Entender la acústica de una sala – Reverberación (parte 2)

La acústica de un recinto es bastante compleja. Vamos a ver qué es la reverberación y cómo afecta al sonido.

Este artículo forma parte de la serie sobre acústica y tratamiento acústico de un recinto.

Vamos a intentar entender cómo se comporta el sonido dentro de una habitación y qué efectos negativos y positivos tiene la acústica de la habitación sobre el sonido en general y en concreto sobre el sonido que recoge un micrófono.

Estos artículos de acústica van a ser un poco técnicos pero he intentado hacer que sea muy visual y fácil de digerir.

Mi idea es que de alguna forma se entienda, al menos de de forma intuitiva, qué ocurre con el sonido en un recinto cerrado.

Sin entender esta parte es muy difícil entender cómo funciona el tratamiento acústico de una sala.

Sé que todos queremos ir a la receta fácil: ‘cómo mejorar la acústica de mi estudio de grabación o mi home studio en 5 minutos con un trozo de espuma y una pegatina’. Pero eso lamentablemente no funciona así…

Vamos entonces con el rollo técnico:

 

 

Qué es la acústica de una sala

El concepto intuitivo es muy sencillo.

Tenemos un recinto cerrado, una habitación de nuestra casa por ejemplo, y ponemos una fuente de sonido y algo que se encargue de recibir el sonido: nuestros oídos o un micrófono.

Las ondas de sonido salen de la fuente sonora y se transmiten de forma esférica a partir del origen, a través del aire de la habitación.

Las superficies rígidas funcionan como espejos para estas ondas de presión.

Las ondas de sonido siguen los mismos principios que la luz (en su comportamiento como onda): reflexión, refracción, absorción, dispersión…

 

Acústica. Reflexión de ondas de sonido en una superficie rígida

 

Vamos a suponer por ejemplo que damos una palmada fuerte: un sonido acotado en el tiempo.

Nuestros oídos recogen en primer lugar la onda directa que llega desde las manos.

Pero la onda se difunde por toda la habitación (a la velocidad del sonido, aproximadamente 344 m/s) y se va reflejando en las diferentes superficies rígidas: paredes, techo, suelo, ventanas, puertas…

Las reflexiones primarias (o primeras reflexiones) son las ondas que llegan al oído tras rebotar en las superficies más cercanas.

Por ejemplo si una de las paredes está a 4 metros, una reflexión primaria nos llegará con unos 20 milisegundos (ms) de retardo con respecto al sonido directo: tiene que recorrer 4 metros hasta la pared y 4 metros desde la pared hasta nuestro oído.

La intensidad del sonido disminuye con el cuadrado de la distancia.

Por ejemplo para esos 8 metros (ida más vuelta) de una reflexión primaria, la intensidad llegará reducida en un factor 64, suponiendo una reflexión perfecta sin absorción.

Como es un recinto cerrado la mayoría de esas ondas van a seguir rebotando en diferentes superficies, perdiendo algo de energía en cada reflexión y en cada tramo recorrido.

Las primeras reflexiones son fáciles de identificar: son versiones del sonido directo que llegan con menor intensidad pero espaciadas en ciertos intervalos de tiempo.

 

Reflexiones de las ondas de sonido y reverberación

 

Pero a partir de un cierto instante a partir de la palmada inicial la densidad de reflexiones comienza a ser muy alta porque muchas trayectorias diferentes tendrán tiempos de propagación similares.

Llegados a ese punto ya no somos capaces de identificar reflexiones individuales.

Se genera lo que se conoce como campo difuso: un número enorme de ondas de sonido (gran densidad), cada una de ellas siguiendo una ‘trayectoria’ aleatoria y repartidas de forma uniforme por toda la sala.

Este campo difuso de ondas reflejadas es lo que se conoce como campo reverberante o reverberación.

 

 

Comportamiento del sonido según su frecuencia

Esta parte es quizás la más importante.

Es fácil imaginar un sonido como algo ‘sólido’ que se desplaza por ahí y rebota como una pelota.

Pero hay que entender que el sonido no tiene un comportamiento homogéneo, sino que cada onda va a interaccionar con el entorno de forma diferente según su frecuencia.

