¿Qué son la presión sonora, la intensidad sonora y la potencia sonora?

El sonido está en todas partes en nuestra vida diaria: canto de los pájaros, ruido de la calle, rugido de motores, incluso el leve flujo de aire de un aire acondicionado. Para las personas, el sonido no solo tiene que ver con si podemos oírlo, sino con si resulta cómodo, molesto o supone un riesgo. Los mismos 70 dB pueden percibirse de forma completamente diferente; y cuando algo se siente "ruidoso", la causa puede deberse a la propia fuente, a la dirección de propagación o a las reflexiones del entorno.

Cuando convertimos esta "percepción" en datos de ingeniería cuantificables, los tres conceptos que más fácilmente se confunden son presión sonora, intensidad sonora y potencia sonora. Responden a:

• Presión sonora: qué tan fuerte es en un punto específico;
• Intensidad sonora: cuánta energía acústica se propaga en una dirección determinada;
• Potencia sonora: qué tan ruidosa es la fuente en términos de su emisión acústica total;

Este artículo explica la presión sonora, la intensidad sonora y la potencia sonora de forma intuitiva, para que puedas comprender mejor el sonido.

Ondas sonoras

En acústica de ingeniería, la presión sonora, la intensidad sonora y la potencia sonora son tres magnitudes físicas fundamentales e importantes. Antes de presentarlas en detalle, necesitamos el concepto de onda sonora.

Una fuente vibratoria pone en vibración a las partículas de aire circundantes. Las partículas se alejan de su posición de equilibrio, mueven a las partículas adyacentes, y esas partículas adyacentes generan una fuerza restauradora que empuja a las partículas de vuelta hacia el equilibrio. Esta propagación, desde cerca hasta lejos, del movimiento de las partículas a través del medio es lo que llamamos una onda sonora.

Presión sonora

Cuando no hay onda sonora en el espacio, la presión atmosférica es la presión estática p₀. Cuando hay una onda sonora presente, una fluctuación de presión se superpone a p₀, produciendo una fluctuación de presión p₁. Aquí p₁ es la presión sonora (unidad: Pa). Por lo tanto, la presión sonora es la desviación instantánea de la presión estática del aire causada por la onda sonora.

El cerebro humano no responde a la amplitud instantánea de la presión sonora, sino al valor eficaz (RMS) de una presión variable en el tiempo. Por lo tanto, la presión sonora p puede expresarse como:

En aplicaciones de ingeniería práctica, el nivel de presión sonora L_p:

donde P_ref = 2 × 10^-5 Pa es la presión sonora de referencia.

En la práctica, normalmente utilizamos el nivel de presión sonora (dB) para caracterizar la presión sonora, en lugar de usar la presión en pascales. ¿Por qué? La Figura 2 responde bien a esto. Desde una biblioteca hasta la entrada de una estación de tren de alta velocidad, la presión sonora puede aumentar en un factor de 100, mientras que el nivel de presión sonora aumenta solo 40 dB. Esto refleja la diferencia entre una escala lineal y una escala logarítmica. Desde la perspectiva de la ingeniería, usar directamente la presión sonora conduce a variaciones numéricas grandes que son poco prácticas para la evaluación. Además, el sistema auditivo humano se aproxima más a una respuesta logarítmica, por lo que el nivel de presión sonora se ajusta mejor a la audición.

Intensidad sonora

La intensidad sonora describe la transferencia de energía acústica. Es la potencia acústica que atraviesa una unidad de área por unidad de tiempo. Es una magnitud vectorial direccional, con unidades de W/m², definida como el promedio temporal del producto de la presión sonora y la velocidad de partícula:

donde v(t) denota el vector de velocidad de partícula. Bajo la aproximación ideal de onda progresiva plana, la presión sonora y la velocidad de partícula satisfacen aproximadamente:

donde ρ es la densidad del aire y c es la velocidad del sonido. Por lo tanto, la magnitud de la intensidad sonora a lo largo de la dirección de propagación puede escribirse como:

De forma análoga, la intensidad sonora tiene un nivel de intensidad correspondiente L_I:

donde I₀ = 10^-12 W/m² es la intensidad sonora de referencia.

En comparación con las mediciones de nivel de presión sonora, las mediciones de intensidad sonora tienen las siguientes características:

• Direccionalidad: puede distinguir si la energía acústica se propaga hacia afuera o fluye de regreso, por lo que en condiciones de campo típicas suele ser menos sensible a las reflexiones y al ruido de fondo;
• Localización de fuentes: el barrido de intensidad puede revelar directamente las principales regiones de radiación y los puntos de fuga, lo que hace que la corrección sea más específica;
• Mayor complejidad del sistema: normalmente requiere una sonda de intensidad, con un mayor coste global y más esfuerzo de configuración y calibración;

Una ventaja clave de la medición de la intensidad sonora en aplicaciones de ingeniería es que caracteriza tanto la dirección como la magnitud del flujo de energía acústica. Puede separar las contribuciones de la radiación hacia afuera de la fuente y del flujo de retorno reflejado desde el entorno, por lo que en condiciones de campo no ideales tiende a verse menos afectada por las reflexiones y el ruido de fondo. Además, el método de intensidad sonora puede obtener directamente la potencia sonora mediante la integración espacial del componente normal de la intensidad sobre una superficie envolvente. Combinado con el barrido de superficies, puede identificar las regiones de fuente dominantes y localizar puntos de fuga. Por lo tanto, es muy práctico e interpretable para el diagnóstico de ruido, la verificación de medidas de control de ruido y la evaluación de la potencia sonora.

