:

 

Lp = Nivel de presión acústica en dB.

Prms = Valor eficaz de la presión acústica en Pa.

Po = Presión de referencia = 20 m Pa.

     El rango de presión audible expresado en dB, será:

 

Límite umbral = 20 mPa.

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image16.gif

Límite de dolor = 200 mPa.

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     Mediante la utilización de la escala en dB, hemos convertido una escala de 200.000.000 de unidades en otra de 140 unidades.

 

Presión acústica (µPa)

Nivel de presión (dB)

200.000.000

140

20.000.000

120

2.000.000

100

200.000

80

20.000

60

2.000

40

200

20

20

0

 

     Suma de niveles de presión acústica en dB:

 

     Debido a que la escala en dB es una escala logarítmica, no es posible sumar aritméticamente dos o más niveles de ruido expresados en dB.

 

     Por ejemplo: dos máquinas que producen cada una, en un determinado punto, 85 dB, no producirán 170 dB cuando trabajen juntas, sino 88 dB.

 

     Pueden utilizarse los siguientes procedimientos de suma en dB:

 

    Analíticamente:

    Supongamos que tenemos dos fuentes de ruido que en un determinado punto producen Lp1 y Lp2 Db cada una.

 

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image25.gif             http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image26.gif

 http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image3.gif                                http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image4.gif

     Para dos ruidos de distintas frecuencias, se cumple que el cuadrado de la presión eficaz total es:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image29.gif

 

     Por lo tanto:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image30.gif

 

     El nivel de presión acústica será:

 

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image31.gif              http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image5.gif

 

     Si suponemos que tenemos n fuentes de ruido que en un punto producen L1, L2,...; Ln, la suma en dB es:

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     Gráficamente:

 

     Es un método práctico aproximado muy útil puesto que no es preciso realizar cálculos logarítmicos.

 

     El método es el siguiente:

 

1.      Ordenar de mayor a menor los niveles de ruido a sumar.

2.      Restar el primero del segundo y la diferencia obtenida, llevarla al eje de abcisas del gráfico. En ordenadas se obtendrá el número de dB que se han de sumar al ruido de mayor nivel.

3.      Al nivel resultante de la suma anterior, se le resta el tercer valor y se opera de igual modo.

4.      Repetir el proceso hasta terminar con todos los niveles dados.

grafica 1.gif (32527 bytes)

         En la figura siguiente se indica un ejemplo de suma por este método, de 6 niveles de ruido cuyo valor suma final es de 98 dB.

 

suma de ruido.gif (8350 bytes)

 

         Si dichos valores se hubiesen calculado por la fórmula exacta, hubiésemos llegado a 97,5 dB, es decir, la única diferencia es la producida por el redondeo.

 

     Es importante notar que cuando la diferencia entre los niveles en dB de dos ruidos es de 15 dB o superior, la cantidad a sumar al ruido mayor es tan pequeña (<0.4 dB) que en la mayoría de los casos puede despreciarse, por lo que la suma de dos ruidos que difieren en 15 o más dB, en la práctica, es igual al ruido mayor.

 

suma en db-1.gif (3556 bytes)

 

     Resta de dB y ruido de fondo:

 

     Definamos previamente los conceptos de ruido ambiente y ruido de fondo.

 

     Ruido Ambiente:  es el ruido total en un medio ambiente dado.

 

     Ruido de fondo:  es el nivel de ruido ambiente sobre el que se deben presentar las señales o medir las fuentes de ruido.

     En algunos casos es necesario restar niveles de ruido.

 

     El caso más típico es cuando nosotros queremos medir el ruido de una máquina en particular en presencia de ruido de fondo. Entonces es importante saber si el ruido medido es debido al ruido de fondo, al ruido de la máquina o a una combinación de ambos. El procedimiento cuando queremos realizar este test es el siguiente:

 

1.      Medir el ruido total existente, el de la máquina más el ruido de fondo, LS+N

2.      Detener la máquina y medir el ruido de fondo, LN

3.      Calcular la diferencia DL=LS+N–LN   y utilizar una curva similar a la utilizada para la suma de dB

     La resta de dB se puede hacer como la suma, por dos métodos; por cálculo y por un gráfico. Por cálculo es exactamente igual que la suma pero con los signos cambiados.

     Para el método gráfico tendremos en cuenta que si DL es menor que 3 dB, el ruido de fondo es demasiado elevado para una medida precisa y el nivel de ruido correcto no puede hallarse mientras el ruido de fondo no se haya reducido. De otro modo, si la diferencia es superior a 10 dB, el ruido de fondo puede ser ignorado. Si la diferencia está entre 3 dB y 10 dB, el nivel de ruido correcto puede hallarse, entrando el valor de DL en el eje horizontal y leer el valor de corrección, en el eje vertical. El nivel correcto producido por la máquina, se hallará restando este nivel del valor LS+N

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Nivel de ruido continuo equivalente

 

     La gran mayoría de los ruidos existentes en el lugar de trabajo tienen niveles de presión acústica variables en el tiempo.