La longitud de onda nos da idea de cómo es físicamente con respecto a su entorno.

Las ondas que corresponden a sonidos de baja frecuencia (graves) tienen una longitud de onda muy grande, del orden de metros.

Las ondas que corresponden a sonidos de alta frecuencia (agudos) tienen una longitud de onda pequeña, del orden de centímetros.

Una onda sólo puede interaccionar de forma efectiva con objetos que tengan un tamaño similar a su longitud de onda.

Por ejemplo, una onda de sonido de alta frecuencia va a interaccionar con prácticamente todos los objetos que haya en una sala: va a reflejarse en sus superficies, va a ser absorbida parcial o totalmente según el material del objeto, etc.

Una onda de baja frecuencia no ‘ve’ esos objetos pequeños que están por debajo de su longitud de onda. Sólo puede interactuar con superficies grandes (paredes, techos…).

La interacción de una onda de baja frecuencia con elementos pequeños es muy baja, es como si fueran transparentes para ese tipo de ondas.

Vamos a intentar visualizarlo con un ejemplo en el que colocamos un elemento de absorción en una pared, por ejemplo un trozo de espuma acústica:

 

Interacción de la onda según su frecuencia

 

Las ondas de la imagen no están a escala, pero se puede intuir que simplemente por cuestiones de tamaño, la efectividad de ese elemento de absorción va a ser muy buena para las frecuencias altas, será menos efectiva con las frecuencias medias y no afectará en prácticamente nada a las frecuencias bajas.

En una habitación típica con muebles, cuadros, cortinas, etc. las frecuencias altas tendrán un nivel de absorción y difusión mucho mayor, por su interacción con todos esos elementos.

Las frecuencias medias seguramente también tendrán cierta absorción y difusión.

Y la reflexión que corresponde a las frecuencias bajas será probablemente la que menos se vea afectada, la que menos atenuación tendrá.

 

 

Acústica de una sala y efectos sobre el sonido

Hemos hablado de la reverberación, que es un poco el término que se utiliza coloquialmente para todo lo que tiene que ver con el sonido y la acústica en una sala.

Habrás visto mil veces conversaciones del estilo:

– «Esta habitación tiene muy mala acústica, tiene mucha reverberación…»
– Alguien da una palmada… «¿Oyes la reverberación?…»
– «Si me pongo aquí hay mucha más reverberación y suena peor…»

 

Pero lo cierto es que en un recinto cerrado se producen un montón de fenómenos relacionados con el sonido, y cada uno de ellos provoca una serie de efectos:

 

  • Reverberación
  • Primeras reflexiones o reflexiones primarias
  • Ecos flotantes
  • Modos resonantes (modos de la sala o modos propios)
  • Resonancias de objetos

 

En este artículo nos vamos a centrar en la reverberación.

Los demás fenómenos los iremos viendo en los siguientes artículos de la serie.

 

¿Qué es la reverberación?

Ya lo hemos visto en la introducción: la reverberación es esa masa difusa de ondas reflejadas que se reparten de forma uniforme por la sala.

 

Reflexiones de las ondas de sonido y reverberación

 

La podemos entender como una especie de energía sonora que almacena la sala durante un cierto tiempo.

Se dice que es reverberación cuando la energía se distribuye de forma aleatoria y uniforme por la sala.

Las primeras reflexiones, los ecos flotantes, lo modos propios… todos esos fenómenos no son reverberación. Están localizados en el espacio de la sala o están perfectamente identificados en el tiempo, y sus efectos son diferentes.

 

¿Cómo se percibe la reverberación?

Yo la imagino visualmente como la estela que deja un barco en el mar.

El barco sería el sonido original y la estela es esa cola reverberante que lo acompaña.

Desde el punto de vista de la percepción, creo que una buena analogía podría ser imaginar que ‘vemos’ el sonido a través de un objetivo con un ligero desenfoque.

Pero en el caso del sonido ese desenfoque ligero suele ser placentero, sobre todo en salas grandes.

La reverberación se percibe en el cerebro como una información del volumen o la amplitud de la sala.

