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Tema 3 PERCEPCI%c3%93N DE LA SONORIDAD Y LA DIRECCIONALIDAD

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Ciclo Formativo: SONIDO � ���������������������������������������������������������Módulo Profesional: SMTS

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3. PERCEPCIÓN DE LA SONORIDAD Y LA DIRECCIONALIDAD.

Abordamos ahora cómo el ser humano percibe la diferencia de niveles de volumen de los sonidos y cómo es capaz de distinguir la procedencia de dichos sonidos.

3.1. Sonoridad

De la misma forma que un sonido excesivamente débil no se percibe, uno excesivamente fuerte produce una sensación dolorosa y molesta, existiendo por lo tanto, unos límites de intensidad para el estimulo físico, por debajo y por encima de los cuales la audición es imposible. Una de las medidas más simples que pueden hacerse de la capacidad de audición es la de determinar la forma en que un nivel de intensidad mínimo perceptible varía con la frecuencia. La intensidad mínima acústica que puede detectarse a una determinada frecuencia, es lo que se denomina umbral de audición para esta frecuencia. Se pueden efectuar medidas para conocer los dos límites extremos anteriormente mencionados, pero los resultados varían considerablemente de un individuo a otro, por lo que se han de realizar las medidas sobre un grupo determinado de individuos (por ejemplo, jóvenes de dieciocho a veinticinco años), debiendo efectuarse en determinadas condiciones.

El área comprendida entre las dos curvas que representan los niveles superior e inferior, es la denominada zona de audición, en estas curvas se puede apreciar la dependencia que existe entre la sensibilidad del oído y la frecuencia, encontrándose la máxima sensibilidad a la frecuencia de 3.000 Hz. A la frecuencia de 1.000 Hz, basta una presión de 2.10 -5 N/m 2, (1 Pascal) tomándose este valor como nivel de referencia; para frecuencias inferiores a los 1.000 Hz se necesitan mayores presiones, así mismo en la zona de altas frecuencias existe un crecimiento de la curva umbral. El nivel de referencia para intensidades sonoras se puede ver en el mismo gráfico que es de 10 -12 w/m 2.

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La intensidad subjetiva de un sonido queda definida de una forma relativa, comparando la sensación originada por este sonido, con la de otro sonido de referencia. Si los dos producen la misma sensación de intensidad, se puede decir que ambos tienen la misma intensidad subjetiva. En la práctica se emplean los sonidos puros de 1.000 Hz de frecuencia y nivel de presión sonora ajustable.

Fletcher y Munson dedujeron experimentalmente la relación existente entre el nivel de presión sonora, el nivel sonoro y la frecuencia, sobre un gran número de jóvenes con edades comprendidas entre los dieciocho, y los veinticinco años, con audición normal, las líneas isofónicas presentan los niveles sonoros que debía de alcanzar un sonido sinusoidal de frecuencia f, para producir la misma sensación auditiva que un sonido sinusoidal de 1.000 Hz de frecuencia y un nivel de intensidad dado. Es decir la característica subjetiva de un sonido, se conoce por su sensación sonora que se determina mediante su intensidad.

La línea isofónica es la que representa puntos de igual fuerza sonora, es decir, a lo largo de cualquiera de estas líneas los sonidos parecen igualmente intensos, aunque las intensidades reales varíen notablemente. El valor umbral para bajas frecuencias es del orden de 60 dB, pero a medida que la frecuencia aumenta, el oído presenta una mayor sensibilidad, siendo máxima a los 3 000 Hz., superados los cuales necesita un nuevo aumento de intensidad.

Para intensidades mayores, el oído no presenta una variación tan acusada de su sensibilidad y las líneas isofónicas tienden a ser cada vez más horizontales. Las curvas situadas a la derecha de los 1.000 Hz aparecen con un trazado muy parecido, repetido en todos los niveles, en acusado contraste con las variaciones a bajas frecuencias.

