CARACTERíSTICAS DE LA AUDICIóN

 

            Umbrales de la audición

 

Es fácil ver que deben existir ciertos límites de intensidad para el estímulo físico por debajo y por encima de los cuales la audición es imposible ya que, de igual forma que un sonido excesivamente débil no se percibe, uno excesivamente fuerte nos produce una sensación dolorosa y molesta. Una de las medidas más simples de la capacidad de audición consiste en 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, aunque los resultados varían considerablemente de un individuo a otro, por lo que se hacen sobre colectivos similares (por ejemplo jóvenes entre 18 y 25 años) y en determinadas condiciones: con los dos oídos y en un campo sonoro de ondas planas progresivas, etc. Con todos los datos recogidos se realiza un estudio estadístico para conocer promedios y desviaciones, trazando posteriormente un audiograma. éste consiste en un gráfico en coordenadas rectangulares, en el que en abcisas se toman frecuencias y en ordenadas las presiones sonoras mínimas, capaces de originar una sensación sonora, y los valores de las presiones máximas intolerables, obteniéndose el umbral de audición máximo y mínimo. Comparando los resultados en varios países se han llegado a definir unos umbrales de audición normalizados, tal y como puede verse en la figura inferior.

 

 

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 a 3000Hz. A 1000Hz basta una presión de 2*10-5N/m2(1Pascal), tomándose este valor como nivel de referencia. Para frecuencias inferiores se necesitan mayores presiones; asimismo 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 10-12w/m2

 

El campo de respuesta del oído va desde los 20 a los 20000Hz para una persona normal de 18 años, disminuyendo la frecuencia superior con la edad. Dentro del margen de 2000 a 5000 Hz; la presión en el ambiente debida a la agitación térmica de las moléculas es comparable a los límites de sensibilidad, por lo que si ésta fuese superior se percibiría dentro de este margen un ruido de fondo que interferiría la percepción de las ondas sonoras de baja intensidad.

 

Los especialistas de la audición han considerado que el oído humano se comporta como un conjunto de 24 receptores independientes, dotados de cierta selectividad y ajustados a diferentes frecuencias. Zwicker llama banda crítica a la banda pasante de cada uno de los citados receptores. Las frecuencias centrales fc de estas bandas se encuentran irregularmente repartidas entre los 50 y los 13500Hz. El ancho de banda ∆f de cada uno de los receptores, ajustados a estas frecuencias, varía entre 100 y 3500 Hz al pasar de las bajas a las altas frecuencias. La figura inferior representa la variación del ancho f en función de la frecuencia, pudiéndose comprobar que el ancho de banda es prácticamente constante e igual a 100Hz, para las frecuencias inferiores a 500 Hz, mientras que para las frecuencias superiores se duplica cuando la frecuencia se dobla.

 

 

 

 

 

 

Tono de los sonidos

 

            Se puede comprobar que un sonido nos parece más agudo cuanto mayor es su frecuencia, por lo que empleamos este parámetro para medir el tono de los sonidos. Para poder medirlo es necesario que el tren de ondas que le corresponde (sinusoidal o casi sinusoidal) comprenda algunos periodos para los sonidos graves (aquellas de la zona inferior del espectro audible, entorno a 1000 o 2000 Hz) y algunas decenas para los sonidos agudos (las que se aproximan al límite superior), es decir, que tenga una duración del orden de la centésima de segundo. Las frecuencias audibles para sonidos bastante intensos se extienden entre los límites 20 a 20000Hz, llamada banda de audiofrecuencia. Las vibraciones de frecuencia muy pequeña y suficiente amplitud producen una sensación de choques rítmicos, y el tímpano actúa como una cápsula manométrica. La impresión sonora propiamente dicha no empieza hasta 16 Hz, no alcanzando el carácter musical hasta los 40Hz.

 

            La menor diferencia relativa de frecuencia ∆f/f perceptible, entre sonidos de frecuencias f y f+-∆f y de suficiente intensidad (umbral diferencial de frecuencia)varía con la frecuencia para una intensidad determinada, siendo aproximadamente constante entre 500 y 4000Hz y aumentando rápidamente cuando nos alejamos de estos valores. Por otra parte, si dos sonidos de frecuencias próximas  f y f" actúan simultáneamente sobre el oído, se perciben pulsaciones que tienen por frecuencia absoluta f – f"; su desaparición para f = f" permite apreciar la igualdad del tono de los dos sonidos con una precisión de una fracci´pn de hertzio para los sonidos graves y varios hertzios para los agudos.