 

     Supongamos que tuviésemos que evaluar un ruido cuyo gráfico de variación del nivel con el tiempo está indicado en la siguiente figura:

 

nivel de ruido cont eq.gif (5703 bytes)

 

         ¿Qué valor deberíamos escoger para caracterizar el ruido?, ¿el valor medio?, ¿el valor mínimo?, ¿deberíamos hacer una distribución estadística especificando los porcentajes?

 

     Lo ideal sería poder asignar al ruido variable un solo número que reflejará el nivel de un ruido constante que tuviese la misma energía que el ruido variable en el periodo de tiempo estudiado.

 

     Esto es precisamente lo que hace el nivel de ruido continuo equivalente, definido por la expresión:

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Siendo:

Leq,T = Nivel de ruido continuo equivalente en dB.

T = t2 × t1 = Tiempo de exposición.

P(t) = Presión acústica instantánea en Pa.

     Si conocemos los niveles de presión sonora de "n" medidas discretas, tomadas con igual periodo de muestreo, el Nivel de presión sonora continuo equivalente total viene dado por la expresión:

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     Si el periodo de muestreo no es igual para todas las muestras, la expresión del nivel de presión acústica continuo equivalente es:

 

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     Es importante destacar lo siguiente:

 

- El nivel de presión acústica continuo equivalente contiene dos conceptos: un nivel en dB y un tiempo de exposición.

- La gran importancia del nivel de presión acústica continuo equivalente reside en que es el principal parámetro utilizado en la Legislación Española y Comunitaria para la protección de los trabajadores contra el ruido (R.D. 1316/1989 y 86/188/CEE).

- El nivel de presión acústica continuo equivalente de un ruido constante, es igual al valor constante.

 

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          Nivel de pico

 

          Se define como el nivel en dB dado por la expresión:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image76.gif

donde:

Lmax = Nivel de pico en dB.

Pmax = valor máximo de la presión acústica instantánea en Pa.

     El nivel de pico debe medirse sin ponderación en frecuencia y la constante de tiempo del sonómetro usado no ha de ser superior a los 100 microsegundos.

 

     Nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado "A"

 

     Es el nivel de presión acústica continuo equivalente cuando la presión acústica se mide a través de un filtro con ponderación "A".

 

     Viene dado por la expresión:

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/1/paginas%20proyecto%20def/(1)%20prop%20fis%20del%20ruido/Image72.gif

Siendo:

LAeq,T = Nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado A en dB.

T = t2× t1 = Tiempo de exposición.

pA(t) = Presión sonora instantánea ponderada "A" en Pa

p0 = Presión de referencia = 20× 10-6

      Nivel Diario equivalente:

 

     Es el nivel de ruido continuo equivalente ponderado "A", cuando el tiempo de exposición se normaliza a una jornada de trabajo de 8 horas.

Si conocemos el nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado A de un ruido durante un tiempo T, el nivel diario equivalente será:

 

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Siendo:

LAeq,d = nivel diario equivalente (Tiempo de exposición = 8h) en dB.

T = tiempo de exposición al ruido en h/día.

     El nivel diario equivalente es, sin duda, el parámetro más importante en la Legislación Española sobre la protección de los trabajadores contra el ruido (R.D. 1316/1989) así como en la Comunitaria(86/188/CEE), ya que ambas legislaciones limitan la exposición de ruido a un nivel diario equivalente de 90 dBA con dos niveles de acción 80 y 85 dBA (RD 1316/1989) y 85 dBA (86/188/CEE).

 

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Otros conceptos sobre el sonido

 

     Vamos a comentar otros conceptos que serán también de aplicación en el estudio, medida y valoración del ruido industrial.

 

- Campo acústico libre: es un lugar donde el sonido se propaga líbremente sin ningún tipo de reflexión, como por ejemplo una cámara anecóica.

- Reverberación: cuando existen superficies reflectantes de sonido, puede ocurrir que éste permanezca aún cuando la fuente sonora haya dejado de emitir. Este sonido remanente se llama reverberación.

- Campo difuso: cuando el sonido se propaga en un campo no libre de forma que las ondas sonoras se propagan en todas direcciones y que la presión sonora es igual en todos los puntos de ese recinto, se dice que el campo acústico es perfectamente difuso.

- Factor de directividad: es la medida del grado en que la energía sonora se concentra en una determinada dirección del espacio. Se define como la relación existente entre la presión sonora cuadrática media existente a una distancia dada y en una dirección determinada, y la presión sonora cuadrática media en el mismo punto pero considerando la onda esférica.

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     Si la fuente sonora está suspendida en el espacio abierto, sin reflexiones, radiará su energía en todas las direcciones. Así, su directividad esférica es total y Q=1.

 

     Si está en el suelo, todo el ruido se radiará a través de una semiesfera (sin considerar la energía absorbida por el suelo), con lo que la densidad de energía acústica será del doble, y Q=2.

 

     Igualmente, si la fuente sonora está contra una pared, Q=4, y si está en una esquina será Q=8.

 

     Esto se aprecia en la siguiente figura:

radiaciones.gif (7852 bytes)

- Impedancia acústica: cada medio (sólido, líquido o gaseoso) ofrece una resistencia más o menos grande para la propagación del sonido. Se dice que el medio posee una impedancia acústica. Se define como el cociente entre la presión acústica (P) y la velocidad del sonido (v)Z = P/v

 

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