Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio

UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ESCUELA DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Y ELECTRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERA Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio. TITULACIÓN: Ingeniero Técnico de Telecomunicación en Sonido e Imagen TUTOR: Eduardo Hernández Pérez AUTOR: Alberto Clavijo Rodríguez FECHA: Junio 2015 UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ESCUELA DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Y ELECTRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERA Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio. Presidente: Secretario: Vocal: Tutores: Autor: NOTA: TITULACIÓN: Ingeniero Técnico de Telecomunicación en Sonido e Imagen TUTOR: Eduardo Hernández Pérez AUTOR: Alberto Clavijo Rodríguez FECHA: Junio 2015 Agradecimientos A mi familia, a mis padres Bernardo y Alexia, por el enorme esfuerzo que han realizado siempre para que yo pueda llegar hasta aquí. A mi hermano Bernardo por ser siempre un referente en mi vida. A mi abuela Margarita, mi compañera de piso durante todos estos años, ¡gracias! A Idaira, por tu sonrisa, por apoyarme, por comprenderme, por dedicarme tu tiempo, por estar siempre a mi lado, por saber sacar lo mejor de mí. A Tinguaro y Jacob, compañeros de aventuras, gracias por acogerme y acompañarme en mi viaje. A los hermanos Junior, Alberto y Ana Vera, por vuestra ayuda polifacética incondicional. A mis queridos chincheteros, por poner banda sonora a toda mi carrera universitaria. A mis compañeros: Aarón, Yeray, Pepillo, Jozetxu, Elías, Lupo, Osiris, Julio, Humphrey, Golo, Idafe, etc., por todos esos momentos, ¡gracias! A Jesús Mendoza, por eliminar las barreras que separan el mundo laboral del académico, por todo lo que aprendí trabajando contigo, que me ha hecho capaz de afrontar un proyecto tan ambicioso como éste. A Eduardo Hernández, por tu paciencia infinita, por compartir tu conocimiento, por saber orientar y poner orden a mis disparatadas ideas, por hacerme sentir orgulloso de trabajar contigo. A Manuel Medina y Juan Manuel Caballero, por acompañarme día a día en esta etapa de mi carrera. A Juan Domingo, por ayudarme a resolver cualquier problema que se presentara. A Iván Guerra, por estar siempre disponible para echar una mano. A todos, ¡Muchas gracias! MEMORIA 1. Introducción .....................................................................................................................................................................3 1.1. Antecedentes .........................................................................................................................................................3 1.2. Peticionario del proyecto ......................................................................................................................................3 1.3. Descripción y Objetivos del Proyecto ..................................................................................................................3 1.4. Plan de Desarrollo .................................................................................................................................................4 1.5. Estructura de la Memoria y el CD ........................................................................................................................4 1.6. Resumen de los capítulos .....................................................................................................................................5 2. Conceptos teóricos ...........................................................................................................................................................7 2.1. El oído humano .....................................................................................................................................................7 2.1.1. Anatomía y fisiología del oído ........................................................................................................................7 2.1.1.1. Oído externo ............................................................................................................................................7 2.1.1.2. Oído medio ..............................................................................................................................................9 2.1.1.3. Oído interno ...........................................................................................................................................11 2.1.1.4. Vías auditivas .........................................................................................................................................17 2.1.2. Protecciones del oído ....................................................................................................................................20 2.1.2.1. Protecciones del oído externo ...............................................................................................................21 2.1.2.2. Protecciones del oído medio .................................................................................................................21 2.1.2.3. Protecciones del oído interno ................................................................................................................22 2.1.3. Patologías .......................................................................................................................................................22 2.1.3.1. Presbiacusia y socioacusia.....................................................................................................................22 2.1.3.2. Desplazamiento temporal del umbral ...................................................................................................23 2.1.3.3. Hipoacusia..............................................................................................................................................24 Hipoacusia conductiva .............................................................................................................................................24 Hipoacusia perceptiva ..............................................................................................................................................25 Hipoacusia profesional .............................................................................................................................................27 3. Normativa.......................................................................................................................................................................29 3.1. Antecedentes históricos ......................................................................................................................................29 3.2. Desplazamiento del umbral de audición ............................................................................................................36 3.2.1. UNE EN ISO 7029-2000 ..............................................................................................................................36 3.2.1.1. Introducción ...........................................................................................................................................36 3.2.1.2. Desviación del umbral de audición .......................................................................................................37 3.2.2. UNE 74-023-1992 (ISO 1999:2013) ............................................................................................................43 3.2.2.1. Introducción ...........................................................................................................................................43 3.2.2.2. Medición del ruido ................................................................................................................................ 44 3.2.2.3. Hipoacusia inducida por el ruido .......................................................................................................... 49 3.3. Maniquí ............................................................................................................................................................... 56 3.3.1. UNE EN ISO 11904-2005 ............................................................................................................................ 56 3.3.1.1. Parte 2: Técnica que utiliza un maniquí ............................................................................................... 57 4. Diseño del prototipo ...................................................................................................................................................... 62 4.1. Introducción ........................................................................................................................................................ 62 4.2. Elementos Hardware .......................................................................................................................................... 62 4.2.1. La cápsula electret ........................................................................................................................................ 62 4.2.1.1. Modificación Linkwitz.......................................................................................................................... 63 4.2.1.2. Polarización mediante alimentación Phantom ..................................................................................... 64 4.2.2. Preamplificador de micrófono ...................................................................................................................... 65 4.2.2.1. Circuito de salida balanceada ............................................................................................................... 65 4.2.2.2. Mejora en el circuito balanceado .......................................................................................................... 65 4.2.2.3. Circuito definitivo ................................................................................................................................. 66 4.2.2.4. Diseño de PCB ...................................................................................................................................... 