Un contorno de igual sonoridad es una medida del nivel de presión sonora , sobre el espectro de frecuencias , para el cual un oyente percibe una sonoridad constante cuando se le presentan tonos puros y constantes. [1] La unidad de medida para los niveles de sonoridad es el fon y se llega a ella por referencia a los contornos de igual sonoridad. Por definición, se dice que dos ondas sinusoidales de diferentes frecuencias tienen un nivel de igual sonoridad medido en fonios si son percibidas como igualmente fuertes por una persona joven promedio sin una discapacidad auditiva significativa.
Las curvas de Fletcher-Munson son uno de los muchos conjuntos de contornos de igual sonoridad para el oído humano, determinados experimentalmente por Harvey Fletcher y Wilden A. Munson, y publicados en un artículo de 1933 titulado "Loudness, its definition, measurement and calculate" (Loudness, su definición, medición y cálculo) en el Journal of the Acoustical Society of America . [2] Las curvas de Fletcher-Munson han sido reemplazadas e incorporadas en estándares más nuevos. Las curvas definitivas son las definidas en la norma ISO 226 de la Organización Internacional de Normalización , que se basan en una revisión de determinaciones modernas realizadas en varios países.
Los amplificadores suelen tener un botón de "volumen", conocido técnicamente como compensación de volumen , que potencia los componentes de frecuencias altas y bajas del sonido. Estos tienen como objetivo compensar la aparente caída de volumen en esas frecuencias, especialmente a niveles de volumen más bajos. Al potenciar estas frecuencias se produce un contorno de volumen igual más plano que parece más alto incluso a bajo volumen, lo que evita que el sonido percibido esté dominado por las frecuencias medias, donde el oído es más sensible.
La primera investigación sobre el tema de cómo el oído escucha diferentes frecuencias a diferentes niveles fue realizada por Fletcher y Munson en 1933. Hasta hace poco, era común ver el término Fletcher-Munson utilizado para referirse a contornos de igual volumen en general, aunque Robinson y Dadson llevaron a cabo una redeterminación en 1956, que se convirtió en la base de una norma ISO 226.
En la actualidad se prefiere el término genérico de contornos de igual sonoridad , del cual las curvas de Fletcher-Munson son ahora un subconjunto [3] , especialmente desde que una encuesta realizada en 2003 por ISO redefinió las curvas en una nueva norma. [4]
El sistema auditivo humano es sensible a frecuencias de entre 20 Hz y un máximo de unos 20.000 Hz, aunque el límite superior de audición disminuye con la edad. Dentro de este rango, el oído humano es más sensible entre 2 y 5 kHz , en gran medida debido a la resonancia del canal auditivo y a la función de transferencia de los huesecillos del oído medio.
Fletcher y Munson midieron por primera vez los contornos de igual volumen utilizando auriculares (1933). En su estudio, los sujetos de prueba escucharon tonos puros a varias frecuencias y con incrementos de más de 10 dB en la intensidad del estímulo. Para cada frecuencia e intensidad, el oyente también escuchó un tono de referencia a 1000 Hz. Fletcher y Munson ajustaron el tono de referencia hasta que el oyente percibió que tenía el mismo volumen que el tono de prueba. El volumen, al ser una cantidad psicológica, es difícil de medir, por lo que Fletcher y Munson promediaron sus resultados en muchos sujetos de prueba para derivar promedios razonables. El contorno de igual volumen más bajo representa el tono audible más bajo: el umbral absoluto de audición . El contorno más alto es el umbral del dolor .
Churcher y King realizaron una segunda determinación en 1937, pero sus resultados y los de Fletcher y Munson mostraron discrepancias considerables en partes del diagrama auditivo. [5]
En 1956, Robinson y Dadson elaboraron una nueva determinación experimental que, según ellos, era más precisa. Se convirtió en la base de una norma (ISO 226) que se consideró definitiva hasta 2003, cuando la ISO revisó la norma basándose en evaluaciones recientes realizadas por grupos de investigación de todo el mundo.