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Debido a que el timbre consiste en una serie de frecuencias secundarias y más altas, que acompañan al fundamental, se verá alterado por lo expuesto anteriormente al tener la sensación de que unas frecuencias resaltan más que otras, cuando se varía la potencia sonora. Los amplificadores de buena construcción tienen compensado este efecto, no amplificando igualmente todas las frecuencias, sino teniendo en cuenta las variaciones de la isofonía. Las líneas isofónicas superiores muestran un mayor paralelismo a lo largo de toda la curva, es decir que para niveles altos, no existirán tan acusadas las desigualdades anteriores. La medida de la intensidad de un sonido, tomando como unidad el decibelio, tiene el inconveniente de que siendo el nivel sensitivo variable con la frecuencia, una determinada cantidad de decibelios supondrá un sonido que parecerá más o menos intenso según su frecuencia, para evitar este inconveniente se introduce el concepto de "fon". De la misma forma que el decibelio es una medida invariable desde el punto de vista físico (objetivo), que representa una determinada presión de las ondas sonoras, susceptible por lo tanto de medirse con una exactitud que depende de la precisión del aparato usado, el fon es una unidad físicamente variable, pero sensitivamente (subjetivamente) constante, o sea que en las curvas isofónicas el número de fonos se mantendrá constante a lo largo de cualquiera de ellas.

Por lo tanto, el fon es una unidad de nivel sonoro de un sonido, que es juzgado por un observador medio numéricamente igual al nivel de intensidad en decibelios de un tono puro de 1.000 Hz. Como vemos, a la frecuencia de 1.000 Hz el número de fonos y el de decibelios coinciden, es decir 1 fon = 1 dB. Por ejemplo, un tono puro de l00 Hz de frecuencia y un nivel de intensidad de 60 dB, produce igual nivel sonoro que un tono puro de 1.000 Hz cuyo nivel de intensidad es de 40 dB, siendo el nivel sonoro de 40 fonos.

La escala de fonos presenta algunas incongruencias como por ejemplo, la imposibilidad de sumar fonos. Si se producen dos señales, una de 200 Hz con una sonoridad de 70 fonos y otra de 4.000 Hz con la misma sonoridad, el resultado final no son 140 fonos, sino que ambos tonos se perciben con una sonoridad total de 80 fonos. Se ha demostrado que para niveles mayores de 40 fonos, se necesitan 10 fonos más para duplicar la sensación de sonoridad.

Esto se observa haciendo experiencias con un cierto número de personas, y de igual forma que las relaciones de sonoridad no son proporcionales a los incrementos del nivel sonoro, no suponiendo lo mismo, aumentar un determinado número de fonos en las bajas que en las altas sonoridades. Debido a estas imprecisiones, Fletcher, Robinson, Stevens y otros, elaboraron una nueva escala subjetiva de intensidades, la escala del "son" o sonio, basándose en observaciones tales como que la audición de un mismo sonido con los dos oídos, supuestos normales e igualmente sensibles, da lugar a una sensación de sonoridad dos veces más acusada que la audición de dicho sonido empleando un sólo oído; por otra parte si dos sonidos de frecuencias muy diferentes se escuchan simultáneamente, estimulan porciones diferentes de la membrana basilar, actuando la respuesta subjetiva en forma aditiva, con anterioridad ambos sonidos se habían ajustado al mismo nivel sonoro por separado, siendo en su escucha simultánea cuando se produce el efecto de suma. Se puede establecer una escala subjetiva de intensidades o nivel de sonoridad y trazar una curva de correlación entre fonos (unidad fisiológica) y sonos (unidad subjetiva).

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La unidad de sonoridad es el son que se define como la sonoridad de un tono de 1.000 Hz y 40 dB de nivel de intensidad. Un aumento en el nivel sonoro de 10 fonos es aproximadamente equivalente a doblar el nivel de sonoridad en sonos, y un aumento de alrededor de medio fono corresponde al cambio mínimo perceptible en nivel sonoro. Es decir, un sonio equivale a 40 fonios; dos sonios tienen el doble de sonoridad que un sonio, lo que equivale aproximadamente a 49 fonios (se necesita un incremento de 9 ó 10 dB para oír el doble); tres sonios tienen el triple de sonoridad, etc.