66 4.2.2.5. Características ....................................................................................................................................... 68 4.2.3. Auriculares de medida .................................................................................................................................. 69 4.2.3.1. Características ....................................................................................................................................... 70 4.2.4. El maniquí ..................................................................................................................................................... 71 4.2.4.1. Características ....................................................................................................................................... 77 4.2.4.2. Proceso de elaboración ......................................................................................................................... 85 4.2.5. Conexionado del sistema .............................................................................................................................. 90 4.2.6. Caracterización del sistema .......................................................................................................................... 92 4.2.6.1. Preamplificador de micrófono .............................................................................................................. 96 Respuesta en frecuencia ........................................................................................................................................ 101 Distorsión ............................................................................................................................................................... 103 Ruido de fondo....................................................................................................................................................... 104 4.2.6.2. La cápsula electret ............................................................................................................................... 105 Respuesta en frecuencia ........................................................................................................................................ 105 Ruido de fondo....................................................................................................................................................... 107 5. Sistema para la Estimación de Pérdidas Auditivas Inducidas por el Ruido. SEPAIR.............................................. 110 5.1. SEPAIR, un programa predictor de exposición al ruido................................................................................. 110 5.2. Adquisición y tratamiento de la señal.............................................................................................................. 110 5.3. Algoritmos para análisis de exposición al ruido ............................................................................................. 111 5.4. Organización funcional de SEPAIR................................................................................................................ 115 5.5. Procedimientos de análisis y evaluación de la exposición al ruido ............................................................... 116 5.6. Calibración del sistema .................................................................................................................................... 118 5.7. Incertidumbre en la medida ............................................................................................................................. 120 6. Conclusiones y posibles ampliaciones ....................................................................................................................... 121 7. Bibliografía ................................................................................................................................................................. 123 PLANOS 8. Planos .......................................................................................................................................................................... 127 PLIEGO DE CONDICIONES 9. Pliego de Condiciones Técnicas ................................................................................................................................. 143 9.1. Requisitos de la Aplicación ............................................................................................................................. 143 9.1.1. Requisitos Hardware .................................................................................................................................. 143 9.1.1.1. Elementos hardware comerciales ....................................................................................................... 143 Micrófono de medida ............................................................................................................................................ 143 Calibrador acústico ................................................................................................................................................ 144 Tarjeta de sonido ................................................................................................................................................... 145 9.1.1.2. Elementos hardware elaborados ......................................................................................................... 147 9.1.2. Requisitos Software.................................................................................................................................... 149 9.1.2.1. El entorno MATLAB ......................................................................................................................... 149 9.1.2.2. Toolbox de adquisición de datos ........................................................................................................ 149 10. Manual de Funcionamiento ........................................................................................................................................ 153 10.1. Introducción ..................................................................................................................................................... 153 10.2. Funcionamiento General y Ejemplos .............................................................................................................. 156 11. Pliego de Condiciones Legales .................................................................................................................................. 161 11.1. Concesión de licencia ...................................................................................................................................... 161 11.2. Derechos de autor ............................................................................................................................................ 161 11.3. Restricciones .................................................................................................................................................... 161 11.4. Limitación de responsabilidad......................................................................................................................... 161 11.5. Varios ............................................................................................................................................................... 162 Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 1: Introducción 6 Bloque II - Planos Capítulo 8 Planos Diagramas, esquemas y planos que muestran las dimensiones y conexiones de los elementos del sistema. Bloque III - Pliego de condiciones Capítulo 9 Pliego de condiciones técnicas Requerimientos software y hardware para poder ejecutar el proyecto, características técnicas de los equipos comerciales empleados. Capítulo 10 Manual de funcionamiento Guía de utilización de la herramienta. Capítulo 11 Pliego de condiciones legales Concesiones de licencia y derechos de autor. Bloque IV - Presupuesto Capítulo 12 Presupuesto Desglose de los importes de todos los elementos que componen el proyecto: Trabajo tarifado por tiempo empleado; amortización de elementos hardware y software; derechos de visado; gastos de encuadernación, tramitación y envío; aplicación de impuestos e importe total. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 7 2. Conceptos teóricos 2.1. El oído humano El sentido de la audición es quizás el más importante de los que disfrutamos. Se trata de un eficaz sistema de alarma, permite detectar el mundo y además conocerlo. Los más profundos pensamientos se interpretan en nuestra mente mediante el lenguaje, ya sean filosóficos o matemáticos, por ello es especial su conocimiento. El órgano receptor está ubicado en el hueso temporal a ambos lados del cráneo, desde donde se transmiten las señales acústicas por medio de estímulos eléctricos a los lóbulos temporales del cerebro, lugar que integra la percepción de la audición [2]. 2.1.1. Anatomía y fisiología del oído La audición humana está formada, al igual que la de todos los mamíferos, por cuatro partes bien diferenciadas, denominadas oído externo, oído medio, oído interno y vías auditivas [2]. A las tres primeras partes, que realizan respectivamente un procesamiento acústico, mecánico y eléctrico de la señal sonora, se le agrega el posterior procesamiento neurológico con progresivos niveles de complejidad hasta llegar a la corteza cerebral, donde se llevan a cabo los procesos intelectuales superiores como la comprensión inteligente de la palabra y la música [3]. Figura 2.1 Corte transversal del oído derecho, en el cual se muestran las partes anatómicas más representativas del aparato auditivo [3]. 