Las discrepancias percibidas entre las determinaciones anteriores y las más recientes llevaron a la Organización Internacional de Normalización (ISO) a revisar las curvas estándar de la norma ISO 226. Lo hicieron en respuesta a las recomendaciones de un estudio coordinado por el Instituto de Investigación de Comunicaciones Eléctricas de la Universidad de Tohoku, Japón. El estudio produjo nuevas curvas combinando los resultados de varios estudios realizados por investigadores de Japón, Alemania, Dinamarca, el Reino Unido y los EE. UU. (Japón fue el mayor contribuyente con aproximadamente el 40% de los datos).
Esto ha dado lugar a la reciente aceptación de un nuevo conjunto de curvas estandarizadas como ISO 226:2003. El informe comenta las diferencias sorprendentemente grandes y el hecho de que los contornos originales de Fletcher-Munson concuerdan mejor con los resultados recientes que los de Robinson-Dadson, que parecen diferir hasta en 10-15 dB, especialmente en la región de baja frecuencia, por razones que no se explican. [6]
Según el informe de la ISO, los resultados de Robinson-Dadson fueron los únicos que se diferenciaron del estándar actual más que las curvas de Fletcher-Munson. El informe afirma que es una suerte que la curva de Fletcher-Munson de 40 fonios en la que se basó el estándar de ponderación A haya resultado estar de acuerdo con las determinaciones modernas. [4]
El informe también comenta las grandes diferencias que se observan en la región de baja frecuencia y que siguen sin explicarse. Las posibles explicaciones son: [4]
Los sonidos reales de una fuente razonablemente distante llegan como frentes de onda planos. Si la fuente de sonido está directamente frente al oyente, entonces ambos oídos reciben la misma intensidad, pero a frecuencias superiores a 1 kHz, el sonido que entra en el canal auditivo se reduce parcialmente por la sombra de la cabeza y también depende en gran medida de la reflexión en el pabellón auricular (oído externo). Los sonidos descentrados dan como resultado un mayor enmascaramiento de la cabeza en un oído y cambios sutiles en el efecto del pabellón auricular, especialmente en el otro oído. Este efecto combinado de enmascaramiento de la cabeza y reflexión en el pabellón auricular se cuantifica en un conjunto de curvas en el espacio tridimensional denominadas funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF). La presentación frontal ahora se considera preferible al derivar contornos de igual volumen, y la última norma ISO se basa específicamente en la presentación frontal y central.
Dado que en la escucha normal con auriculares no interviene ninguna HRTF, las curvas de igual volumen derivadas mediante auriculares son válidas solo para el caso especial de lo que se denomina presentación lateral , que no es como escuchamos normalmente.
La determinación de Robinson-Dadson utilizó altavoces y durante mucho tiempo la diferencia con las curvas de Fletcher-Munson se explicó en parte sobre la base de que estas últimas utilizaban auriculares. Sin embargo, el informe de la ISO en realidad indica que estas últimas utilizan auriculares compensados , aunque no aclara cómo Robinson-Dadson logró la compensación .
Unos buenos auriculares, bien sellados al oído, proporcionan una respuesta de presión de baja frecuencia plana al canal auditivo, con baja distorsión incluso a altas intensidades. A bajas frecuencias, el oído es puramente sensible a la presión, y la cavidad formada entre los auriculares y el oído es demasiado pequeña para introducir resonancias modificadoras. La prueba de auriculares es, por lo tanto, una buena forma de derivar contornos de igual volumen por debajo de unos 500 Hz, aunque se han expresado reservas sobre la validez de las mediciones de los auriculares al determinar el umbral real de audición, basándose en la observación de que cerrar el canal auditivo produce una mayor sensibilidad al sonido del flujo sanguíneo dentro del oído, que el cerebro parece enmascarar en condiciones normales de escucha. [ cita requerida ] A altas frecuencias, la medición de los auriculares se vuelve poco fiable, y las diversas resonancias de las orejas (oídos externos) y los canales auditivos se ven gravemente afectadas por la proximidad a la cavidad de los auriculares.