A nivel práctico, la respuesta alineal en frecuencia del oído supone una serie de problemas para el técnico de sonido. En primer lugar. El balance de frecuencias percibido a partir de un determinado pasaje grabado dependerá del volumen con que dicho pasaje se reproduzca. Así, una mezcla hecha en el estudio de grabación a un determinado nivel puede sonar de manera diferente cuando se escucha en casa con un nivel distinto. En general, si se escucha una grabación a nivel más bajo del que tenía en otro momento, sonará con falta de graves y demasiado agudo (fino y falto de calor). Si reescuchamos la señal a nivel más alto del que tenía notaremos una mejor respuesta en graves y agudos. La función “loudness” en amplificadores “hi-fi” realzan las frecuencias altas y bajas cuando la escucha se hace a nivel bajo.

Habida cuenta de la diferente sensibilidad que presenta el oído a diferentes frecuencias y niveles, para medir el nivel de sonoridad se utiliza un medidor de nivel sonoro, llamado sonómetro, cuya sensibilidad es análoga a la del oído. Esto se consigue con unos circuitos analógicos que implementan esa respuesta. Se han obtenido cuatro curvas de respuesta características, que se aproximan al comportamiento del oído para diferentes niveles de presión. Son éstas unas curvas normalizadas internacionalmente, conocidas como curvas de ponderación A, B, C y D. La A se aproxima al oído para niveles de presión bajos. Conforme se quiera medir niveles de presión más altos hay que utilizar la B, C y D (para niveles muy altos).

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En la siguiente tabla se especifican los valores que toma la curva de ponderación A para un margen de frecuencias común en la realidad:

3.2. Efecto de enmascaramiento

Otro factor importante a la hora de percibir la intensidad de un sonido es que, para una determinada frecuencia, el umbral de audición se incrementa en presencia de otro sonido de frecuencia similar. Es decir, un sonido puede enmascarar a otro.

Un sonido de la gama audible, sólo puede percibirse por una persona, cuando su nivel de presión sonora sobrepasa un limite inferior (umbral de audibilidad). En ausencia de todo ruido parásito, este límite es el umbral absoluto de audibilidad. En presencia de un ruido parásito, el mismo sonido debe tener un nivel más alto para que se pueda distinguir, entonces el umbral de audibilidad correspondiente es más alto que el umbral absoluto de audibilidad. En este caso se dice que el ruido parásito hace de enmascaramiento, siendo su efecto la diferencia en decibelios entre los dos umbrales.

El fenómeno de enmascaramiento tiene una gran importancia en la vida diaria, ya que su acción puede ser tanto beneficiosa como perjudicial. Debido a este efecto, no escuchamos con frecuencia las conversaciones ajenas, los sonidos procedentes de los aparatos de radio y televisión, etc., ya que son enmascarados por otros sonidos. Por el contrario, debido al enmascaramiento, no se pueden mantener conversaciones tranquilas, o la audición de música en un local ruidoso. La exposición a ruidos intensos puede disminuir temporalmente, o de forma definitiva, el umbral de audibilidad.

El efecto de enmascaramiento debido a un ruido depende del reparto espectral del mismo, ya que se origina no sólo por sonidos que tienen la misma frecuencia que los componentes del ruido, sino también por otras frecuencias; sin embargo el efecto es máximo para las frecuencias de las componentes.

Consideremos ahora, el caso de tonos puros, en los que la sensación de intensidad se ve influenciada por el llamado efecto de enmascaramiento que se produce cuando los sonidos están muy próximos en frecuencia, por ejemplo un tono de 300 Hz y un nivel sonoro de 70 fonos (8 sonos), así como un tono de 5.000 Hz con el mismo nivel sonoro, dan un nivel sonoro total que es la suma en niveles de sonoridad de 16 sonos, lo que es lo mismo 80 fonos. En cambio, si tenemos dos tonos de la misma frecuencia,

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con el mismo nivel de sonoridad, la sensación producida por los dos al mismo tiempo, no es doble de la que produce uno sólo, sino ligeramente mayor, o sea la suma directa de sonoridades sólo puede llevarse a cabo entre sonidos que estén muy separados en frecuencias. Cuanto más cerca estén, más se influencian mutuamente y la sonoridad total es inferior a la suma de las sonoridades de ambos por separado. Este efecto se denomina de enmascaramiento parcial, el cual puede llegar a ser total cuando hay, además de una gran proximidad en frecuencia, una notable diferencia en cuanto a sonoridad, o sea un sonido fuerte oculta por completo uno débil, que no puede percibirse y que, por lo tanto, no contribuye a aumentar la sonoridad.