2.1.1.1. Oído externo El oído externo está formado por el pabellón u oreja y el canal auditivo (Figura 2.1). La oreja cumple la función de focalizar el sonido hacia el canal auditivo, produciendo un Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 8 acoplamiento más efectivo entre la baja impedancia acústica del aire y la más alta del tímpano. Este acoplamiento incrementa el campo sonoro en el canal auditivo unos 5 dB con respecto a si no existiera la oreja, especialmente alrededor de los 5,5 kHz, que corresponde a la resonancia del pabellón. Otra función importante es la de ayudar a la localización direccional del sonido. En otros animales, la oreja está bajo control muscular voluntario o reflejo, permitiendo orientarla hasta lograr la máxima sensibilidad. En el ser humano esta función está casi completamente atrofiada, y se sustituye por movimientos de la propia cabeza. El canal auditivo es un tubo algo curvado que comunica la oreja con el tímpano. En promedio mide unos 7 mm de diámetro y unos 25 mm de longitud, y desempeña dos funciones: la de proteger al tímpano, haciéndolo virtualmente inaccesible desde fuera, y la de enfatizar por resonancia la región del espectro más importante para la inteligibilidad de la palabra. En efecto, la primera frecuencia de resonancia de un tubo abierto en un extremo está dada por 𝑓= 𝑐 4𝐿 Ecuación 2.1 donde c es la velocidad del sonido y L la longitud del tubo. La velocidad del sonido c en un gas depende de su peso molecular y de su temperatura, según la ecuación 𝑐=√γRT 𝑀 Ecuación 2.2 donde γ = Cp/Cv = 1,4 para gases diatómicos (como el aire), R = 8,31 J/mol·°K, M = masa de 1 mol en kg/mol = 0,0288 kg/mol para el aire, T = temperatura absoluta en °K. Para temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, esta expresión puede aproximarse (para el aire) por 𝑐=332+0,608·𝑡 Ecuación 2.3 Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 9 donde t es la temperatura en °C y c está en m/s. En particular, para t = 20 ºC resulta c = 344 m/seg. Para una temperatura de 36ºC (Ecuación 2.3), 𝑓= 𝑐 4𝐿=353 𝑚 𝑠 ⁄ 4·0,025 𝑚=3530 𝐻𝑧 Ecuación 2.4 Esta frecuencia concuerda muy bien con la zona más sensible del oído, de acuerdo a lo que muestran las curvas obtenidas experimentalmente por Fletcher y Munson. Cerca de la resonancia, el incremento del campo sonoro en el tímpano es de alrededor de 10 dB [3]. 2.1.1.2. Oído medio El oído medio (Figura 2.1) está formado por el tímpano, la caja timpánica, la cadena osicular (los huesecillos), una serie de músculos, como el tensor del tímpano y el estapedio, y la trompa de Eustaquio. El tímpano es una membrana semitransparente en forma de cono achatado (con el vértice hacia dentro) que separa el canal auditivo de la caja timpánica. Es visible desde el exterior por medio del otoscopio (instrumento óptico que permite iluminar la zona a observar y está dotado a su vez de una lente de aumento). Su finalidad es captar las ondas sonoras que ingresan en el canal auditivo y transformarlas en vibraciones mecánicas que luego serán comunicadas al oído interno. Esto sucede porque el interior de la caja timpánica contiene aire estanco y, por lo tanto, a presión constante. En el canal auditivo, en cambio la presión varía en el tiempo a causa de la onda sonora, por lo cual habrá una diferencia neta de presión que hará vibrar al tímpano alrededor de su posición de reposo [3]. A causa de ruidos muy intensos (por ejemplo una potente explosión cerca del oído) o por determinadas infecciones, esta membrana puede perforarse, lo cual no es irreversible, ya que se cicatriza. La cadena osicular es un conjunto de tres diminutos huesos: el martillo, el yunque, y el estribo, 1 también denominados huesecillos, cuya función es la de actuar como palanca entre el tímpano y el oído interno. Dicha palanca comienza con el primero de dichos huesecillos, el martillo, que es sometido a desplazamientos relativamente grandes 2 pero de pequeña fuerza por la vibración del tímpano. El martillo se articula con el yunque, y éste con el 1 El martillo mide 8 mm de largo, el yunque, 6 mm, y el estribo, 3 mm. 2 En realidad, para los menores niveles de presión sonora audibles (−10 dB a 3 kHz), la vibración del tímpano es del orden de 10 −11 m, que es diez veces menor que un átomo de hidrógeno. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 10 estribo. A causa del efecto palanca (Figura 2.3), las vibraciones del estribo son de menor amplitud pero mayor fuerza. La ganancia mecánica de esta palanca es de 1,3; lo que significa que la fuerza que el estribo ejerce sobre la ventana oval es 1,3 veces mayor que ejerce el tímpano sobre el martillo. A este efecto de palanca se agrega la gran diferencia de áreas entre el tímpano (0,6 cm2) y la ventana oval (0,04 cm2), lo cual implica que la relación entre las presiones en el tímpano y en la ventana oval es 𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑎 𝑜𝑣𝑎𝑙 𝑃𝑡í𝑚𝑝𝑎𝑛𝑜 =1,3·0,6 0,04 ≅20 Ecuación 2.5 Esta diferencia de presiones es necesaria ya que en el tímpano existe una impedancia acústica mucho menor que en el oído interno, ya que éste último contiene agua. El conjunto actúa, por consiguiente, como un ingenioso adaptador de impedancias acústicas [3]. Figura 2.2 Los tres huesecillos del oído medio. [4] Figura 2.3 Mecánica de los huesecillos del oído medio. [4] Los músculos, además de sostener la cadena osicular, sirven de protección del oído interno frente a sonidos intensos. Cuando penetra en el oído un ruido muy intenso, se produce la contracción refleja de estos músculos, haciendo más rígida la cadena, que pierde entonces su eficiencia mecánica, y la energía es disipada antes de alcanzar el oído interno. Esta protección sólo es efectiva, sin embargo, para sonidos de más de 500ms de duración. En caso de lesión o esclerosamiento (endurecimiento) de la cadena osicular sobreviene un tipo de hipoacusia (sordera) caracterizada por una audición aérea disminuida y ósea normal. 3 En la actualidad es posible reemplazar quirúrgicamente algunas partes por prótesis plásticas. La trompa de Eustaquio es un pequeño conducto que comunica la caja timpánica con la laringe. Su función es la de igualar la presión del oído medio con la presión atmosférica. Normalmente permanece cerrada, abriéndose de forma refleja durante la acción de tragar o de bostezar. Si permaneciera siempre abierta, el tímpano vibraría con una amplitud muy 3 La audición aérea corresponde a lo que se escucha a través de la oreja, por ejemplo mediante un auricular, y la audición ósea a lo que se escucha cuando se hace vibrar el cráneo. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 11 pequeña, ya que el movimiento del tímpano es el resultado de una diferencia de presión a uno y otro lado de éste. Por consiguiente, para vibrar en concordancia con las variaciones de presión sonora es preciso que la presión dentro de la caja timpánica se mantenga constante. Si, en cambio, la trompa de Eustaquio estuviera cerrada permanentemente (o no existiera), al variar la presión atmosférica se produciría una diferencia de presiones medias que curvaría el tímpano hacia fuera o hacia dentro, como se indica en la Figura 2.4, reduciendo notablemente la respuesta auditiva, particularmente para los sonidos agudos (altas frecuencias). Esto es lo que sucede en los cambios bruscos de presión que se dan, por ejemplo, al ascender una montaña o al sumergirse varios metros bajo el agua, y el efecto es una sensación de embotamiento. La trompa de Eustaquio se abre al tragar, acción que se realiza periódicamente, ya sea en forma voluntaria o involuntaria, debido a la secreción permanente de saliva. La apertura de la trompa de Eustaquio provoca un ruido similar a un pequeño crujido, que el cerebro generalmente no tiene en cuenta, salvo que se preste especialmente atención. [4] Figura 2.4 Deformación de la membrana timpánica ante una disminución relativamente rápida de la presión atmosférica. [4] 2.1.1.3. Oído interno El oído interno (Figura 2.1), también denominado laberinto, posee dos partes con funciones bien diferenciadas. La primera contiene los canales semicirculares, que son tres pequeños tubitos con forma de anillo de unos 6 mm de diámetro, ubicados con sus ejes en cuadratura. Constituyen el órgano sensor del equilibrio ya que permiten detectar movimientos rotacionales. Al girar la cabeza (por ejemplo al inclinarse), dicha rotación contendrá componentes en uno o más de los ejes de los canales semicirculares. El líquido contenido en el interior de dichos canales tiende, por inercia, a mantenerse inmóvil, y eso causa un movimiento relativo entre el canal y el líquido que es detectado por unos cilios (pelos) que tapizan las paredes interiores de los canales. Esto desencadena el envío de una señal nerviosa al cerebro, quien ordenará las acciones pertinentes para recuperar el equilibrio. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 12 La segunda parte es la cóclea o caracol, que tiene forma precisamente de caracol, y es probablemente el sistema mecánico más complejo de todo el organismo. Está destinada a transformar las vibraciones provenientes del oído medio (a través del estribo) en señales neuroeléctricas dirigidas al cerebro. La característica más sobresaliente de esta admirable pieza de ingeniería biológica es su capacidad de realizar una descomposición frecuencial del sonido, codificándolo multiparamétricamente de acuerdo a su espectro. Figura 2.5 Aspecto idealizado del oído interno. En realidad el caracol y el laberinto son una cavidad en el hueso temporal. [4] Figura 2.6 Corte transversal del conducto coclear. [4] La cóclea, que se encuentra embutida en una cavidad de igual forma en el hueso temporal, tiene dos vueltas y media, y si pudiera desenrollarse se obtendría un conducto con forma algo cónica (el conducto coclear) de unos 35 mm de longitud y un diámetro medio de unos 2 mm. El volumen total es de alrededor de 0,05 cm2 (una gota). En la Figura 2.6 se muestra un corte transversal de dicho conducto, y en la Figura 2.7 se observa esquemáticamente el conducto desenrollado. Según se puede apreciar en la Figura 2.6, el conducto coclear está dividido en tres subconductos, denominados rampas (debido a que representan ascensos desde la base del caracol hacia su vértice): rampa vestibular, rampa coclear y rampa timpánica. La rampa vestibular y la rampa timpánica están llenas de perilinfa, un líquido Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 13 acuoso rico en iones de sodio (Na+), y se comunican entre sí en el vértice o ápex del caracol a través de un pequeño orificio denominado helicotrema (extremo de la hélice o helicoide). La rampa coclear, en cambio, contiene endolinfa, líquido algo gelatinoso rico en iones de potasio (K+). En la base del caracol (espira más ancha), la rampa vestibular se comunica con el oído medio a través de la ventana oval, un orificio cubierto con una membrana sobre