 

El fenómeno de las pulsaciones se puede poner de manifiesto mediante procedimientos muy variados, por ejemplo dos tubos abiertos, estando exactamente al unísono producen un único sonido pero basta poner un dedo en la extremidad abierta de uno de ellos(lo que disminuye ligeramente su longitud efectiva y por tanto el tono del sonido) para observas pulsaciones que se pueden aumentar o disminuir a voluntad.

 

El tono, por tanto, es una magnitud subjetiva y la frecuencia es una magnitud física medible, y no guardan una correspondencia biunívoca; aunque la primera de ellas aumenta o disminuya cuando lo hace la otra, la razón de variación no es igual para ambas. En la zona de frecuencias medias, los tonos se corresponden con las octavas de frecuencia, siendo una octava el intervalo entre los tonos, uno de los cuales tiene una frecuencia doble del otro; si pasamos de un tono de 1000hz a otro de 2000Hz recorremos una octava, pero la sensación que se experimenta en esta caso no es la misma que si se pasa de 7000 a 8000Hz, aunque en ambos casos se haya aumentado 1000Hz. En realidad tendríamos que recorrer otra octava, es decir, pasando de 7000 a 14000Hz para sentir un efecto subjetivo análogo al primero.

 

            No obstante, tampoco una división del espectro de audio en octavas se ajusta exactamente  a la respuesta del oído, ya que existen octavas subjetivas que difieren de las físicas. Se ha fijado el valor de la octava subjetiva mediante una ley empírica que define una nueva escala de tonos. Para medir los intervalos de esta escala se utiliza la unidad "mel" o melio. Por definición, un sonido de 1000Hz de frecuencia y 40dB de nivel de presión sonora tiene un tono de 1000mels; en la zona inferior a las frecuencias medias cada octava viene a tener una extensión de 200mels, mientras que para frecuencias más altas, las octavas tienen extensiones mayores, del orden de 700mels. La banda entre 0 y 16KHz contiene 2400mels.

 

            La explicación de este comportamiento reside en la membrana basilar, encontrándose que los sonidos separados igualmente en mels producen excitaciones en puntos de la membrana que están separados entre sí de manera también uniforme. Por tanto, existe correspondencia directa entre la escala mel y la localización en la membrana basilar de los puntos sensibles a las diversas frecuencias. Cada milímetro de la membrana corresponde aprox a un intervalo de 100mel, aunque varía con cada individuo al ser puramente subjetiva.

 

            Niveles de los sonidos

 

            Un sonido de determinada naturaleza parece tanto más fuerte cuanto mayor sea la amplitud de las vibraciones en las proximidades del oído. Cuando nos alejamos de la fuente sonora la intensidad del sonido disminuye de una forma inversamente proporcional a la distancia, cuando el sonido se emite en un medio homogéneo, isótropo y no absorbente, propagándose en forma de ondas esféricas. Una fuente sonora emite una energía que se transmite a través de cada región del medio que rodea la fuente. En el caso de que no existan pérdidas en el medio toda la potencia radiada por la fuente deberá atravesar a una superficie que envuelva a la misma. Si la fuente sonora es omnidireccional, la potencia es igual al producto de la intensidad por el área de la superficie que la rodea; si es direccional, la energía emitida se calculará por integración. La intensidad sonora es difícil de medir, por lo que se mide generalmente la presión sonora en un número suficiente de puntos de la superficie esférica que envuelve a la fuente.

 

            En este caso mantendremos constante la frecuencia y variaremos la intensidad, cambio que tendrá cierto valor detectable por el oído. El porcentaje de cambio de la intensidad será ∆I/I y su mínimo valor perceptible se denomina sensibilidad diferencial para las intensidades. Es casi constante e independiente del valor de la intensidad dentro de un amplio margen de frecuencias (ver figura). En esta zona la variación relativa ∆I/Icorresponde a una variación del nivel de intensidad percibido mediante la expresión dada por Weber:

 

            ∆I / I = ∆L / K

 

,modificada posteriormente por Fechner, adoptando la forma:

 

            L = Klog I

 

