Un contorno de igual volumen es una medida del nivel de presión sonora , en el espectro de frecuencias , para el cual un oyente percibe un volumen constante cuando se le presentan tonos puros y constantes. [1] La unidad de medida para los niveles de sonoridad es el phon y se obtiene por referencia a contornos de igual sonoridad. Por definición, se dice que dos ondas sinusoidales de diferentes frecuencias tienen el mismo nivel de volumen medido en fonos si el joven promedio sin discapacidad auditiva significativa las percibe con el mismo volumen.
Las curvas de Fletcher-Munson son uno de los muchos conjuntos de contornos de igual volumen para el oído humano, determinados experimentalmente por Harvey Fletcher y Wilden A. Munson, e informados en un artículo de 1933 titulado "El volumen, su definición, medición y cálculo" en el Revista de la Sociedad de Acústica de América . [2] Las curvas de Fletcher-Munson han sido reemplazadas e incorporadas a 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 contar con un botón de "sonoridad", conocido técnicamente como compensación de sonoridad , que realza los componentes de baja y alta frecuencia del sonido. Su objetivo es compensar la aparente caída del volumen en esas frecuencias, especialmente en niveles de volumen más bajos. Aumentar estas frecuencias produce un contorno más plano de igual volumen que parece ser más fuerte incluso a bajo volumen, evitando que el sonido percibido sea dominado por las frecuencias medias donde el oído es más sensible.
La primera investigación sobre el tema de cómo el oído escucha diferentes frecuencias en 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.
Ahora es mejor utilizar el término genérico contornos de igual volumen , del cual las curvas de Fletcher-Munson son ahora un subconjunto, [3] y especialmente desde que una encuesta realizada en 2003 por ISO redefinió las curvas en un nuevo estándar. [4]
El sistema auditivo humano es sensible a frecuencias desde unos 20 Hz hasta 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 parte 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 contornos de igual volumen utilizando auriculares (1933). En su estudio, los sujetos de prueba escucharon tonos puros en 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 obtener promedios razonables. El contorno más bajo de igual volumen representa el tono audible más bajo: el umbral absoluto de audición . El contorno más alto es el umbral del dolor .
Churcher y King llevaron a cabo 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 produjeron una nueva determinación experimental que creían que 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 tempranas y las más recientes llevaron a la Organización Internacional de Normalización (ISO) a revisar las curvas estándar en 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, Reino Unido y Estados Unidos. (Japón fue el mayor contribuyente con aproximadamente el 40% de los datos).
Esto ha resultado en 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 entre 10 y 15 dB, especialmente en las frecuencias bajas. región, por razones no explicadas. [6]
Según el informe de la ISO, los resultados de Robinson-Dadson fueron los más extraños, difiriendo más del estándar actual 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 resulte haber estado de acuerdo con las determinaciones modernas. [4]
El informe también comenta las grandes diferencias aparentes en la región de baja frecuencia, que siguen sin explicación. Las posibles explicaciones son: [4]
Los sonidos de la vida real provenientes 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 en frecuencias superiores a aproximadamente 1 kHz el sonido que ingresa al canal auditivo se reduce parcialmente por la sombra de la cabeza y también depende en gran medida de la reflexión del oyente. pabellón auricular (oído externo). Los sonidos descentrados provocan 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 del pabellón auricular se cuantifica en un conjunto de curvas en un espacio tridimensional denominadas funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF). La presentación frontal ahora se considera preferible cuando se obtienen contornos de igual volumen, y el último estándar ISO se basa específicamente en la presentación frontal y central.
Debido a que no interviene ningún HRTF en la escucha normal con auriculares, las curvas de igual volumen obtenidas usando auriculares son válidas sólo para el caso especial de lo que se llama presentación lateral , que no es la forma en que 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 porque estas últimas utilizaban auriculares. Sin embargo, el informe ISO en realidad enumera a estos últimos como usuarios de auriculares compensados , aunque no deja claro cómo Robinson-Dadson logró la compensación .