la cual se apoya el estribo, mientras que la rampa timpánica lo hace a través de la ventana redonda, otro orificio cubierto con otra membrana denominada tímpano secundario (de ahí el nombre de rampa timpánica). Figura 2.7 Esquema de la cóclea, hipotéticamente desenrollada. [3] (a) Corte según un plano perpendicular a la membrana basilar. Por simplicidad sólo se muestran las rampas vestibular y timpánica, habiéndose omitido la rampa coclear. Las flechas indican la dirección de movimiento de la perilinfa cuando el estribo se mueve hacia adentro de la cóclea. (b) Corte según un plano paralelo a la membrana basilar. La capacidad de la cóclea de llevar a cabo una descomposición espectral del sonido obedece a varias características de las diversas partes que la constituyen. En primer lugar tenemos la membrana basilar, que separa la rampa coclear de la rampa timpánica (Figura 2.6). Esta membrana tiene una longitud similar a la del conducto coclear, es decir unos 35 mm, y su ancho aumenta desde 0,04 mm en la zona próxima a la base del caracol hasta 0,5 mm en la zona del vértice o ápex (Figura 2.7(b)). Cerca de la base, donde es más angosta, es relativamente rígida, haciéndose más flexible conforme se acerca al vértice. Esta Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 14 peculiaridad determina un comportamiento mecánico que es la clave de la discriminación de frecuencias que se opera en la cóclea. Para verlo, tengamos en cuenta tres hechos: a) Todo cuerpo elástico tiene una frecuencia propia de resonancia (o más de una), es decir una frecuencia fr tal que si se lo excita con ella la amplitud de vibración es mayor que para otras frecuencias. b) A igual geometría un cuerpo más rígido tiene mayor frecuencia de resonancia. c) A igual rigidez un cuerpo más pequeño también tiene mayor frecuencia de resonancia. En el caso de la membrana basilar, en la zona basal (cercana a la base) las dimensiones son pequeñas y la rigidez es alta, por lo tanto es de esperar que tenga una frecuencia de resonancia elevada. En la zona apical (cercana al ápex), en cambio, es mucho más ancha y menos rígida, por lo cual cabe esperar una frecuencia de resonancia mucho menor. Por consiguiente, la frecuencia de resonancia de la membrana basilar va disminuyendo a lo largo de ella desde valores bastante altos hasta valores pequeños. Si ahora excitamos el oído con un tono senoidal de cierta frecuencia f, el estribo ocasionará una serie de perturbaciones sucesivas sobre la ventana oval que se transferirán a la base de la membrana basilar. Como la membrana basilar es un medio elástico, estas perturbaciones, también de frecuencia f, darán origen a ondas sucesivas que se propagarán a lo largo de ésta, denominadas ondas viajeras. En cada punto de la membrana basilar existirá, por lo tanto, una excitación senoidal 4 de frecuencia f, y eso producirá una respuesta cuya amplitud variará a lo largo de la membrana. Figura 2.8 Onda viajera en la membrana basilar en un instante dado. Las líneas de trazos indican el lugar geométrico de los picos de la onda conforme ésta va avanzando a lo largo de la membrana. [3] 4 En realidad será aproximadamente senoidal, debido a diversas no linealidades del tímpano, el oído medio, y la propia membrana basilar. Esta última es la base de un tipo de examen audiológico por otoemisiones acústicas, es decir sonidos generados por el propio oído. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 15 En aquella posición en la cual la correspondiente frecuencia de resonancia fr coincida con f, la amplitud será máxima. En la Figura 2.8 se representa esta situación en un instante determinado, y en la Figura 2.9 se muestra la forma de la onda viajera en tres instantes sucesivos. 5 Figura 2.9 Forma de la onda viajera en la membrana basilar en tres instantes sucesivos. (Por claridad se han exagerado mucho las proporciones verticales; la amplitud real es extremadamente pequeña comparada con la longitud de la membrana.) [3] El razonamiento anterior muestra que la membrana basilar se comporta como un analizador espectral, ya que excitada con tonos puros de diversas frecuencias, se generan ondas viajeras cuyos máximos estarán localizados en diferentes posiciones [5]. Más precisamente, para una frecuencia f mayor de 200 Hz la máxima amplitud de la onda viajera se verifica a una distancia de la ventana oval dada por 𝑥=61−14log10𝑓 Ecuación 2.6 donde x está en mm y f en Hz. Por ejemplo, para un tono de frecuencia 5 kHz las ondas viajeras alcanzan máxima amplitud a una distancia de 9,2 mm de la ventana oval, y por lo tanto del estribo (Figura 2.10). 5 Es interesante observar que el primer semiciclo de la onda viajera mostrada en la figura es mucho más largo que los siguientes, que van reduciendo su longitud progresivamente. Ello se debe a que por ser la membrana basilar progresivamente menos rígida en puntos más alejados de la base, la velocidad de propagación de la onda se vuelve menor, disminuyendo consecuentemente la longitud de onda. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 22 500 Hz, ya que este músculo responde a una acción refleja que demora cerca de 100 ms en efectivizarse. Este recurso sirve en realidad para proteger al oído de la propia voz del individuo, cuyo nivel sonoro puede ser realmente muy alto (por ejemplo durante un grito). En este caso la protección sí es efectiva dado que el reflejo estapedial se produce antes de la emisión vocal. En cambio, la protección del estapedio es totalmente inefectiva para ruidos de crecimiento muy rápido como los ruidos impulsivos, como los impactos intensos o las explosiones, los cuales se propagan fácilmente y sin atenuación al oído interno, dentro del cual pueden causar daño auditivo permanente. [3] 2.1.2.3. Protecciones del oído interno No se puede hablar de una protección del oído interno propiamente dicha. Sin embargo, ante un sonido de gran nivel sonoro el oído interno genera señales nerviosas que el cerebro interpreta, reenviando señales inhibitorias hacia las células ciliadas externas, lo cual hace que éstas reaccionen con las llamadas contracciones lentas, que tienden a oponerse a la vibración de la membrana basilar. Pero debido a la demora considerable de la respuesta, ello no permite controlar los rápidos ruidos impulsivos. De modo que el oído interno está esencialmente desprotegido, lo cual se agrava por lo delicado de las células ciliadas, es decir las células sensorias, que por ser de un tamaño muy pequeño (2 μm) están fácilmente expuestas a sufrir daños. [3] 2.1.3. Patologías 2.1.3.1. Presbiacusia y socioacusia Se observa en general que con el transcurso de los años las personas experimentan una disminución en su capacidad auditiva, denominada presbiacusia. Esto se debe a dos factores: el desgaste natural de los tejidos, y la exposición a ruidos considerados normales en la sociedad. Un estudio realizado en una población muy poco ruidosa del Sudán (dado a conocer en 1962) reveló que la presbiacusia era mucho menos marcada que en ciudades como Nueva York, en las cuales se observan niveles de ruido ambiente considerablemente mayores. Por esta razón se propuso el nombre de socioacusia para contemplar este efecto. Uno de los parámetros más utilizados para medir la audición es el umbral auditivo, que se determina con diversos procedimientos. En realidad se toma en cuenta el desplazamiento o Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 23 aumento del umbral con relación al umbral considerado normal 11 para cada una de las frecuencias normalizadas. Cuando el aumento del umbral es permanente o irreversible, se denomina pérdida auditiva [3]. En la Figura 2.13 se ha representado la pérdida auditiva en función de la frecuencia para diversas edades. Figura 2.13 Evolución promedio de la presbiacusia, en función de la frecuencia y de la edad, según Scherzer. [3] 2.1.3.2. Desplazamiento temporal del umbral Cuando una persona está sometida a ruidos intensos durante un periodo relativamente corto de tiempo, experimenta un aumento temporario del umbral auditivo, que desaparece después de algunas horas de descanso. Es éste el primer efecto de la exposición a ruidos de elevado nivel sonoro, y si bien suele ser reversible (salvo que el ruido sea repentino y de nivel demasiado alto, como en una explosión o un ruido impulsivo o de impacto de gran violencia), la reiteración continuada de tales exposiciones termina, a medio plazo, ocasionando desplazamientos permanentes del umbral. El desplazamiento temporal se produce siguiendo un crecimiento asintótico durante las primeras horas de exposición. Después de unas 8 a 16 h se alcanza una meseta cuya magnitud depende del nivel sonoro en dBA. Interrumpida la exposición, después de una inestabilidad inicial del umbral (que dura alrededor de 2 minutos) el aumento del umbral comienza a retroceder, y lo hace en forma aproximadamente lineal con el logaritmo del tiempo hasta desaparecer. El proceso es tanto más rápido cuanto menor fue el nivel sonoro durante la exposición. Aunque no se conoce aún en detalle el proceso del desplazamiento permanente 11 El umbral corresponde conceptualmente a la línea de 0 fonio de las curvas de Fletcher y Munson de la Figura 3.3, pero en realidad se toma el valor que corresponde a un nivel de sonoridad de 4,2 fonios. Según las curvas de igual nivel de sonoridad normalizadas (por ejemplo, según la Norma UNE ISO 226-2013) [19]. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 24 del umbral inducido por ruido, se supone que sigue una evolución similar a la correspondiente al desplazamiento temporario. [3] 2.1.3.3. Hipoacusia La hipoacusia, es decir, la disminución de la capacidad auditiva, puede ser de dos tipos básicos: conductiva y perceptiva, según que la causa sea una deficiencia en la conducción del sonido hasta el oído interno, o una disfunción de la cóclea o la vía nerviosa, respectivamente. [3] Hipoacusia conductiva La hipoacusia conductiva puede deberse a obstrucciones del canal auditivo causadas por algún objeto, cuerpo extraño o tapón de cerumen, o bien por lesión o destrucción del tímpano, o por el endurecimiento o pérdida de funcionalidad de los huesecillos, o por supuración del oído medio a causa de alguna infección otorrinolaringológica (otitis media). Se caracteriza por una audiometría aérea anormal y ósea normal, como se muestra en la Figura 2.13, ya que la audición por vía ósea esencialmente no depende del aparato conductivo, accediendo directamente a la cóclea. Un examen logoaudiométrico, presenta un desplazamiento hacia niveles de presión sonora más elevados, pero siempre alcanza un nivel para el cual el valor de articulación (porcentaje de aciertos) alcanza el 100% (Figura 2.14). En general los problemas conductivos son reversibles. Las obstrucciones del canal auditivo se resuelven con una simple limpieza de oído, removiendo los elementos obstructivos o disolviendo con agua tibia el tapón de cerumen. El tímpano se reconstruye o cicatriza naturalmente, y en casos severos puede repararse quirúrgicamente (timpanoplastia). Las supuraciones de oído medio se corrigen con tratamientos adecuados hasta la recesión de la infección. Por último, los inconvenientes con la cadena osicular admiten también corrección por la vía quirúrgica, siendo posible el reemplazo de los huesecillos por prótesis. [3] Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 25 Figura 2.14 Ejemplo de audiometría tonal correspondiente a una hipoacusia conductiva. La curva correspondiente a excitación por vía aérea muestra una pérdida auditiva, debida a alguna obstrucción o disfunción del aparato conductivo (oído externo y medio), mientras que la curva obtenida por vía ósea es normal. [3] Figura 2.15 Ejemplo de logoaudiometría correspondiente a una hipoacusia conductiva. Como referencia se ha incluido la curva normal en línea de trazos. [3] Hipoacusia perceptiva La hipoacusia perceptiva puede deberse a una lesión de la cóclea (lesión coclear) o a una lesión del nervio coclear (lesión retrococlear). En este caso hay coincidencia entre las audiometrías por vía aérea y ósea (siempre y cuando no exista concurrentemente una hipoacusia conductiva), como se muestra en la Figura 2.16. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 26 Figura 2.16 Ejemplo de audiometría tonal correspondiente a una hipoacusia perceptiva. Las curvas correspondientes a excitación por vía aérea y ósea presentan una pérdida auditiva similar. [3] Con respecto a la logoaudiometría, en el caso de lesión retrococlear (del nervio), al aumentar el nivel de presión sonora se alcanza una meseta con un porcentaje de aciertos inferior al 100% que aún con un posterior aumento del nivel de presión sonora no puede ser mejorado. En el caso de la lesión coclear, el problema se agrava, dado que el valor de articulación alcanza un máximo hacia los 70 dB u 80 dB y luego se reduce, lo cual restringe notablemente el rango de sonoridades para el cual se logra una relativa inteligibilidad de la palabra (Figura 2.17). Figura 2.17 Ejemplo de logoaudiometría correspondiente a una hipoacusia conductiva. Como referencia se ha incluido la curva normal en línea de trazos. [3] A diferencia de la hipoacusia conductiva, las hipoacusias de origen coclear y retrococlear son en general irreversibles. En los casos de hipoacusia coclear profunda pero con el nervio auditivo en buenas condiciones, existe hoy en día la posibilidad de implantar quirúrgicamente un tipo de prótesis denominado genéricamente implante coclear, que sustituye rudimentariamente al órgano de Corti. Dicho implante coclear consiste en una serie de electrodos distribuidos a lo largo de la cóclea, comandados exteriormente (a través del hueso mastoides) por acoplamiento magnético. La excitación que se aplica al nervio auditivo por estos electrodos es el resultado de una descomposición en frecuencias semejante a la que Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 27 se verifica en una cóclea normal, realizada en este caso por un procesador electrónico sobre la señal acústica. El resultado de esta intervención, como puede comprenderse fácilmente, es muy limitado, ya que se reemplazan alrededor de 25.000 células ciliadas por un número muy inferior de electrodos (por ejemplo, 22 electrodos). A pesar de ello, con un entrenamiento y rehabilitación meticulosos, puede recuperarse parcialmente la comunicación oral. Es de esperar que esta técnica vaya mejorando progresivamente, de modo de brindar una solución más completa a la sordera coclear. [3] Hipoacusia profesional Se denomina hipoacusia profesional o profesoacusia a la pérdida auditiva permanente o irreversible causada por la exposición prolongada (generalmente durante años) a niveles de ruido excesivos en ambientes laborales, es decir durante varias horas por día. No debe confundirse esto con el trauma acústico, que es la pérdida repentina de la audición a causa de una exposición accidental a ruidos excepcionalmente fuertes, como explosiones, disparos, etc. sin la debida protección auditiva. La hipoacusia profesional tiene una evolución con el tiempo bastante característica, tal como se muestra en la Figura 2.18. Dentro de los primeros dos años de exposición se produce un ligero aumento del umbral en la banda entre 3 kHz y 6 kHz. Dicho incremento no es significativo para la comprensión oral, porque las frecuencias más importantes para la palabra están por debajo de los 3 kHz. Por este motivo la incipiente hipoacusia suele pasar desapercibida, más aún teniendo en cuenta la gran adaptabilidad del ser humano, que lo lleva a acostumbrarse sin inconvenientes a cambios graduales como éstos. Hacia los 10 años de exposición ya se ha producido un significativo aumento del umbral en 4 kHz, denominado escotoma (un pico de 30 dB), y la lesión comienza a manifestarse también en frecuencias más bajas. Después de unos 20 años el escotoma se profundiza, afectándose la banda de los 2 kHz, aunque aún sin una pérdida significativa para la palabra. Después de eso, el escotoma se profundiza aún más y luego de unos 35 años, se tiene una pérdida auditiva de alrededor de 50 dB en toda la banda de 2 kHz a 4 kHz, lo cual constituye una incapacidad considerable para la inteligibilidad del habla. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 2: Conceptos teóricos 28 Figura 2.18 Evolución de una hipoacusia profesional. Comienza afectando las altas frecuencias y luego se propaga y profundiza hacia las frecuencias esenciales para la comprensión de la palabra. [3] La evolución descrita concuerda bastante bien con la evolución del desplazamiento temporario del umbral, lo cual puede utilizarse para evaluar preventivamente la posible evolución de una hipoacusia irreversible. La causa de la hipoacusia de origen laboral está en la lesión crónica de regiones desprotegidas del órgano de Corti, que a falta del necesario periodo de recuperación se va profundizando hasta la destrucción definitiva de las células. Es interesante observar que las zonas más desprotegidas son aquellas que corresponden a las frecuencias de mayor sensibilidad del oído, y por ello no sorprende la aparición de un escotoma en dicha región. Los ruidos de baja frecuencia son por lo tanto menos dañinos que los de alta frecuencia. También debe observarse que los ruidos tonales resultan más perjudiciales que los ruidos de banda más ancha, ya que concentran toda su energía en regiones específicas del órgano de Corti, afectando de un modo muy intenso unas pocas células ciliadas. Los ruidos cuyo espectro está más distribuido, en cambio, reparten su energía entre muchas más células, con lo cual cada célula recibe una dosis menor. Por último, cabe notar que los ruidos de carácter impulsivo y por lo tanto de muy corta duración son potencialmente muy peligrosos, ya que pueden ser muy intensos y sin embargo evocar una sensación de sonoridad mucho menor. Ello se debe a que la sensación de sonoridad demora algunos cientos de milisegundos antes de manifestarse en toda su dimensión, debido a que la percepción de la intensidad experimenta un mayor retardo que la de la frecuencia. El resultado puede ser que ante la reiteración de los impulsos, se produzca muy rápidamente daño auditivo sin que el sujeto expuesto advierta el peligro. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 29 3. Normativa La International Organization for Standardization (Organismo Internacional de Normalización), abreviadamente ISO, es una institución que agrupa a los institutos nacionales, por ejemplo AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación). Esta organización emite normas internacionales una vez sometidas a la votación de sus miembros. Las normas son el resultado del trabajo de diversos comités técnicos, en los que participan representantes de los diversos organismos nacionales. Una vez que un comité elabora un borrador (draft), el mismo pasa a consideración de sus miembros, y finalmente a votación. Los procedimientos de aprobación son severos, requiriéndose una mayoría especial del 75% para que un borrador se transforme en norma. Las normas internacionales, de igual modo que las nacionales, son de adhesión voluntaria, vale decir que constituyen bases para un compromiso o acuerdo explícito o implícito entre dos o más partes. Sin embargo, en muchas ocasiones pasan a formar parte de legislaciones de alcance local, nacional o internacional. Las normas correspondientes a acústica son preparadas y discutidas por el comité técnico ISO/TC 43 Acoustics, que ha emitido una considerable cantidad de normas internacionales. Muchas de las normas establecen procedimientos de medición que garanticen resultados correctos y repetibles cuando los mismos son aplicados por diversas personas o laboratorios. Otras normas, se refieren a los efectos esperables cuando se aplican determinados estímulos al ser humano. Para su trabajo, este comité reúne resultados de numerosos trabajos científicos, los compara y compatibiliza, obteniendo relaciones que gocen del máximo consenso o acuerdo posible en un determinado estado de avance del conocimiento sobre el asunto considerado. 