Un sonido sin reverberación no suena muy natural, es como escuchar a una persona o un instrumento a pocos centímetros de la cara o en un lugar muy abierto como un desierto o algo así.

En los estudios de grabación se graba a veces en salas con poca reverberación o con el micrófono muy cerca de la fuente para minimizar su influencia. Pero luego en edición se le aplica una reverberación artificial para dar esa sensación de espacio, de aire.

 

Reverberación y claridad del sonido

La reverberación a partir de cierto nivel afecta a la claridad del sonido.

Imagina una serie de barcos moviéndose a cierta velocidad en fila, uno detrás de otro y relativamente cerca entre sí.

Los vemos desde arriba, desde un helicóptero, a bastante altura. En función de la velocidad de los barcos y la separación llega un momento en que las estelas se solapan. Se nos hace más difícil distinguir cada barco de forma clara y precisa.

Se nos emborrona el sonido, por decirlo de alguna forma, y perdemos claridad. Tenemos un desenfoque que ya empieza a ser molesto, porque no nos deja identificar bien los detalles.

Por ejemplo en la voz hablada es muy importante que la reverberación no llegue a interferir con la estructura de las sílabas.

El problema es sobre todo la combinación entre el tiempo que tarda en decaer la cola de reverberación y la relación entre el nivel del sonido original y el nivel de la reverberación.

Y esto último depende de la colocación del micrófono y la fuente de sonido.

 

Reverberación en la música

En música la reverberación es muy importante para ofrecer esa experiencia de volumen, de algo físico real, de instrumentos y personas que están tocando en un escenario o en una sala de conciertos.

En recintos muy grandes con tiempos tan largos entre reflexiones, y sobre todo para algunos tipos de música, la reverberación aporta además una especie de riqueza armónica muy característica y que resulta muy placentera al oído.

Podríamos decir que la reverberación es algo natural y que las sensaciones que genera en la persona que escucha tienen que ver con la combinación entre la duración de la cola reverberante (tiempo de reverberación) y los niveles relativos de la señal original con respecto a los de esa cola de reverberación.

 

Reverberación en salas pequeñas

En una sala pequeña la reverberación tiende a generar un efecto más bien negativo, sobre todo cuando se trata de voz hablada.

Si grabamos por ejemplo en una sala pequeña con cierto nivel de reverberación y además colocamos el micrófono a mucha distancia de la fuente: el resultado será en general bastante pobre porque el nivel de intensidad que corresponde a la reverberación se ‘come’ al del sonido original.

 

 

Eco vs reverberación

Se suele decir que el eco y la reverberación son el mismo fenómeno pero que es eco cuando la onda reflejada tarda más de 0.1 segundos (100 ms) en llegar al oído.

Pero digamos que sería una definición muy simplista.

El eco, desde el punto de vista de la percepción humana, es un sonido reflejado que llega al oído pasado un cierto tiempo (a partir de 50-100 ms) con respecto al sonido original.

Si el sonido reflejado llega con un retardo menor el oído no es capaz de identificarlo como un elemento independiente, simplemente lo integra (lo combina) con el sonido original.

Además se suele considerar eco si el cerebro es capaz de identificar de alguna forma al sonido original en ese sonido reflejado.

El ejemplo más claro de eco es el que todos imaginamos: gritar hacia una montaña y recibir la reflexión (una copia de lo que dijimos) al cabo de cierto tiempo. Ahí el tiempo de reflexión es muy alto.

En una sala los tiempos de reflexión son más pequeños y no hay una única onda reflejada: están las primeras reflexiones y toda la ‘masa’ del campo difuso.

La percepción de los ecos en ese entorno es mucho más sutil.

Los ecos molestos corresponden con ciertas reflexiones que llegan a partir de esos 50ms con un nivel de intensidad alto con respecto al sonido de fondo en ese instante.

Por ejemplo es fácil percibir ecos de un golpe seco (sonido impulsivo) como el de una palmada, pero es más difícil percibir eco como tal escuchando una canción en las mismas condiciones.

La voz hablada estaría en un punto intermedio porque en cierta forma está formada por impulsos y silencios.

