La intensidad del sonido , también conocida como intensidad acústica , se define como la potencia transportada por las ondas sonoras por unidad de área en una dirección perpendicular a esa área. La unidad de intensidad del SI, que incluye la intensidad del sonido, es el vatio por metro cuadrado (W/m 2 ). Una aplicación es la medición del ruido, es decir, la intensidad del sonido en el aire en el lugar del oyente como cantidad de energía sonora. [1]
La intensidad del sonido no es la misma cantidad física que la presión del sonido . La audición humana es sensible a la presión del sonido que está relacionada con la intensidad del sonido. En la electrónica de audio de consumo, las diferencias de nivel se denominan diferencias de "intensidad", pero la intensidad del sonido es una cantidad específicamente definida y no puede detectarse con un simple micrófono.
El nivel de intensidad del sonido es una expresión logarítmica de la intensidad del sonido en relación con una intensidad de referencia.
La intensidad del sonido, denotada I , se define por donde
Tanto I como v son vectores , lo que significa que ambos tienen una dirección además de una magnitud. La dirección de la intensidad del sonido es la dirección promedio en la que fluye la energía.
La intensidad del sonido promedio durante el tiempo T viene dada por Para una onda plana [ cita necesaria ] , donde,
Para una onda de sonido esférica , la intensidad en la dirección radial en función de la distancia r desde el centro de la esfera viene dada por donde
Así, la intensidad del sonido disminuye como 1/ r 2 desde el centro de la esfera:
Esta relación es una ley del cuadrado inverso .
El nivel de intensidad sonora (SIL) o nivel de intensidad acústica es el nivel (una cantidad logarítmica ) de la intensidad de un sonido con respecto a un valor de referencia.
Se denota L I , se expresa en nepers , bels o decibelios , y se define mediante [2] donde
La intensidad del sonido de referencia comúnmente utilizada en el aire es [3]
siendo aproximadamente la intensidad de sonido más baja que puede escuchar un oído humano sano en condiciones ambientales. Las notaciones adecuadas para el nivel de intensidad del sonido usando esta referencia son L I /(1 pW/m 2 ) o L I (re 1 pW/m 2 ) , pero las notaciones dB SIL , dB(SIL) , dBSIL o dB SIL son muy comunes, incluso si no son aceptados por la SI. [4]
La intensidad sonora de referencia I 0 se define de manera que una onda plana progresiva tenga el mismo valor de nivel de intensidad sonora (SIL) y nivel de presión sonora (SPL), ya que
La igualdad de SIL y SPL requiere que donde p 0 = 20 μPa sea la presión sonora de referencia.
Para una onda esférica progresiva , donde z 0 es la impedancia acústica específica característica . De este modo,
En aire a temperatura ambiente, z 0 = 410 Pa·s/m , de ahí el valor de referencia I 0 = 1 pW/m 2 . [5]
En una cámara anecoica que se aproxima a un campo libre (sin reflexión) con una sola fuente, las mediciones en el campo lejano en SPL se pueden considerar iguales a las mediciones en SIL. Este hecho se aprovecha para medir la potencia sonora en condiciones anecoicas.
La intensidad del sonido se define como el producto promediado en el tiempo de la presión del sonido y la velocidad de las partículas acústicas. [6] Ambas cantidades pueden medirse directamente usando una sonda de intensidad de sonido pu que comprende un micrófono y un sensor de velocidad de partículas , o estimarse indirectamente usando una sonda de pp que aproxima la velocidad de las partículas integrando el gradiente de presión entre dos micrófonos estrechamente espaciados. [7]
Los métodos de medición basados en la presión se utilizan ampliamente en condiciones anecoicas con fines de cuantificación del ruido. El error de sesgo introducido por una sonda pp se puede aproximar mediante [8] donde es la intensidad "verdadera" (no afectada por errores de calibración), es la estimación sesgada obtenida usando una sonda pp , es el valor cuadrático medio del sonido la presión, es el número de onda, es la densidad del aire, es la velocidad del sonido y es el espacio entre los dos micrófonos. Esta expresión muestra que los errores de calibración de fase son inversamente proporcionales a la frecuencia y al espaciado de los micrófonos y directamente proporcionales a la relación entre la presión sonora media cuadrática y la intensidad del sonido. Si la relación presión-intensidad es grande, incluso un pequeño desajuste de fase conducirá a errores de sesgo significativos. En la práctica, las mediciones de intensidad sonora no se pueden realizar con precisión cuando el índice presión-intensidad es alto, lo que limita el uso de sondas de intensidad de pp en ambientes con altos niveles de ruido de fondo o reflejos.
Por otro lado, el error de sesgo introducido por una sonda de pu se puede aproximar mediante [8] donde es la estimación sesgada obtenida usando una sonda de pu , y son la transformada de Fourier de la presión del sonido y la velocidad de las partículas, es la intensidad reactiva y es la desajuste de fase pu introducido por errores de calibración. Por lo tanto, la calibración de fase es crítica cuando las mediciones se realizan en condiciones de campo cercano, pero no tan relevante si las mediciones se realizan en campo lejano. [8] La “reactividad” (la relación entre la intensidad reactiva y activa) indica si esta fuente de error es preocupante o no. En comparación con las sondas basadas en presión, las sondas de intensidad de pu no se ven afectadas por el índice de presión-intensidad, lo que permite estimar la propagación de la energía acústica en entornos de prueba desfavorables, siempre que la distancia a la fuente de sonido sea suficiente.