Contorno de igual sonoridad

Un contorno de igual sonoridad es una medida del nivel de presión sonora , en todo el espectro de frecuencias , para la cual un oyente percibe una sonoridad constante al escuchar tonos puros y uniformes. ^{[ 1 ]} La unidad de medida para los niveles de sonoridad es el fon y se obtiene mediante contornos de igual sonoridad. Por definición, se dice que dos ondas sinusoidales de frecuencias diferentes tienen el mismo nivel de sonoridad, medido en fons, si una persona joven promedio sin deficiencias auditivas significativas las percibe con la misma intensidad.

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 "Sonoridad, 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 a estándares más recientes. Las curvas modernas 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.

La primera investigación sobre cómo el oído percibe diferentes frecuencias a distintos niveles fue realizada por Fletcher y Munson en 1933. Hasta hace poco, era común ver el término Fletcher-Munson utilizado para referirse a los contornos de igual sonoridad en general, a pesar de que Robinson y Dadson llevaron a cabo una nueva determinación en 1956, que se convirtió en la base de la norma ISO 226.

Actualmente se prefiere el término genérico de contornos de igual sonoridad , del cual las curvas de Fletcher-Munson son ahora un subconjunto, ^{[ 3 ]} y especialmente desde que una encuesta realizada por la ISO en 2003 redefinió las curvas en una nueva norma. ^{[ 4 ]}

El sistema auditivo humano es sensible a frecuencias que van desde aproximadamente 20 Hz hasta un máximo de alrededor de 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 , debido principalmente a la resonancia del conducto auditivo y a la función de transferencia de los huesecillos del oído medio.  

Fletcher y Munson midieron por primera vez los contornos de igual sonoridad utilizando auriculares (1933). En su estudio, los sujetos de prueba escucharon tonos puros en varias frecuencias y en  incrementos 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 la misma sonoridad que el tono de prueba. La sonoridad, al ser una magnitud psicológica, es difícil de medir, por lo que Fletcher y Munson promediaron sus resultados de muchos sujetos de prueba para obtener promedios razonables. El contorno de igual sonoridad 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 realizaron una nueva determinación experimental que, a su juicio, era más precisa. Esta 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 observadas entre las determinaciones iniciales y las más recientes llevaron a la Organización Internacional de Normalización (ISO) a revisar las curvas estándar de la norma ISO  226. Esta revisión se realizó en respuesta a las recomendaciones de un estudio coordinado por el Instituto de Investigación de Comunicación Eléctrica de la Universidad de Tohoku, Japón. El estudio generó nuevas curvas combinando los resultados de diversas investigaciones realizadas por investigadores de Japón, Alemania, Dinamarca, Reino Unido y Estados Unidos. (Japón fue el principal 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 no explicadas. ^{[ 6 ]}

Según el informe de la ISO, los resultados de Robinson-Dadson fueron la excepción, difiriendo más del estándar actual que las curvas de Fletcher-Munson. El informe señala que es afortunado que la curva de Fletcher-Munson de 40 fonios, en la que se basó el estándar de ponderación A, haya coincidido 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 ]}

• El equipo utilizado no estaba calibrado correctamente.
• Los criterios utilizados para juzgar la igualdad de sonoridad en diferentes frecuencias habían variado.
• Los sujetos no descansaron adecuadamente durante los días previos a las pruebas, o estuvieron expuestos a ruidos fuertes durante el trayecto, lo que tensó los músculos tensor del tímpano y estapedio , que controlan el acoplamiento mecánico de baja frecuencia.

Los sonidos reales provenientes de una fuente relativamente distante llegan como frentes de onda planos. Si la fuente de sonido se encuentra directamente frente al oyente, ambos oídos reciben la misma intensidad, pero a frecuencias superiores a 1  kHz, el sonido que entra en el conducto auditivo se ve parcialmente atenuado por la sombra acústica de la cabeza y también depende en gran medida de la reflexión en el 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. Este efecto combinado de enmascaramiento de la cabeza y reflexión del pabellón auricular se cuantifica mediante un conjunto de curvas en el espacio tridimensional denominadas funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF). Actualmente, se considera preferible la presentación frontal al derivar contornos de igual sonoridad, y la última norma ISO se basa específicamente en la presentación frontal y central.

Dado que en la escucha normal con auriculares no interviene la función de transferencia relacionada con la cabeza (HRTF), las curvas de igual sonoridad obtenidas mediante auriculares solo son válidas para el caso especial de lo que se denomina presentación lateral , que no es como solemos oír.