En una sala pequeña sólo vamos a percibir los llamados ecos flotantes, que veremos más adelante. Se notan como una especie de vibración metálica que sigue al sonido original.

La reverberación (esa energía sonora en campo difuso) la percibe el cerebro de forma diferente. El oído no es capaz de separar o detectar sonidos individuales en esa mezcla de ondas.

Lo que percibimos como reverberación es la integración que hace el oído del sonido principal junto con esa estela de energía sonora que lo va siguiendo constantemente.

 

 

Caracterizar una sala: tiempo de reverberación

Volvemos al ejemplo de la palmada que ya vimos al principio.

Tras la palmada nos llega a los oídos el sonido directo, las reflexiones primarias e infinitas reflexiones secundarias, que incluyen todos los rebotes que puedas imaginar en el interior de la sala hasta que las ondas tienen una amplitud tan pequeña que se pierden entre el ruido de fondo.

 

Reverberación de una sala - Caracterización

 

La relación entre los niveles y los tiempos del sonido directo, las reflexiones primarias y el campo reverberante es muy compleja porque depende de la posición relativa de la fuente de sonido y el micrófono.

Nos interesaría de alguna forma quitar de la ecuación a la fuente y al micrófono, para dejar sólo el comportamiento de la sala.

Este comportamiento se describe de una forma global con el tiempo de reverberación.

 

Para entender mejor el tiempo de reverberación creo que es buena idea ver cómo se puede medir en una sala real (hay varias formas):

1.- Se coloca una fuente de sonido en alguna posición de la sala y un micrófono en otra posición.

2.- Se activa la fuente de sonido (p.e. con ruido rosa, pero eso nos da igual ahora)

3.- La sala, que inicialmente estaba en reposo, se llena con el sonido directo y todas las reflexiones que generan el campo reverberante

4.- Se apaga la fuente de sonido en un determinado instante.

5.- El sonido directo que recoge el micrófono desaparece

6.- Poco después llegan las reflexiones primarias, que dependen de las posiciones relativas de micrófono y fuente

7.- A partir de un cierto momento sólo llega la masa de reflexiones secundarias que forman parte de la reverberación de la sala.

8.- Descartamos las reflexiones primarias y vemos cuánto tarda en decaer el nivel de reverberación. Una referencia fácil de medir puede ser una caída de 20dB por ejemplo (nos dará el RT20, tiempo de reverberación para una caída de 20dB)

 

Medir el tiempo de reverberación de una sala

 

La intensidad de cada onda dentro de esa masa aleatoria decae siguiendo una ley cuadrática inversa (distancia al cuadrado). Cuando la representamos en una escala logarítmica (dB) aparece como una recta. La pendiente de esa recta depende del volumen de la sala y de su capacidad de absorción.

 

Se usa como referencia estándar el tiempo de reverberación a 60dB, que recibe el nombre de RT60 (RT = reverberation time,  para una caída de 60dB).

En una situación real sería muy difícil medir el RT60 directamente, por cuestiones prácticas. Necesitaríamos una intensidad de sonido brutal para que la señal a -60dB quede por encima del ruido de fondo de la sala y sea medible.

Lo que se hace es medir el RT20 y considerar que la pendiente permanece constante. RT60 se estima entonces como 3 x RT20.

Como la colocación del micrófono y la fuente influyen bastante (y también los modos propios de la sala y los ecos flotantes como veremos más adelante) se repite el proceso cambiando de posición tanto el micrófono como la fuente de sonido. Y además se repiten varias veces las medidas en cada posición para tener una mejor representación estadística.

El tiempo de reverberación de una sala (RT60) es una media, una forma de caracterizar el comportamiento de ese recinto de una forma sencilla.

Sólo depende de la sala (se ha intentado eliminar el efecto de la posición de fuente y micrófono) y sería digamos una primera aproximación para tener una idea inicial de cómo es la acústica del recinto.

A partir del estudio de muchos recintos (teatros, salas de conciertos, iglesias, salas de grabación…) y la percepción que tenemos los humanos, que es algo totalmente subjetivo y depende de la experiencia personal, se han establecido ciertos valores recomendados en función del volumen del recinto y el tipo de uso.