3.1. Antecedentes históricos El efecto del ruido laboral sobre la audición humana se conoce desde tiempos remotos. Ocupaciones como la herrería, la calderería y otras industrias metalúrgicas conducían a la larga a la sordera de quienes las practicaban. Plinio el Viejo (28-79 DC) había observado que los nativos que vivían y pescaban cerca de las cascadas y rápidos del alto Nilo ensordecían [6]. Hacia el año 1700, Bernardino Ramazzini [7] (1633-1714) describía, en su obra “De Morbis Artificum Diatriba”, los efectos del ruido sobre la audición de los broncistas en estos Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 30 términos: “...Existen broncistas en todas las urbes y en Venecia se agrupan en un solo barrio; allí martillan el día entero para dar ductilidad al bronce y fabricar luego con él vasijas de diversas clases; allí también sólo ellos tienen sus tabernas y domicilios, y causan tal estrépito que huye todo el mundo de un paraje tan molesto. Dáñase pues principalmente el oído del continuo fragor y toda la cabeza por consiguiente; ensordecen poco a poco y al envejecer quedan totalmente sordos; el tímpano del oído pierde su tensión natural de la incesante percusión que repercute a su vez hacia los lados en el interior de la oreja debilitando y pervirtiendo todos los órganos de la audición...” La investigación sistemática de tales efectos más allá de la observación empírica debió esperar al siglo XX, cuando la tecnología hizo posible cuantificar y medir no sólo el sonido en sus diferentes aspectos (intensidad y contenido espectral), sino también la propia audición. Debido a la imposibilidad ética de experimentar intencionadamente con la audición humana, por ejemplo induciendo pérdidas auditivas por exposición a ruidos controlados, los científicos recurrieron a reunir grandes cantidades de datos obtenidas de situaciones de exposición a ruidos de carácter laboral. Al parecer, en el ámbito ocupacional priman y han primado siempre otros criterios éticos por los cuales el factor económico se encuentra por encima del derecho individual a la salud orgánica y psíquica. Aunque las técnicas de control de ruido han mejorado notablemente en las últimas décadas, la así llamada factibilidad económica suele ser la principal preocupación, en detrimento de la salud y bienestar de los trabajadores [8]. Como ejemplo notable de cuán internalizada está esta concepción en el pensamiento contemporáneo, podemos citar las siguientes palabras del Dr. Aram Glorig [9], un conocido investigador sobre los efectos del ruido: "Es obvio (...) que si vamos a adoptar la postura de que no haya riesgo auditivo en absoluto, los niveles de exposición a ruido deben ser de 80 dBA o menos. También se sabe que lograr esos niveles en la industria con maquinarias tal como están diseñadas en la actualidad es económicamente impráctico. Por consiguiente, la comunidad debe aceptar un compromiso y asumir cierto riesgo que sea consistente con ese compromiso." En algunos casos se ha utilizado la hipótesis denominada de igualdad de los efectos temporarios, según la cual la disminución auditiva temporal (y por lo tanto reversible) ante una exposición a ruidos de determinadas características es una réplica de la pérdida auditiva permanente al cabo de varios años de reiterada exposición al mismo tipo de ruidos. Esta Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 31 hipótesis permite realizar experimentos menos cuestionables, al no implicar daños permanentes sino temporarios en los sujetos investigados, los cuales pueden extrapolarse a los efectos irreversibles. Sin embargo, la hipótesis ha revelado no ser del todo correcta. En el celebrado “Acoustics”, libro publicado por Leo L. Beranek [10], se describen los primeros criterios tentativos en relación con los niveles capaces de dañar el oído. En este caso el criterio, propuesto por Kryter [11], estaba dado en términos de lo que en Psicoacústica se conoce como bandas críticas. 12 Según el mismo, se establecía un límite para el nivel de presión sonora en cada banda crítica de 85 dB por encima del umbral de audición (Tabla 3.1). Si en todas las bandas críticas el nivel del ruido estaba 5 dB por debajo del límite, entonces ante exposiciones laborales de 8 horas diarias y 50 semanas al año durante 5 años la probabilidad de tener daño auditivo era muy baja. Si, en cambio, la exposición estaba 5 dB por encima en alguna banda, aún en una exposición durante un año la probabilidad de que algunas personas expuestas tuvieran daño permanente era alta. f Lmáx [dB] Banda crítica Lmáx [dB] Banda de octava 50 110 110 100 95 102 200 88 97 400 85 95 800 84 95 1600 83 95 3150 82 95 6300 81 95 Tabla 3.1 Criterio de Kryter sobre daño auditivo (adaptación). [8] En otro de los libros escrito por Beranek, en este caso con la colaboración de otros autores, “Noise Reduction” (1960), Kryter aporta un capítulo con criterios actualizados sobre los efectos del ruido en la audición [12]. Los dos más significativos son los incluidos en el 12 Una banda crítica es una banda de frecuencia centrada alrededor de un tono tal que el enmascaramiento producido por un ruido blanco que se extiende hasta afuera de dicha banda no es mayor que si el ruido se limita sólo a la banda (suponiendo la misma potencia total). Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 38 Esta Norma proporciona la distribución estadística de las desviaciones del umbral auditivo para las edades entre los 18 y los 70 años, en función de la mediana y de la distribución en torno a la mediana. La mediana del umbral de audición para cada edad Y (en años) debe calcularse por medio de la expresión: ∆𝐻𝑚𝑒𝑑,𝑌=𝛼(𝑌−18)2 Ecuación 3.3 La constante α está especificada en la Norma para cada frecuencia audiométrica. En la Tabla 3.4 se indican sus valores, y en la Figura 3.1 se muestran de forma gráfica algunos valores de la desviación del umbral de audición. f [Hz] α [dB/año2] Hombres Mujeres 125 0,0030 0,0030 250 0,0030 0,0030 500 0,0035 0,0035 1000 0,0040 0,0040 1500 0,0055 0,0050 2000 0,0070 0,0060 3000 0,0115 0,0075 4000 0,0160 0,0090 6000 0,0180 0,0120 8000 0,0220 0,0150 Tabla 3.4 Valores del coeficiente α. [16] Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 39 Figura 3.1 Mediana de la desviación del umbral de audición en función de la edad, con la frecuencia en Hz como parámetro. [8] Una vez calculada la mediana se pueden obtener los fractiles considerando que cada una de las mitades de la función de densidad de probabilidad está dada aproximadamente por una distribución de Gauss. Naturalmente, sería mejor si pudiera utilizarse una única función gaussiana, pero lamentablemente la distribución no es simétrica. Se recurre entonces a una distribución con dos desvíos estándar diferentes. Uno mayor, su, para la mitad superior, y uno menor, sl, para la mitad inferior, dados por: 𝑠𝑢=𝑏𝑢+0,445·∆𝐻𝑚𝑒𝑑,𝑌 Ecuación 3.4 𝑠𝑙=𝑏𝑙+0,356·∆𝐻𝑚𝑒𝑑,𝑌 Ecuación 3.5 donde bu y bl son valores que vienen tabulados en la Tabla 3.5 para ambos sexos y para las diversas frecuencias audiométricas. En la Figura 3.2 se muestran las funciones de densidad de probabilidad y de probabilidad acumulada. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 40 f [Hz] bu [dB] bl [dB] Hombres Mujeres Hombres Mujeres 125 7,23 6,67 5,78 5,34 250 6,67 6,12 5,34 4,89 500 6,12 6,12 4,89 4,89 1000 6,12 6,12 4,89 4,89 1500 6,67 6,67 5,34 5,34 2000 7,23 6,67 5,78 5,34 3000 7,78 7,23 6,23 5,78 4000 8,34 7,78 6,67 6,23 6000 9,45 8,90 7,56 7,12 8000 10,56 10,56 8,45 8,45 Tabla 3.5 Valores de los parámetros bu y bl [16] Figura 3.2 Densidad de probabilidad (asimétrica) para la distribución del nivel umbral de audición, y la función de probabilidad acumulada expresada en términos del fractil Q. [8] Para determinar la desviación del umbral de audición, ΔHQ,Y, que se puede esperar que sea superada por una fracción determinada Q de una población de sujetos otológicamente Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 41 normales de edades Y y de sexo determinado, se aplican las ecuaciones Ecuación 3.6 y Ecuación 3.7 según que Q esté comprendido entre 0,05 y 0,50 o entre 0,50 y 0,95: 16 𝛥𝐻𝑄,𝑌=𝛥𝐻𝑚𝑒𝑑,𝑌+k·𝑠𝑢 (0,05<𝑄<0,50) Ecuación 3.6 𝛥𝐻𝑄,𝑌=𝛥𝐻𝑚𝑒𝑑,𝑌−k·𝑠𝑙 (0,50<𝑄<0,95) Ecuación 3.7 donde los valores del factor multiplicador k corresponden a la distribución de Gauss, y se muestran en la Tabla 3.6. Q k Q k 0,05 0,95 1,645 0,26 0,74 0,643 0,06 0,94 1,555 0,27 0,73 0,613 0,07 0,93 1,476 0,28 0,72 0,583 0,08 0,92 1,405 0,29 0,71 0,553 0,09 0,91 1,341 0,30 0,70 0,524 0,10 0,90 1,282 0,31 0,69 0,496 0,11 0,89 1,227 0,32 0,68 0,468 0,12 0,88 1,175 0,33 0,67 0,440 0,13 0,87 1,126 0,34 0,66 0,413 0,14 0,86 1,080 0,35 0,65 0,385 0,15 0,85 1,036 0,36 0,64 0,359 0,16 0,84 0,995 0,37 0,63 0,332 0,17 0,83 0,954 0,38 0,62 0,306 0,18 0,82 0,915 0,39 0,61 0,279 0,19 0,81 0,878 0,40 0,60 0,253 0,20 0,80 0,842 0,41 0,59 0,228 0,21 0,79 0,806 0,42 0,58 0,202 0,22 0,78 0,772 0,43 0,57 0,176 0,23 0,77 0,739 0,44 0,56 0,151 0,24 0,76 0,706 0,45 0,55 0,126 0,25 0,75 0,675 0,46 0,54 0,100 0,47 0,53 0,075 0,48 0,52 0,050 0,49 0,51 0,025 0,50 0,000 Tabla 3.6 Valores del factor multiplicador k correspondiente a la distribución de Gauss. [17] 16 Para los rangos Q < 0,05 y Q > 0,95 los valores obtenidos no son suficientemente confiables pues representan sólo extrapolaciones de los datos experimentales. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 42 Calculemos, como ejemplo, el umbral de audición correspondiente a varones de 43 años en 4000 Hz. La mediana viene dada por la Ecuación 3.3: ∆𝐻𝑚𝑒𝑑,43=0,016(43−18)2=10 𝑑𝐵 Los desvíos estándar superior e inferior, dados por las ecuaciones Ecuación 3.4 y Ecuación 3.5 𝑠𝑢=8,34+0,445·10=12,79 𝑑𝐵 𝑠𝑙=6,67+0,356·10=10,23 𝑑𝐵 Con estos valores podemos estimar la desviación del umbral de audición que es superada, por ejemplo por un 20% de la población otológicamente normal. Como Q = 0,2 < 0,50, debemos utilizar el valor de su. De la Tabla 3.6, k0,20 = 0,842. Entonces: ∆𝐻0,20 ,43=10+0,842·12,79=20,77𝑑𝐵≅21 𝑑𝐵 Esto se interpreta diciendo que en un 20% de la población de varones otológicamente normales (no expuestos a ruido) de 43 años, la desviación del umbral de audición en 4000 Hz es de 21 dB o más. En la Tabla 3.7 se agregan algunos resultados más para varones de 45 y 65 años, correspondientes a tres fractiles. Frecuencia [Hz] Edad [años] 45 65 0,90 0,50 0,10 0,90 0,50 0,10 1000 -5 3 12 -1 9 22 2000 -5 5 17 1 15 34 4000 -2 12 29 11 35 66 Tabla 3.7 Desviación del umbral de audición (ΔH) en dB para diversas frecuencias, edades y fractiles (varones). [8] Puede resultar curioso que los desplazamientos correspondientes al fractil 0,90 sean negativos. Por ejemplo, para varones de 45 años, el desplazamiento H0,90 a 2000 Hz es Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 43 de -5 dB. Ello significa que el 90% de dicha población tiene un umbral de audición a esa frecuencia superior a –5 dB respecto al umbral normal. También puede interpretarse como que el 10% restante tiene una audición mejor en 5 dB con respecto a la normal. En otras palabras, en toda población siempre existe un pequeño porcentaje de individuos con audición superior a lo normal. 