El instrumento clave para las pruebas de intensidad sonora es la sonda de intensidad sonora. A diferencia de un solo micrófono, una sonda de intensidad no se utiliza solo para medir "cuán grande es la presión"; debe proporcionar las magnitudes básicas necesarias para calcular la intensidad (presión sonora y velocidad de partícula). Por lo tanto, la sonda suele proporcionar dos canales síncronos y, junto con un front-end de adquisición de datos de dos canales y algoritmos específicos, produce resultados de intensidad. En la práctica de ingeniería, la sonda suele incluir separadores intercambiables, dispositivos de posicionamiento y protectores contra el viento. La coincidencia de amplitud/fase entre canales, la capacidad de calibración de fase y la mitigación de la interferencia del flujo de aire determinan directamente la credibilidad y el rango de frecuencias utilizable de las mediciones de intensidad.

Se usan habitualmente dos tipos de sondas de intensidad sonora: sondas P-U (presión-velocidad de partícula) y sondas P-P (presión-presión). Una sonda P-U consta de un micrófono y un sensor de velocidad, que miden simultáneamente la presión sonora p(t) y la velocidad de partícula v(t). El principio es más directo, pero los sensores de velocidad de partícula suelen ser más sensibles al flujo de aire, la contaminación y las condiciones ambientales, por lo que requieren más protección y mantenimiento en campo y suelen ser más caros.

Una sonda P-P utiliza dos micrófonos apareados alineados en el mismo eje. Utiliza las dos señales de presión p₁(t) y p₂(t) para estimar el componente de velocidad de partícula v(t). Sin embargo, es sensible a la coincidencia de fase entre canales y a la elección del espaciado entre micrófonos: el espaciado determina el rango de frecuencia efectivo; un espaciado mayor beneficia a las bajas frecuencias, pero las altas frecuencias sufren errores de muestreo espacial; un espaciado menor beneficia a las altas frecuencias, pero las bajas frecuencias se vuelven más susceptibles al desajuste de fase y al ruido.

Las sondas P-U son relativamente de nicho, principalmente porque es difícil hacerlas a la vez estables y económicas, y en general tienen peor resistencia al flujo de aire. Las sondas P-P, gracias a su buena robustez en campo y a la posibilidad de ajustar de forma flexible el ancho de banda mediante el espaciado de los micrófonos, son actualmente la opción principal en aplicaciones de ingeniería.

Potencia sonora

La potencia sonora W es la tasa a la que una fuente irradia energía acústica, con unidades de vatios (W). Para cualquier superficie de medida cerrada S que encierre la fuente, la potencia sonora es igual a la integral del componente normal de la intensidad sonora sobre dicha superficie:

donde n es el vector normal unitario que apunta hacia afuera desde la superficie de medida.

El nivel de potencia sonora L_w se define como:

donde W₀ = 10^-12 W es la potencia sonora de referencia.

La potencia sonora caracteriza la capacidad inherente de emisión acústica de una fuente: la energía acústica total que irradia por unidad de tiempo. Tiene poco que ver con la distancia de medición o la posición del micrófono e, idealmente, no depende de cuán "fuerte" se perciba en un punto concreto de una sala. Esto es fundamentalmente diferente de la presión sonora y la intensidad sonora.

Para comprender mejor la presión sonora, la intensidad sonora y la potencia sonora, puedes imaginar el ruido como un flujo de agua. La presión sonora es como la "presión del agua" que sientes cuando pones la mano en una determinada posición (cambia con la distancia a la boquilla, la dirección y la forma del recipiente).

La intensidad sonora es como la "dirección y velocidad de flujo" instantáneas (tiene dirección e incluso puede reflejarse en las paredes, creando reflujo).

La potencia sonora es como "cuánta agua rocía la boquilla por segundo": es una propiedad de la propia boquilla. En la medición, se obtiene integrando el flujo normal hacia afuera sobre una superficie que rodea el dispositivo.

En proyectos reales, los algoritmos para presión sonora, intensidad sonora y potencia sonora son relativamente maduros. La parte más difícil es adquirir las señales con precisión y obtener resultados con rapidez. En particular, tareas como matrices de micrófonos multicanal, intensidad sonora y potencia sonora imponen tres requisitos estrictos al front-end de adquisición de datos: bajo ruido y amplio rango dinámico, sincronización y coherencia de fase rigurosas, y conexiones y alimentación estables en el lugar de prueba.

SonoDAQ + OpenTest está concebido para proporcionar una base de "adquisición en el front-end + análisis síncrono" para la acústica de ingeniería, permitiendo a los ingenieros centrarse más en el control de las condiciones de funcionamiento y la interpretación de los datos. Aporta el mayor valor en los siguientes tipos de proyectos:

• Diagnóstico de intensidad sonora: el muestreo síncrono de dos canales junto con una mejor gestión de la coherencia de amplitud/fase proporciona una base de datos más estable para sondas de intensidad P-P y barridos de intensidad.
• Sistemas de arreglos de micrófonos: mejor alineados con las necesidades de despliegue de ingeniería en cuanto a escalabilidad de canales, sincronización y cableado, lo que los hace adecuados para construir plataformas de prueba distribuidas y ampliables.
• Potencia sonora y ensayos normalizados: ayuda a los ingenieros a disponer rápidamente los puntos de medición, cubriendo múltiples normas internacionales de ensayo de potencia sonora. Con configuración guiada, pruebas con un solo clic y exportación automática de informes, ahorra una cantidad considerable de tiempo y esfuerzo a los ingenieros.

Para ver con más claridad cómo se conecta y configura SonoDAQ, los casos típicos de aplicación (como la evaluación del ruido de equipos, la localización de fuentes sonoras y las pruebas de potencia sonora) y las listas de materiales (BOM) más utilizadas, por favor, rellena el formulario que aparece a continuación y te recomendaremos la mejor solución para tus necesidades.