Por ejemplo, la BBC publicó en 1971 BBC Guide to Acoustic Practice, revisado y reeditado posteriormente (p.e. 1990), que puede ser una buena referencia. Pero puedes encontrar muchas tablas de tiempos de reverberación recomendados.

 

Tiempos de reverberación recomendados para salas

 

Como hemos comentado, en salas muy pequeñas la reverberación suele tener un efecto más bien negativo y se intenta reducir su tiempo de reverberación.

En salas grandes y para música la reverberación suele tener un efecto más placentero.

 

Reverberación en función de la frecuencia

A partir de lo que vimos sobre la longitud de onda del sonido y como interactuaba con el entorno, podemos intuir que que en una sala normal la frecuencia afecta a la reverberación.

Las ondas de alta frecuencia tienen mucha más interacción con cualquier elemento absorbente. Mientras que las ondas de baja frecuencia apenas van a interactuar: su energía va a permanecer más tiempo.

Por lo tanto, el tiempo de reverberación de una sala típica (con algo de absorción) será diferente según la frecuencia que estemos analizando:

Tiempo de reverberación según la frecuencia

 

Para caracterizar correctamente el tiempo de reverberación de una sala es necesario tener en cuenta su comportamiento en diferentes frecuencias.

Normalmente se utiliza una representación en octavas:

 

Reverberación de una sala en función de la frecuencia

 

Una sala con un tiempo de reverberación muy bajo se dice que es una sala seca o sala muerta. Un ejemplo extremo sería una cámara anecoica, en la que no hay ninguna reflexión.

Una sala con un tiempo de reverberación muy alto se dice que es una sala viva. Un ejemplo extremo sería un cuarto de baño, un túnel pequeño, un pozo, o una cámara reverberante.

 

Estimar la reverberación. Fórmula de Sabine

Ya hemos visto qué es la reverberación y cómo podemos caracterizar el comportamiento de una sala mediante el tiempo de reverberación.

La reverberación de una sala tiene que ver con su volumen y con la capacidad de absorción de las superficies que hay en su interior.

Mayor volumen implica que las ondas tienen que recorrer más distancia entre reflexiones y estarán más tiempo revoloteando por la sala.

La capacidad de absorción influye en que una parte de esas ondas desaparecen y dejan de contribuir a las reflexiones, haciendo que la energía del campo reverberante decaiga más rápidamente.

La fórmula de Sabine nos da una primera aproximación rápida al tiempo de reverberación de un recinto:

TR = 0.161 * V / A 

V = volumen del recinto en metros cúbicos
A = área de absorción (superficie de absorción en metros cuadrados, ponderada por el coeficiente de absorción del material)

Vamos a verlo con algunos ejemplos.

 

Estimar el tiempo de reverberación de una habitación

Vamos a tomar como ejemplo una habitación que mide 4m x 3m x 2.5m

El techo es de cemento (hormigón). El suelo de parquet (sobre hormigón). Las paredes son tabiques de lámina de yeso (pladur) con cámara interior rellena de lana de fibra de vídrio.

Vamos a estimar para la habitación vacía. Vamos a despreciar el efecto de la puerta y si tuviera alguna ventana pequeña.

Calculamos el volumen: unos 30 metros cúbicos.

Ahora vamos a ir calculando la superficie de cada elemento por separado, ponderada por el coeficiente de absorción correspondiente.

El cálculo habría que hacerlo para varias frecuencias, pero por simplificar nos vamos a quedar con una estimación a 1000Hz.

Buscamos la información sobre coeficientes de absorción de cada material (a 1kHz):

  • Hormigón pintado. Absorción = 0.02 ; Superficie = 12 m2
  • Parquet. Absorción = 0.06 ; Superficie = 12 m2
  • Paredes. Absorción = 0.03 ; Superficie = 35 m2

 

Área de absorción:  12 x 0.02 + 12 x 0.06 + 35 x 0.03 = 2 m2

Y a partir de la fórmula de Sabine:

TR60 = 0.161 * 30 / 2 = 2.4 segundos

Como puedes imaginar, la reverberación en esa habitación será muy perceptible y molesta.