3.2.2. UNE 74-023-1992 (ISO 1999:2013) 3.2.2.1. Introducción La Norma UNE 74-023-1992 es la equivalente española a la tercera edición de la Norma Internacional ISO 1999, de 1990 y actualmente anulada por la norma ISO 1999:2013 17 , y lleva por título “Acústica – Determinación de la exposición al ruido en el trabajo y estimación de las pérdidas auditivas inducidas por el ruido” 18 . A diferencia de la primera edición, la actual no se propone determinar directamente el riesgo auditivo, sino más bien la distribución estadística del daño auditivo expresado en términos del desplazamiento del umbral de audición a las diversas frecuencias. Para comprender esta diferencia, recordemos que el riesgo auditivo es la diferencia porcentual entre los que adquieren una discapacidad determinada en un grupo expuesto y los que la adquieren en un grupo no expuesto. Ello implica adoptar un criterio más o menos arbitrario sobre qué se entiende por “discapacidad”. Ya hemos visto (en el Capítulo 3.1) por lo menos dos criterios diferentes:  que el promedio de los desplazamientos del umbral auditivo en 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz supere los 25 dB. [9]  que el umbral auditivo en 4 kHz sufra un desplazamiento de 5 dB. [15] El criterio es arbitrario porque responde a una decisión de carácter más político que científico. Por ejemplo, podría considerarse que el tener dificultades para la comprensión oral implica discapacidad (lo cual corresponde al criterio de los 25 dB), pero también podría considerarse una discapacidad cualquier desplazamiento permanente medible del umbral (y entonces estaríamos en el criterio EPA). Aun refiriéndonos a la inteligibilidad oral, podría a 17 La edición en vigor de la norma se titula: “Acústica – Estimación de las pérdidas auditivas inducidas por el ruido” (No ha podido consultarse debido a que no se ha actualizado la norma española). 18 La primera edición (ISO/R 1999:1971), la segunda (ISO 1999:1975), así como la Norma equivalente española UNE 74-023-1987, llevaban el siguiente título: “Acústica – Evaluación de la exposición al ruido en el trabajo con fines de protección auditiva”. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 44 su vez depender de la calidad de la inteligibilidad (expresada, por ejemplo, en términos del índice de articulación silábica deseado). El criterio a adoptar puede responder a condicionamientos de tipo económico o ético. Por ejemplo, si la legislación obliga al Estado (o al empleador, o a la compañía aseguradora) a pagar una indemnización a quienes adquieran discapacidad auditiva, la cantidad de indemnizaciones dependerá inversamente de la altura en que se ubique la “valla”. La edición de 1990 de esta norma se aparta explícitamente de esta discusión, la cual se deja en manos de los entes de aplicación, sean éstos reparticiones gubernamentales nacionales, regionales o locales, o los departamentos de personal de las empresas, en caso de que desearan fijar políticas de higiene y seguridad más estrictas que las exigibles por ley. Las razones argumentadas son, esencialmente, la gran cantidad de criterios de discapacidad existentes, muchos de los cuales pueden estar plenamente justificados según el contexto. El objetivo de esta edición de la norma es, entonces, dar, tan objetivamente como los conocimientos científicos disponibles lo permitan, la distribución estadística del desplazamiento permanente del umbral a diversas frecuencias en función de la edad y del nivel de exposición a ruido normalizado a una jornada laboral de 8 horas. 3.2.2.2. Medición del ruido La norma ISO 1999:1990 utiliza el nivel de exposición a ruido, LEX,8h, como magnitud fundamental para describir la intensidad del ruido. El mismo se origina en el nivel de presión sonora Lp, definido por la ecuación 𝐿𝑝=10log (𝑝/𝑝0)2 Ecuación 3.8 donde p es la presión sonora, o diferencia entre la presión instantánea y la presión atmosférica estática, y p0 es la presión de referencia, igual a 20 μPa. El nivel de presión sonora se expresa en decibelios, abreviados dB. La utilización de una expresión logarítmica para la presión sonora permite comprimir un rango muy amplio (típicamente desde 20 μPa hasta 2000 Pa) en un menor orden de magnitud (0 dB a 160 dB). El nivel de presión sonora describe físicamente la intensidad instantánea del sonido, pero no tiene una correlación muy definida con lo que percibe el oído humano. En un intento por lograr una medida mejor correlacionada con la percepción subjetiva del sonido se recurrió a Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 45 las curvas isofónicas obtenidas en 1933 por Fletcher y Munson (Figura 3.3), las cuales indican, en un diagrama f - Lp, una serie de contornos para cada uno de los cuales la sonoridad subjetiva es la misma. El nivel de sonoridad, expresado en fonios, es el nivel de presión sonora a la frecuencia de 1000 Hz dentro de un contorno de sonoridad determinado. Se observa que en baja frecuencia y en muy alta frecuencia la sensibilidad del oído es menor, ya que a igual Lp el nivel de sonoridad percibido resulta menor 19 . Para realizar una medición que a la vez fuera objetiva pero vinculada a lo percibido, se introdujeron tres filtros, denominados A, B y C, destinados a procesar la señal sonora previamente a su efectiva medición. El filtro A tenía una respuesta en frecuencia aproximadamente opuesta al contorno de 40 fonios, el B, opuesta al de 70 fonios, y el C, opuesta al de 100 fonios (Figura 3.4). De esa manera, cada uno de estos filtros atenúa las frecuencias en que el oído es menos sensible, siendo el resultado aproximadamente indicativo de lo realmente percibido [18]. Figura 3.3 Contornos de Fletcher y Munson. Un tono de f = 200 Hz y Lp = 40 dB provocará la misma sensación de sonoridad que uno de 1000 Hz y 20 dB. Se dice entonces que tiene un nivel de sonoridad de 20 fonios. [19] El resultado de medir intercalando el filtro A se expresa siempre en dBA, y análogamente en los otros casos. La idea original no funcionó demasiado bien, ya que la sensación de sonoridad en el caso de tonos múltiples o de ruidos de espectro amplio no puede ser 19 Las curvas de Fletcher y Munson fueron reemplazadas por las de Robinson y Dadson, determinadas nuevamente, con posterioridad, en condiciones más controladas. Actualmente están normalizadas por la norma ISO 226. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 46 determinada mediante los contornos isofónicos, que fueron obtenidos para tonos puros. No obstante, los medidores de nivel sonoro equipados con los filtros A, B y C se popularizaron, y ello puede haber condicionado parcialmente las investigaciones, llevadas a cabo entonces con los instrumentos disponibles. Figura 3.4 Curvas de compensación (o ponderación) A, B, y C. Para cada frecuencia, el valor de la ordenada representa la corrección aditiva a aplicar al nivel de presión sonora de un tono de esa frecuencia para obtener su nivel sonoro. En 1 kHz las tres curvas coinciden en 0 dB. [8] El resultado fue que los efectos sobre la audición humana exhibían una importante correlación con los niveles sonoros con compensación A (es decir, filtrados con el filtro A), lo cual llevó a adoptar universalmente el nivel sonoro A para todas las cuestiones relativas a la audición. Formalmente, el nivel sonoro A (o nivel de presión sonora compensado A) se define como 𝐿𝑝𝐴=10log (𝑝𝐴/𝑝0)2 Ecuación 3.9 donde pA es la presión sonora con compensación A, es decir la presión sonora filtrada con el filtro A. El nivel sonoro se mide en forma directa por medio del sonómetro, cuyo circuito interno se encarga de realizar las operaciones indicadas en la Ecuación 3.9. Ahora bien, tanto la presión sonora como el nivel sonoro A son en general muy variables en el tiempo. Con el fin de determinar los efectos a largo plazo es necesario trabajar con niveles medios, surgiendo así el nivel sonoro continuo equivalente, o nivel equivalente, LAeq,T, definido como 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇=10log (1 𝑇∫𝑝𝐴2(𝑡) 𝑝02𝑑𝑡 𝑇 0) Ecuación 3.10 Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 47 donde T es el intervalo de tiempo considerado. La promediación se hace energéticamente 20 porque se utiliza aquí la teoría de la igualdad de la energía, según la cual los efectos sobre la audición están determinados por la energía sonora total recibida diariamente. El nivel equivalente se puede determinar hoy en día en forma directa por medio de un sonómetro o medidor de nivel sonoro integrador. 21 Cuando la duración total de la exposición es muy larga pero pueden identificarse intervalos en los que, por tratarse de operaciones repetitivas o sonidos continuos, pueda obtenerse el nivel equivalente mediante mediciones más cortas, será posible aplicar esta otra fórmula: 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇=10log(1 𝑇∑𝑇𝑖10𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇𝑖10 ⁄ 𝑛 𝑖=1 ) Ecuación 3.11 donde LAeq,Ti es el nivel equivalente extendido al intervalo Ti y T = ∑Ti. Es de destacar que si dentro de un intervalo Ti hay ciclos repetitivos, es aceptable medir LAeq,Ti en uno solo de los ciclos, extrapolando el valor obtenido a los restantes. Esto permite ahorrar en general mucho tiempo de medición. A modo de ejemplo, supongamos que un operario está sometido a tres tipos de exposición durante sus 8 horas de trabajo. En la primera, que dura 1 h, el nivel equivalente es de 80 dBA. En la segunda, de tres horas de duración, se observa un ciclo que se repite cada 20 minutos, habiéndose medido un nivel equivalente de 92 dBA en uno de los ciclos. En el tercer tipo de exposición se individualizan ciclos cortos de 5 minutos de duración, en cada uno de los cuales el nivel equivalente medido es de 86 dBA. El tiempo total de medición ha sido de 1h 25min, en contraposición con las 8 horas que habría requerido una medición directa. El nivel equivalente resultante es: 𝐿𝐴𝑒𝑞,8ℎ=10log[1 8(1×108010 ⁄+3×109210 ⁄+4×1086 10 ⁄)]=89 𝑑𝐵𝐴 Obsérvese que si bien los 92 dBA se midieron durante 20 minutos, se consideró que dicho valor se extendía al intervalo de 3 horas durante el cual se repite dicho ciclo. Lo mismo es válido para los 86 dBA, que se midieron durante 5 minutos. 