Generalmente, tanto el sonido enmascarante como el enmascarado son formas de onda muy complejas. Sin embargo, este fenómeno se ve más fácilmente mediante el estudio de casos especiales en los que ambos sonidos son tonos puros sinusoidales. Observamos que el enmascaramiento de un tono puro por otro, es más aparente cuando los dos tonos son aproximadamente de la misma frecuencia y que también en general un tono enmascara señales de alta frecuencia más efectivamente que otros de baja frecuencia. Por ejemplo, una señal de 1.000 Hz de frecuencia y un nivel de intensidad de 40 dB es enmascarado completamente por un tono de 400 Hz cuyo nivel de intensidad es de 80 dB. Una consideración de los armónicos generados por el tono enmascarante permite explicar este efecto. Para el tono de 400 Hz y 80 dB, los armónicos tienen frecuencias de 800, 1.200, 1.600 Hz... teniendo niveles análogos al fundamental, por lo que uno u otro de estos armónicos tendrá aproximadamente la misma frecuencia que alguna señal superior al rango audible, proporcionando un enmascaramiento efectivo. Por otro lado, los armónicos de tono de 2.000 Hz tienen frecuencias de 4.000 Hz y superiores por lo que no enmascaran el tono de 1.000 Hz. El tipo de enmascaramiento sonoro que se encuentra con mayor frecuencia en la vida real, es el debido al ruido, teniendo un espectro de frecuencias esencialmente continúo. En comunicaciones de radio o telefónicas, este tipo de interferencia se debe generalmente al ruido de las habitaciones en las que se encuentran estos aparatos. Este fenómeno presenta un gran interés en sistemas de comunicación, con el fin de determinar que cantidad de enmascaramiento es tolerable, así como investigar los procedimientos para reducir esta interferencia.

El fenómeno del enmascaramiento tiene muchas aplicaciones prácticas en ingeniería de audio. Se utiliza a menudo en sistemas de reducción de ruido, puesto que permite al diseñador asumir que el ruido de bajo nivel presente en la misma banda de frecuencias que una señal musical de nivel alto se verá completamente enmascarado por ésta. Se emplea también en sistemas de compresión de datos de audio digital, ya que permite al diseñador aplicar una resolución menor en algunas bandas de frecuencia, en las que el ruido quedará enmascarado por la señal deseada.

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3.3. Percepción direccional

Los oídos forman canales receptores que son independientes entre sí, no hay interferencias entre ellos, ni combinaciones de las frecuencias recibidas por cada uno; los armónicos de un oído no se añaden, restan, etc. a los del otro. Los sonidos se reciben independientemente por cada oído y crean efectos diferentes en distintas partes del cerebro. Sólo para niveles muy elevados, pequeñas partes de energía sonora se transfieren de un oído a otro, debido a la conducción en los huesos del cráneo. La información que recibe cada oído se procesa en el cerebro, donde, comparando los impulsos nerviosos que produce cada sonido, se interpretan finalmente todos los aspectos de la onda sonora, conociéndose a este fenómeno como de fusión binaural. Por lo tanto, podemos decir que los seres humanos son capaces de determinar, con un considerable grado de precisión, la dirección de una fuente sonora. El método de localización es la denominada audición binauricular, existiendo dos factores que permiten determinar la dirección de llegada de un sonido:

- Su intensidad relativa en nuestros dos oídos. - El intervalo de tiempo de llegada a los dos oídos (diferencia de fase).

Teniendo en cuenta la difracción de las ondas sonoras alrededor de un pequeño obstáculo, tal como es la cabeza humana, se puede demostrar tanto teórica como experimentalmente que para frecuencias por debajo de los 1.000Hz la intensidad de las ondas sonoras que van desde la fuente sonora a un oído de un observador, difieren de las que llegan al otro oído, por una cantidad despreciable, teniendo en cuenta consideraciones sólo de la intensidad, sería imposible determinar la dirección de llegada de las ondas sonoras.