 

Vamos a ver por curiosidad qué pasaría si colocamos una cortina gruesa en una de las paredes (sería como sustituir una de las paredes cortas por el material de la cortina).

  • Cortina gruesa de algodón, con pliegues. Absorción: 0.65 ; Superficie: 7.5 m2
  • Paredes. Absorción = 0.03 ; Superficie = 35 – 7.5 = 27.5 m2

 

Recalculamos el área de absorción: 12 x 0.02 + 12 x 0.06 + 27.5 x 0.03 + 7.5 x 0.65 =  6.7 m2

Recalculamos con la fórmula de Sabine:

TR60 = 0.161 * 30 / 6.7 =  0.7 segundos

 

Según esa estimación habríamos bajado el tiempo de reverberación bastante. Todavía seguiría siendo una sala muy viva para grabación, pero la idea es que colocando material absorbente podemos controlar la reverberación.

Recuerda que sólo hemos hecho la estimación a 1 kHz. Los problemas suelen venir sobre todo en baja frecuencia, donde la absorción es menos efectiva.

Ten en cuenta también que hay varios métodos de estimación de la reverberación de un recinto.

Estas fórmulas sencillas están basadas en el comportamiento estadístico del sonido en ese régimen de campo difuso.

Para ver el comportamiento de una sala real hay que hacer mediciones. Las estimaciones sólo dan una primera aproximación.

 

¿Sala viva o sala seca en grabación?

Una sala seca (dry room) o sala muerta es aquella que tiene muy poca reverberación.

Una sala viva (wet room) es una que tiene un cierto nivel de reverberación, que es apreciable en el sonido que escuchamos o grabamos.

En una sala viva también se distingue el tipo reverberación.

Un sala con brillo sería aquella que tiene más reverberación en las frecuencias altas.

Una reverberación oscura sería la que corresponde a una sala en la que predomina la reverberación a baja frecuencia.

Para grabar música (dependiendo del instrumento) normalmente se prefiere una sala con algo de vida. Es decir, con una reverberación que podríamos considerar natural y que nuestros oídos perciben como placentera.

Para voz hablada en general se prefiere una sala más seca, porque lo que se busca sobre todo es la claridad: que se entienda perfectamente lo que dice una persona, con todos sus matices, etc. sin que la reverberación pueda interferir o reducir significativamente esa claridad.

En un estudio profesional de grabación es posible que la voz se grabe en una sala seca y después se le da algo de vida (reverberación) en edición.  De esta forma se tiene mucho más control.

Si grabamos en un estudio casero creo que en un punto medio estaría la virtud, pero esto es ya algo muy subjetivo. Si conseguimos en la sala un tiempo de reverberación del orden de medio segundo o más pequeño sería ideal.

En cualquier caso, si conseguimos eliminar la reverberación y los problemas acústicos más graves, esa reverberación ‘natural’ que nos queda no va a sonar mal.

 

 

Resumen sobre la reverberación

Vamos a intentar resumir todo en unas cuantas ideas básicas:

  • Coloquialmente la reverberación hace referencia a un conjunto de fenómenos y efectos, pero la reverberación es un fenómeno concreto dentro de la acústica de una sala
  • La reverberación depende sobre todo del volumen de la sala y de su capacidad de absorción acústica
  • Es un fenómeno natural al que estamos acostumbrados en nuestro día a día
  • La reverberación moderada se percibe como sensación de volumen (en el sentido de espacio, de que el sonido se genera en un recinto real con un determinado volumen físico)
  • A partir de ciertos niveles, la reverberación puede resultar molesta, nos puede distraer, puede afectar al entendimiento de la palabra hablada o incluso puede llegar a resultar desagradable
  • La reverberación en una sala pequeña suele tener un efecto más bien negativo
  • La reverberación en un recinto muy grande suele ser más tolerable y en algunos casos favorece la experiencia
  • Para grabación de música se suele preferir una sala con algo de vida (reverberación moderada)
  • Para grabación de voz, sobre todo voz hablada, se prefiere una sala más bien seca (poca reverberación)

 

 

Parte 3 – Acústica: Reflexiones primarias

Qué son las reflexiones primarias y cómo afectan al sonido