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 usaban auriculares. Sin embargo, el informe de la ISO indica que estas últimas usaban auriculares compensados , aunque no aclara cómo Robinson-Dadson logró dicha compensación .

Unos buenos auriculares, bien sellados al oído, proporcionan una respuesta de presión plana 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, las pruebas con auriculares son una buena manera de obtener curvas de igual sonoridad por debajo de los 500  Hz, aunque se han expresado reservas sobre la validez de las mediciones con auriculares para determinar el umbral auditivo real, basándose en la observación de que el cierre del canal auditivo produce una mayor sensibilidad al sonido del flujo sanguíneo dentro del oído, que el cerebro parece enmascarar en condiciones normales de escucha. A altas frecuencias, la medición con auriculares se vuelve poco fiable, y las diversas resonancias de los pabellones auriculares (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 en bajas frecuencias, salvo en espacios abiertos a gran altura o en una cámara anecoica muy grande , libre de reflexiones hasta los 20  Hz. Hasta hace poco, no era posible alcanzar altos niveles de volumen en frecuencias de hasta 20 Hz sin una elevada distorsión armónica . Incluso hoy en día, los mejores altavoces suelen generar entre un 1 % y un 3 % de distorsión armónica total, lo que equivale a entre 30 y 40 dB por debajo de la fundamental. Esto no es suficiente, dado el fuerte aumento de la sonoridad (hasta 24 dB por octava) con la frecuencia, como revelan las curvas de igual sonoridad por debajo de los 100 Hz. Un buen experimentador debe asegurarse de que los sujetos de prueba oigan realmente la fundamental y no los armónicos, especialmente el tercer armónico, que es particularmente fuerte a medida que el recorrido del cono del altavoz se limita al alcanzar su límite de elasticidad. Una posible solución al problema es utilizar filtrado acústico, por ejemplo, mediante una cavidad resonante, en la configuración del altavoz. Por otro lado, con altavoces modernos colocados en el eje, es relativamente fácil lograr una respuesta de alta frecuencia plana en campo libre hasta los 20 kHz. Estos efectos deben tenerse en cuenta al comparar los resultados de distintos intentos de medir curvas de igual sonoridad.     

Se dice que la curva de ponderación A —de uso generalizado para la medición de ruido— se basó en la curva de Fletcher-Munson de 40 fonios. Sin embargo, investigaciones de la década de 1960 demostraron que las determinaciones de igual sonoridad realizadas con 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 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 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 la impresión de sonoridad. Por estas razones, las curvas de igual sonoridad derivadas utilizando bandas de ruido muestran una inclinación ascendente por encima de 1  kHz y una inclinación descendente 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 como parte de la norma DIN 4550 para la medición de la calidad de audio , que diferían de la curva de ponderación A, mostrando un pico más pronunciado alrededor de los 6  kHz. Estas curvas proporcionaron una medida subjetiva más significativa del ruido en los equipos de audio, especialmente en las recién inventadas grabadoras de casete compactas 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 para determinar la mejor combinación de curva de ponderación y rectificador para la medición de ruido en equipos de radiodifusión, examinando las diversas curvas de ponderación en el contexto del ruido en lugar de los tonos. Se confirmó que eran mucho más válidas que la ponderación A para medir la sonoridad subjetiva del ruido. Este trabajo también investigó la respuesta del oído humano a ráfagas de tonos, clics, ruido rosa y otros sonidos que, debido a su brevedad e impulsividad, no dan al oído ni al cerebro tiempo suficiente para responder. Los resultados se publicaron en el Informe de BBC Research EL-17 1968/8, titulado « Evaluación del ruido en circuitos de audiofrecuencia» .

La curva de ponderación de ruido ITU-R 468 , propuesta originalmente en la recomendación CCIR 468, pero adoptada posteriormente 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 utilizada por emisoras y profesionales del audio cuando miden el ruido en las rutas de transmisión y los equipos de audio, de modo que pueden comparar subjetivamente tipos de equipos con diferentes espectros y características de ruido.

• Norma ISO
• Determinación precisa y de rango completo de contornos de igual sonoridad bidimensionales.
• Fletcher–Munson no es Robinson–Dadson (PDF)
• Revisión completa de las normas internacionales para curvas de nivel de igual sonoridad (ISO 226)
• Pon a prueba tu audición: una herramienta para medir tus contornos de igual sonoridad.
• Mediciones detalladas del contorno de igual sonoridad
• Evaluación de ponderaciones de nivel de sonoridad y LLSEL JASA
• Un modelo de sonoridad aplicable a sonidos variables en el tiempo (Artículo de la AESJ)