Sin embargo para altas frecuencias, la cabeza del observador presenta unas características diferentes y la intensidad del sonido en el oído más próximo a la fuente sonora es considerablemente mayor que en el otro oído opuesto, por lo que para tonos dentro de este rango de frecuencias, podrían sugerir la dirección de la fuente. Por lo tanto, la cabeza será un obstáculo efectivo para las frecuencias altas y no impedirá el paso de las frecuencias bajas, luego podemos hablar de que la cabeza es un filtro acústico paso bajo.

Se ha demostrado que a 250 Hz, la sonoridad en ambos oídos es prácticamente idéntica, no importa donde esté el foco sonoro, pero para una frecuencia de 1.000 Hz el oído más cercano a la fuente oye unos 8 dB más, mientras que a 10.000 Hz esta cantidad se eleva a 30 dB.

Por otro lado, el efecto de la fase relativa con la que las ondas sonoras llegan a los oídos, es tal que la diferencia de fase no sólo es función de la distancia entre los oídos y de la orientación de la cabeza, sino también de la longitud de onda del sonido. Para tonos puros de muy baja frecuencia y por lo tanto gran longitud de onda, la diferencia de fase entre el sonido recibido por los dos oídos es una fracción de la longitud de onda comparativamente pequeña, aunque un oído se gire directamente hacia la fuente.

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Por ejemplo, la distancia entre los dos oídos es aproximadamente 20 cm, esta distancia es sólo el 3% de la longitud de onda para una frecuencia de 50 Hz, es difícil que una fracción tan pequeña de la longitud de onda se pueda observar. A medida que aumenta la frecuencia, disminuye la longitud de onda, con lo que aumenta la diferencia de fase; para una frecuencia de 850 Hz, la separación entre los oídos es aproximadamente media longitud de onda. Por lo tanto, para frecuencias altas, resulta ambiguo juzgar la dirección de la fuente sonora, basándose sólo en la diferencia de fase entre el sonido percibido por los dos oídos. La determinación del origen del sonido implica la localización de la fuente, tanto en el plano horizontal como en el vertical. El sentido de localización en el plano vertical está muy poco desarrollado en el hombre, mientras que el de localización horizontal es mucho más preciso.

Resumiendo, para frecuencias altas (por encima de 1.000 Hz), la localización se debe fundamentalmente a la intensidad, para frecuencias bajas (por debajo de 800 Hz), la localización se realiza por medio de la fase y del tiempo de retardo del sonido en ambos oídos, en frecuencias medias se presenta una indeterminación que los seres humanos resuelven por medio de la localización tanto por la fase como por la intensidad, utilizando ambas de una forma simultánea y combinada. Cuando la ambigüedad es grande mueve la cabeza y al variar la posición de los oídos con respecto al foco sonoro, proporciona más datos al cerebro. Existen algunos casos de ambigüedad en la localización de la fuente, como por ejemplo los sonidos que proceden de dos fuentes situadas simétricamente y a la misma distancia de la cabeza, por lo tanto los sonidos llegan al oído izquierdo con la misma diferencia de tiempo con respecto al derecho que al contrario, afortunadamente la forma asimétrica del pabellón auditivo ayuda a destruir cualquier duda ya que el sonido se modifica sustancialmente antes de llegar al tímpano, dependiendo de la dirección en que se acerquen.

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En recintos cerrados en donde existan reflexiones sonoras, el oyente recibe diversas señales, unas vienen directamente de la fuente sonora y otras llegan después de reflejarse una o más veces en todas las superficies interiores del recinto, así como los objetos que contiene el mismo, alcanzando los oídos del oyente con diversos retardos de tiempo y desde diferentes direcciones. En general, como la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta, el sonido que llega antes es el directo que sirve para localizar la fuente por medio de la percepción binaural. Posteriormente llegan las reflexiones después de haber sido absorbida parte de la energía en los choques con las superficies límites, por lo que cada sonido reflejado, lleva menos energía que el directo, aunque la suma da todos los sonidos reflejados llevan más energía que el sonido directo, estos sonidos reflejados proporcionan el ambiente acústico o reverberación. Los ambientes reverberantes influyen en la percepción binaural, habiéndose realizado diferentes experimentos para estudiar este fenómeno. 3.4. Efecto Haas