Con los altavoces, ocurre lo contrario. Es difícil obtener una respuesta plana de baja frecuencia, excepto en espacios libres a gran altura sobre el suelo o en una cámara anecoica muy grande que esté libre de reflexiones hasta los 20 Hz. Hasta hace poco, [¿ cuándo? ] no era posible lograr niveles altos a frecuencias de hasta 20 Hz sin altos niveles de distorsión armónica . Incluso hoy, es probable que los mejores altavoces generen alrededor de un 1 a un 3% de distorsión armónica total, lo que corresponde a 30 a 40 dB por debajo de la fundamental. Esto no es suficiente, dado el pronunciado aumento de la sonoridad (que llega a alcanzar hasta 24 dB por octava) con la frecuencia revelada por las curvas de igual sonoridad por debajo de unos 100 Hz. Un buen experimentador debe asegurarse de que los sujetos de prueba realmente escuchen la fundamental y no los armónicos, especialmente el tercer armónico, que es especialmente fuerte a medida que el recorrido del cono de un altavoz se limita a medida que su suspensión alcanza el límite de flexibilidad. Una forma posible de solucionar el problema es utilizar un filtrado acústico, como por ejemplo una cavidad resonante, en la configuración de los altavoces. Por otra parte, es relativamente fácil conseguir una respuesta plana de alta frecuencia en campo libre de hasta 20 kHz con altavoces modernos en el eje. Estos efectos deben tenerse en cuenta al comparar los resultados de varios intentos de medir contornos de igual sonoridad.
Se dice que la curva de ponderación A , de uso generalizado para la medición del ruido , se basaba en la curva de Fletcher-Munson de 40 fonios. Sin embargo, las investigaciones de la década de 1960 demostraron que las determinaciones de igual volumen realizadas utilizando tonos puros no son directamente relevantes para nuestra percepción del ruido. [7] Esto se debe a que la cóclea en nuestro oído interno analiza los sonidos en términos de contenido espectral, y cada "célula pilosa" responde a una banda estrecha de frecuencias conocida como banda crítica . Las bandas de alta frecuencia son más anchas en términos absolutos que las bandas de baja frecuencia y, por lo tanto, "recogen" proporcionalmente más energía de una fuente de ruido. Sin embargo, cuando se estimula más de una banda crítica, las señales al cerebro suman las diversas bandas para producir las impresiones de volumen. Por estas razones, las curvas de igual volumen derivadas utilizando bandas de ruido muestran una inclinación hacia arriba por encima de 1 kHz y una inclinación hacia abajo por debajo de 1 kHz en comparación con las curvas derivadas utilizando tonos puros.
En la década de 1960 se desarrollaron diversas curvas de ponderación , en particular en el marco de la norma DIN 4550 para la medición de la calidad de audio , que se diferenciaban de la curva de ponderación A, ya que mostraban un pico en torno a los 6 kHz. Estas curvas proporcionaban una medida subjetiva más significativa del ruido en los equipos de audio, especialmente en los recién inventados grabadores de casete compactos con reducción de ruido Dolby , que se caracterizaban por un espectro de ruido dominado por las frecuencias más altas.
BBC Research realizó pruebas de escucha en un intento de encontrar la mejor combinación de curva de ponderación y rectificador para su uso en la medición del ruido en equipos de transmisión, examinando las diversas curvas de ponderación nuevas en el contexto del ruido en lugar de los tonos, y confirmó que eran mucho más válidas que la ponderación A al intentar medir la sonoridad subjetiva del ruido. Este trabajo también investigó la respuesta del oído humano a ráfagas de tonos, clics, ruido rosa y una variedad de otros sonidos que, debido a su breve naturaleza impulsiva, no dan al oído y al cerebro tiempo suficiente para responder. Los resultados se informaron en el Informe de investigación de la BBC EL-17 1968/8 titulado The Assessment of Noise in Audio Frequency Circuits (La evaluación del ruido en circuitos de audiofrecuencia) .
La curva de ponderación de ruido ITU-R 468 , propuesta originalmente en la recomendación 468 del CCIR , pero adoptada posteriormente por numerosos organismos de normalización ( IEC , BSI , JIS , ITU ), se basó en la investigación e incorpora un detector especial de cuasi-pico para tener en cuenta nuestra sensibilidad reducida a ráfagas cortas y clics. [8] Es ampliamente utilizada por radiodifusores y profesionales del audio cuando miden el ruido en trayectorias de radiodifusión y equipos de audio, de modo que pueden comparar subjetivamente tipos de equipos con diferentes espectros y características de ruido.