¿Cómo afecta la temperatura a la propagación del sonido?

Ingeniería acústica: Propagación del sonido y temperatura

En este artículo queremos explicaros precisamente cómo afecta la temperatura a la propagación del sonido y los fenómenos acústicos que implica, como por ejemplo por qué a veces podemos escuchar el sonido de forma más nítida por la noche que durante el día.

Cuando el sonido se propaga en ambiente exterior, distintos factores meteorológicos, tales como la temperatura, velocidad del viento o humedad relativa, pueden favorecer o dificultar significativamente su propagación. De este modo, la sensación de percepción del sonido puede variar en función de la meteorología y las condiciones ambientales, dándose efectos como que el sonido tiene mayor facilidad para propagarse sobre un suelo nevado o la aparición de sombras acústicas alrededor de una carretera en una tarde soleada.

Existe una relación directa entre la velocidad a la que se propaga el sonido y la temperatura del aire: A mayor temperatura, mayor velocidad del sonido. Además, esta dependencia provoca que cuando la temperatura varía con la altitud, las ondas de sonido curven su trayectoria facilitando o dificultando la propagación. A la variación de la temperatura con la altura se le conoce como gradiente de temperatura y podemos tener tres situaciones básicas: Gradiente negativo (temperatura decreciente con la altura), gradiente positivo (temperatura creciente con la altura) y gradiente escalonado (concatenación de más de un gradiente). En presencia de un gradiente de temperatura, el efecto es que el sonido tiende a curvarse en la dirección de menor velocidad del sonido. A continuación explicaremos brevemente que implicación tiene cada uno de ellos.

Gradiente de temperatura negativo: Es el más habitual y predominante a gran escala, ya que a gran altura siempre hace más frio que a baja altura. Esto es típico de una tarde soleada, cuando el sol ha calentado durante horas las capas superficiales del suelo y existe una transferencia de temperatura des del suelo hacia las capas adyacentes de aire. En este caso, las ondas de sonido se curvarán hacia arriba desde la fuente de ruido, provocando la aparición de una zona de sombra circular alrededor de la fuente.

Gradiente de temperatura positivo: Esta situación, también conocida como inversión térmica, implica que la temperatura aumenta con la altitud y es común de noche, ya que el aire que está en contacto con la superficie se enfría rápidamente porque ahora el calor es absorbido por el suelo.Esta situación también puede darse en un día soleado sobre nieve o agua. Suele suceder sólo hasta una determinada altura a partir de la cual el gradiente recupera el signo negativo. En este caso, las ondas de sonido se curvaran hacia el suelo, eliminando la zona de sombra y pudiendo llegar a provocar un aumento de 5 a 6 dBA con relación al gradiente negativo habitual. Este efecto explica por qué el sonido viaja mucho mejor de noche, ya que su tendencia de propagación es a lo largo del suelo en lugar de radiar hacia arriba.

Gradiente de temperatura escalonado: Se trata de una situación menos habitual y que dura poco tiempo, normalmente al amanecer o ante cambios de tiempo. Suele empezar con un gradiente negativo, un tramo positivo y un segundo gradiente negativo habitual. Los frentes de onda tienden a curvarse según el signo del gradiente, dando lugar a un “efecto túnel”, y puede provocar tanto zonas de sombra como canales en los que la distancia de propagación puede ser muy lejana.

Figura: Curvatura de los frentes de onda en un gradiente negativo (izquierda) y positivo (derecha) [ref]J.S. Lamancusa – Penn State 2009

Para las ingenierías acústicas resulta muy importante entender estos fenómenos para poder llevar a cabo medidas de ruido fiables. Un ingeniero poco riguroso podría obtener resultados muy divergentes en función del momento de medida: Si lleva a cabo las medidas en una tarde soleada, obtendrá valores habitualmente bajos; si en cambio las medidas se llevan a cabo en un día cubierto, al atardecer o por la noche, los valores medidos serán más representativos del nivel equivalente.

La predicción de cómo estos efectos alteran el nivel de ruido a esperar en un receptor dado es complicada: Aunque existen algunos modelos de propagación que permiten especificar cómo varia la velocidad el sonido en función de la altura (p. ej. Nord2000 o Harmonoise), la tendencia habitual actual (p. ej. modelo ISO 9613-2) es calcular los niveles de ruido obviando la existencia de zonas de sombra acústica. Por consiguiente, las predicciones realizadas mediante los modelos habituales (softwares como CadnaA ©, Predictor – LimA ©, SoundPLAN ©) siempre serán más representativas de una situación de inversión térmica moderada (como sucede habitualmente de noche) o del nivel equivalente “promedio” que se obtendría en una medición de larga duración.