Haas y otros autores, estudiando el efecto que producen los ecos a la hora de percibir la dirección de una fuente, demostraron que si dos fuentes emiten sonidos similares, la dirección que se percibe del sonido tiende hacia la fuente más adelantada en tiempo. Establecieron también que los retardos sobre los que se observa el fenómeno llegan hasta los 50 ms, para el cual, los sonidos de dos fuentes se funden en el cerebro apareciendo como una única fuente (fuente imaginaria) que se sitúa aparentemente desplazada hacia la que llega antes. Por encima de 50 ms el cerebro comienza a percibir los sonidos de forma separada y el segundo de ellos aparece como un eco del primero.En la experiencia realizada por Haas y Mayer, un oyente que "ve" dos altavoces situados a la misma distancia bajo un ángulo de 45º, percibe dos emisiones idénticas, una de cada altavoz, que no difieren más que por el intervalo de tiempo que separa su llegada al oído. Los resultados de la observación se clasifican en cuatro categorías:

1º Intervalo de tiempo inferior a 5 ms. El oyente escucha un sonido único de intensidad doble de la de un sólo altavoz. El sonido se escucha en la dirección de la bisectriz del ángulo de los dos altavoces. 2º Intervalo de tiempo comprendido entre 5 Y 35 ms. El oyente escucha aún un sonido único de intensidad doble, pero esta vez el sonido parece venir del primer altavoz. 3º Intervalo de tiempo comprendido entre 35 y 50 ms. Audición separada de los dos altavoces, pero en la dirección del primero, el eco parece menos intenso que el sonido inicial. 4º Intervalo de tiempo superior a 50 ms. Audición separada de los altavoces y en sus direcciones respectivas.

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Una forma simple de demostrar el fenómeno es a partir de un equipo de sonido estereofónico. Si las señales son iguales en ambos canales, el sonido será percibido como proveniente del centro del sistema.

Introduciendo un retardo de 5ms al canal derecho, el sonido será percibido saliendo del canal izquierdo, a pesar que las intensidades son iguales.

Si atenuamos 10 dB el canal izquierdo (o le damos 10 dB de ganancia al canal derecho) el sonido será percibido saliendo otra vez del centro del sistema.

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La denominada “curva efecto Haas” muestra que para que el sonido retardado aparente tener la misma sonoridad que el no retardado, aquel debe superar a éste en unos cuantos decibelios de amplitud, con el fin de compensar la ventaja que supone haber llegado primero. El efecto máximo tiene lugar para un retardo de aproximadamente 15 ms, en este valor la fuente retrasada debe ser 11 dB más sonora que la precedente para que ambas puedan percibirse con el mismo nivel sonoro. Es por tanto posible comparar diferencia de amplitud con diferencia de tiempo para conseguir el mismo efecto direccional.

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Los experimentos de Haas han demostrado que el tiempo mínimo de retardo para la palabra depende:

1º ritmo de la palabra 2º intensidad de la palabra 3º color de tono 4º tiempo de reverberación característico del recinto.

El tiempo mínimo de retardo para la palabra varía entre 40 y 170 ms, siendo para la música superior que para la palabra, alcanzando valores de 150 a 250 ms. De esta forma, si la estructura de tiempo de la señal básica y los modos normales de vibración del recinto, que acompañan a la señal básica, son tales que el intervalo de tiempo entre el sonido directo, y la primera reflexión no excede del tiempo mínimo de retardo, en el oído se combinan los dos sonidos dando lugar a la reverberación. Pero si los intervalos son mayores que el tiempo mínimo de retardo, el oído identifica la reflexión como una señal idéntica a la directa, es decir un eco, que se detecta especialmente cuando el nivel de presión sonora de la reflexión es comparable con el nivel de presión sonora de la señal directa. Los cambios en las condiciones en los límites del recinto, producen una alteración en las reflexiones, así corno en el incremento del nivel de presión sonora, originada por los modos normales de vibración del recinto, que hacen el campo sonoro desigual. Por consiguiente, el espacio de un recinto, tiene una influencia sobre la señal que se propaga en el, y que es:

1º Acompañamiento a la señal básica con unas reflexiones que pueden tomar la forma de un eco, alterando su estructura en el tiempo. 2º Alterando su color de tono, al introducir cambios en su espectro de frecuencia. 3º Incrementando su nivel, mediante la energía de los modos normales de vibración del recinto. 4º Creando diferentes condiciones de recepción en los distintos puntos del recinto.