            La experiencia muestra que las variaciones de intensidad de un sonido no son proporcionales a las variaciones de nivel de intensidad que recibimos; estas variaciones siguen la ley de Weber-Fechner, que establece que la magnitud de un nivel es proporcional al logaritmo del estímulo que lo provoca, aunque sólo sea aproximadamente exacta en la región de intensidades y frecuencias medias. El carácter logarítmico del nivel respecto al estímulo supone un crecimiento muy reducido para grandes incrementos de la intensidad sonora. De acuerdo con la relación obtenida por Weber-Fechner tenemos la expresión:

 

              Li = 10 log(I / Iref) dB

 

donde Iref = 10-12 W/m2 que es el valor de la intensidad umbral para una frecuencia de 1000Hz. El máximo valor que tolera el oído es el de una intensidad de 1 W/m2 que produce una sensación dolorosa, siendo el nivel de intensidad:

 

                                   Limax = 10 log(1/10-12) = 10 log 12 = 120 dB (re 10-12 W/m2 )

 

            Por tanto, vemos que el campo de audibilidad viene expresado entre 0 y 120 dB, siendo el cero ficticio, ya que no se trata de un cero absoluto, si no de referencia a nuestra fisiología 8ver valores en la figura ).

 

 

 

            Al ser el decibelio una manera de expresar matemáticamente la presión sonora es una magnitud física medible, no guardando una relación con el nivel sonoro o sonoridad, por lo que es necesario crear una nueva unidad para medir una magnitud subjetiva. La mejor manera de medirla es reunir a un grupo de personas, someterlas a determinados estímulos, anotar sus reacciones, analizar los resultados y llegar a una conclusión que nos dé una ley empírica.

 

            Así como el umbral de audibilidad es una característica fisiológica, cuya definición no es ambigua puesto que un sonido se escucha con claridad o no las intesidad subjetiva de un sonido es una magnitud cuya definición no es fácil. Por otra parte, esta definición no puede tener sentido nada más que si se parte de la hipótesis de que dos sonidos de distinto espectro de frecuencias pueden originar sensaciones comparables entre sí, lo que desde luego no es evidente, aunque diferentes pruebas experimentales han demostrado que son posibles tales comparaciones.

 

            La intensidad subjetiva de un sonido queda definida de nua forma relativa comparando la sensación originada por este sonido con la de otro sonido de referencia. Si las dos producen la misma sensación de intensidad, se puede decir que ambos tienen la misma intensidad subjetiva.

           

            En la práctica se emplean dos referencias: 1º los sonidos puros de 1000Hz de frecuencia y nivel de presión sonora ajustable y 2º las bandas de ruido blanco centradas en los 1000Hz con una anchura 100Hz y nivel de presión sonora ajustable.

 

            Cuando un sonido se compara con la primera de las referencias su intensidad subjetiva se llama "sonoridad" y si se compara con la segunda la intensidad subjetiva se llama "ruidosidad". Si se duplica la sonoridad de un sonido se duplica la sensación de intensidad experimentada.

 

 

Timbre de los sonidos

 

            Generalmente los sonidos que se perciben no son tonos puros, sino que son una combinación de frecuencias relacionadas armónicamente, como , por ejemplo, los sonidos producidos por un instrumento musical. La composición de un sonido viene determinada por un análisis espectral, siéndole espectro de un sonido el conjunto de todas las componentes d frecuencia, viniendo dada por una gráfica que relaciona amplitudes en función de la frecuencia. El timbre es la cualidad que distingue a los sonidos del mismo tono y de igual intensidad, emitidos por fuentes de diferentes naturaleza; por ejemplo, cuando los diferentes instrumentos de una orquesta se acordan se puede; a pesar de todo, distinguir por su timbre la nota musical emitida por cada uno de ellos; de forma análoga si una cuerda vibrante se ataca sucesivamente en un mismo punto, por percusión con un martillo de goma o por rozamiento con un cuerpo de corte vivo(casos de piano o violín), se percibe claramente la diferencia de timbre.

 

 

            Las diferencias de timbre de dos sonidos musicales se explican por el hecho de que estos sonidos no son simples. Es muy difícil encontrar un sonido realmente simple; no obstante, existen casos en los que se producen este tipo de sonidos, como por ejemplo el sonido de un diapasón. La descomposición de un sonido periódico en serie de Fourier corresponde a una realidad para el oído, ya que es capaza de funcionar como un analizador armónico y percibir los sonidos que componen una señal compleja.