Unos buenos auriculares, bien sellados al oído, proporcionan una respuesta plana de presión de baja frecuencia 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. Por lo tanto, la prueba con auriculares es una buena forma de derivar contornos de volumen igual por debajo de aproximadamente 500 Hz, aunque se han expresado reservas sobre la validez de las mediciones con auriculares al determinar el umbral real de audición, basándose en la observación de que cerrar el canal auditivo produce aumento de la sensibilidad al sonido del flujo sanguíneo dentro del oído, que el cerebro parece enmascarar en condiciones normales de escucha. [ cita necesaria ] A altas frecuencias, la medición de los auriculares se vuelve poco confiable y las diversas resonancias de los pabellones auriculares (oídos externos) y los canales auditivos se ven gravemente afectados por la proximidad a la cavidad de los auriculares.
Con los oradores ocurre lo contrario. Es difícil obtener una respuesta plana de baja frecuencia, excepto en un espacio libre muy por encima del suelo, o en una cámara muy grande y anecoica que esté libre de reflexiones de hasta 20 Hz. Hasta hace poco, [ ¿cuándo? ] no era posible alcanzar niveles altos en frecuencias de hasta 20 Hz sin altos niveles de distorsión armónica . Incluso hoy en día, es probable que los mejores altavoces generen entre el 1 y el 3% de la distorsión armónica total, lo que corresponde a entre 30 y 40 dB por debajo de la fundamental. Esto no es suficientemente bueno, dado el fuerte aumento del volumen (que llega hasta 24 dB por octava) con la frecuencia revelada por las curvas de igual volumen por debajo de aproximadamente 100 Hz. Un buen experimentador debe asegurarse de que los sujetos de la prueba realmente escuchen los armónicos fundamentales y no los armónicos, especialmente el tercer armónico, que es especialmente fuerte cuando el recorrido del cono de un altavoz se vuelve limitado cuando su suspensión alcanza el límite de cumplimiento. Una posible solución al problema es utilizar filtrado acústico, como por cavidad resonante, en la configuración de los altavoces. Por otro lado, una respuesta plana de alta frecuencia en campo libre de hasta 20 kHz es comparativamente fácil de lograr con altavoces modernos en el eje. Estos efectos deben considerarse al comparar los resultados de varios intentos de medir contornos de igual volumen.
Se dice que la curva de ponderación A , de uso generalizado para la medición del ruido , se basó 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 de nuestro oído interno analiza los sonidos en términos de contenido espectral, y cada "célula ciliada" 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, "captan" proporcionalmente más potencia de una fuente de ruido. Sin embargo, cuando se estimula más de una banda crítica, las señales al cerebro suman las distintas bandas para producir impresiones de volumen. Por estas razones, las curvas de igual volumen obtenidas 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 derivaron varias curvas de ponderación , en particular como parte del estándar DIN 4550 para la medición de la calidad del audio , que se diferenciaba de la curva de ponderación A y mostraba más un pico alrededor de 6 kHz. Estos dieron una medida subjetiva más significativa del ruido en los equipos de audio, especialmente en las grabadoras de casetes compactas recientemente inventadas 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 usar al medir el ruido en equipos de transmisión, examinando las diversas curvas de ponderación nuevas en el contexto del ruido en lugar de los tonos, confirmando que eran mucho más válidas que A. -ponderación al intentar medir el volumen subjetivo del ruido. Este trabajo también investigó la respuesta del oído humano a explosiones 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 suficiente tiempo 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 curva de ponderación de ruido ITU-R 468 , propuesta originalmente en la recomendación 468 del CCIR , pero posteriormente adoptada por numerosos organismos de normalización ( IEC , BSI , JIS , ITU ), se basó en la investigación e incorpora un detector de cuasi-pico especial para tener en cuenta nuestra sensibilidad reducida a ráfagas cortas y clics. [8] Es ampliamente utilizado por emisoras y profesionales del audio cuando miden el ruido en rutas de transmisión y equipos de audio, para que puedan comparar subjetivamente tipos de equipos con diferentes espectros y características de ruido.