20 La energía sonora es proporcional al cuadrado de la presión sonora. 21 Los medidores de nivel sonoro integradores deben cumplir con la Norma UNE EN 61672. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 54 Así, por debajo de 93 dBA, no existen efectos perjudiciales sobre los 500 Hz, pero habrá que descender hasta los 75 dBA para evitar deterioro en la región de los 4000 Hz. Igual que para el caso de H, la Norma ISO 1999 prosigue describiendo un método de cálculo para determinar los desplazamientos del umbral correspondientes a otros fractiles Q. Para ello se aproxima la distribución por dos semicampanas de Gauss con diferentes desvíos estándar du y dl respectivamente, dados por las ecuaciones siguientes: 𝑑𝑢=(𝑋𝑢+𝑌𝑢log𝛩 𝛩0)(𝐿𝐸𝑋,8ℎ−𝐿0)2 Ecuación 3.20 𝑑𝑙=(𝑋𝑙+𝑌𝑙log𝛩 𝛩0)(𝐿𝐸𝑋,8ℎ−𝐿0)2 Ecuación 3.21 Para determinar el fractil Q, NQ, se aplican las ecuaciones Ecuación 3.22 y Ecuación 3.23 según que Q esté comprendido entre 0,05 y 0,50 o entre 0,50 y 0,95: 28 𝑁𝑄=𝑁0,50+𝑘·𝑑𝑢 (0,05≤𝑄<0,50) Ecuación 3.22 𝑁𝑄=𝑁0,50−𝑘·𝑑𝑙 (0,50<𝑄<0,95) Ecuación 3.23 donde k tiene el mismo significado que en el caso de la presbiacusia (Ecuación 3.6 y Ecuación 3.7). A modo de ejemplo, en la Tabla 3.9 se incluyen los valores correspondientes a las frecuencias 1000 Hz, 2000 Hz y 4000 Hz para exposiciones durante 10 y 40 años y fractiles 0,90, 0,50 y 0,10 cuando LEX,8h = 90 dBA, es decir la exposición que toleran las reglamentaciones de muchos países, entre ellos la Española. 28 Para los rangos Q < 0,05 y Q > 0,95 los valores obtenidos no son suficientemente confiables pues no están respaldados por suficiente evidencia experimental. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 55 Frecuencia [Hz] Duración de la exposición [años] 10 40 0,90 0,50 0,10 0,90 0,50 0,10 1000 0 0 0 0 0 0 2000 0 2 6 4 6 10 4000 7 11 15 11 15 20 Tabla 3.9 Desplazamiento del umbral debido al ruido, NQ, en dB, para diversas frecuencias, exposiciones y fractiles, siendo LEX,8h = 90 dBA. [16] Vemos, por ejemplo, que un 10% de los individuos expuestos durante 40 años a 90 dBA de carácter laboral desarrollarán un desplazamiento permanente del umbral de 20 dB o más en la frecuencia 4000 Hz (sin tener en cuenta aún el efecto de la edad). Llegamos finalmente a la combinación de los dos efectos: el de la edad y el del ruido. Podría pensarse que simplemente se suman, y de hecho es lo que sucede para desplazamientos del umbral pequeños. Para desplazamientos considerables, esta aproximación no es válida y entonces debe aplicarse la fórmula siguiente: 𝐻′=𝐻+𝑁−𝐻𝑁 120 Ecuación 3.24 que para un fractil Q dado se convierte en 𝐻′𝑄=𝐻𝑄+𝑁𝑄−𝐻𝑄𝑁𝑄 120 Ecuación 3.25 El término HN/120 tiene en cuenta que para desplazamientos grandes, el efecto posterior de un agravante (como lo es el ruido) no es tan importante como cuando el desplazamiento es relativamente menor, por lo que empieza a modificar de forma significativa el resultado solamente cuando H+N es superior a 40 dB aproximadamente. A modo de ejemplo, supongamos una población de varones de 60 años expuestos laboralmente desde los 20 a 90 dBA. Nos interesa saber cuál es la mediana del desplazamiento y el desplazamiento correspondiente al fractil 0,1. Considerando que esta población acumulará una exposición de 60 – 20 = 40 años, en el primer caso podemos escribir: Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 56 𝐻′0,50=28+15−28·15 120 =43−3,5=39,5 𝑑𝐵 y en el segundo 𝐻′0,10=55+20−55·20 120 =75−9,2=65,8 𝑑𝐵 Es decir, un 50% de los individuos expuestos al régimen citado tendrá una pérdida de alrededor de 40 dB en la frecuencia 4000 Hz, mientras que un 10% de tales individuos habrán perdido 66 dB. 3.3. Maniquí 3.3.1. UNE EN ISO 11904-2005 Ésta es la norma española equivalente a la norma ISO 11904:2004, de carácter internacional, la cual determina la inmisión sonora de fuentes sonoras colocadas cerca del oído, en cuyas situaciones el nivel de presión sonora medido en la posición de la persona expuesta (pero estando la persona ausente) no representa de manera adecuada la exposición sonora. Para poder evaluar la exposición mediante criterios firmemente establecidos, la exposición del oído se mide y posteriormente se convierte en un nivel en campo libre o campo difuso correspondiente. El resultado aparece como un nivel asociado de presión sonora continuo equivalente ponderado A en campo libre o en campo difuso, LFF,H,Aeq o LDF,H,Aeq cuando se utiliza la Norma ISO 11904-1, o LFF,M,Aeq o LDF,M,Aeq cuando se utiliza la Norma ISO 11904-2. [21] La Norma ISO 11904-1 describe las mediciones realizadas utilizando micrófonos miniatura o micrófonos sonda insertados en los oídos de sujetos humanos (micrófono en un oído real, técnica MIRE). La Norma ISO 11904-2 describe las mediciones realizadas utilizando un maniquí equipado con simuladores de oído que incluyen micrófonos (técnica del maniquí). La Norma ISO 11904 puede, por ejemplo, aplicarse a ensayos de equipos y a la determinación de la exposición al ruido en el lugar de trabajo donde, en el caso de la exposición debida a fuentes próximas a los oídos, el nivel de presión sonora medido en la posición de la persona expuesta (pero estando la persona ausente) no representa de manera adecuada la exposición sonora. Ejemplos de aplicaciones son los auriculares u orejeras utilizados para reproducir la música o la palabra, tanto en el lugar de trabajo como en el Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 57 tiempo de ocio, pistolas de clavos usadas cerca de la cabeza, y la exposición combinada a una fuente sonora próxima al oído y a un campo sonoro externo. Cuando deben someterse a ensayo equipos de tipos específicos (por ejemplo, aparatos de música portátiles o protectores de oídos suministrados con receptores de radio), se deben utilizar señales de ensayo adecuadas para este tipo de equipo determinado. En la Norma ISO 11904 no se incluyen dichas señales de ensayo ni tampoco las condiciones de funcionamiento del equipo, pero pueden especificarse en otras normas. 3.3.1.1. Parte 2: Técnica que utiliza un maniquí Esta parte de la Norma ISO 11904 especifica métodos de medición, en situaciones de trabajo típicas, de la inmisión sonora de fuentes sonoras colocadas cerca del oído. Estas mediciones se realizan con un maniquí equipado con simuladores de oído que incluyen micrófonos. Los valores medidos se convierten subsecuentemente en los correspondientes niveles en campo libre o en campo difuso. Los resultados aparecen como niveles de presión sonora continuos equivalentes ponderados A asociados a campo libre o a campo difuso. La técnica se denomina técnica del maniquí. Esta parte de la Norma ISO 11904 especifica métodos de medición, en situaciones de trabajo típicas, de la inmisión sonora de fuentes sonoras colocadas cerca del oído. Estas mediciones se realizan con un maniquí equipado con simuladores de oído que incluyen micrófonos. Los valores medidos se convierten subsecuentemente en los correspondientes niveles en campo libre o en campo difuso. Los resultados aparecen como niveles de presión sonora continuos equivalentes ponderados A asociados a campo libre o a campo difuso. La técnica se denomina técnica del maniquí. Esta parte de la Norma ISO 11904 es aplicable en el rango de frecuencias de 20 Hz a 10 kHz. En el caso de frecuencias por encima de los 10 kHz, se puede hacer uso de la Norma ISO 11904-1. Para los fines de esta norma se aplican los siguientes términos y definiciones: Nivel de presión sonora del maniquí, LM,exp,f: Nivel de presión sonora continuo equivalente en bandas de un tercio de octava con una frecuencia central nominal f, medido con el micrófono de un simulador de oído integrado en un maniquí cuando el maniquí está expuesto al sonido sometido a ensayo. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 58 Respuesta en frecuencia en campo libre a utilizar con maniquíes, ΔLFF,M,f: Respuesta en frecuencia en campo libre de una persona promedio a utilizar con maniquíes, corregida para la diferencia entre la transmisión sonora dentro del canal auditivo de una persona promedio y la transmisión correspondiente al simulador de oído del maniquí. NOTA 1 − Para la aplicabilidad con los maniquíes, la referencia del tímpano se sustituye por la salida del simulador de oído del maniquí en valores tabulados de ΔLFF,M,f. NOTA 2 − La respuesta en frecuencia en campo libre para su uso con maniquíes es idéntica a la amplitud de la función de transferencia asociada a la cabeza (HRTF) para incidencia sonora frontal. NOTA 3 − En la Norma ISO 11904-1 se define la respuesta en frecuencia en campo libre de una persona. Respuesta en frecuencia en campo difuso a utilizar con maniquíes; ΔLDF,M,f: Respuesta en frecuencia en campo difuso de una persona promedio a utilizar con maniquíes, corregida para la diferencia entre la transmisión sonora dentro del canal auditivo de una persona promedio y la transmisión correspondiente del simulador de oído del maniquí. NOTA 1 − Para la aplicabilidad de los maniquíes, la referencia del tímpano se sustituye por la salida del simulador de oído del maniquí en valores tabulados de ΔLDF,M,f. NOTA 2 − En la Norma ISO 11904-1 se define la respuesta en frecuencia en campo difuso de una persona. Nivel de presión sonora asociado a campo libre determinado con un maniquí; LFF,M: Nivel de presión sonora en campo libre determinado con el método de esta parte de la Norma ISO 11904. NOTA 1 − La definición se puede aplicar a frecuencias específicas o a bandas de frecuencias, a niveles ponderados o no ponderados, a ponderaciones temporales específicas, etc., por ejemplo el nivel de presión sonora continuo equivalente ponderado A asociado a un campo libre (asociado a un campo libre LM,Aeq, más abreviadamente LFF,M,Aeq). NOTA 2 − El método está dirigido a obtener el nivel de presión sonora asociado a un campo libre promedio que se obtendría con una población humana muy extensa. NOTA 3 − En la Norma ISO 11904-1 se define el nivel de presión sonora asociado a un campo libre para una persona. Nivel de presión sonora asociado a campo difuso determinado con un maniquí; LDF,M: Nivel de presión sonora en campo difuso determinado con el método de esta parte de la Norma ISO 11904. NOTA 1 − La definición se puede aplicar a frecuencias específicas o a bandas de frecuencias, a niveles ponderados o no ponderados, a ponderaciones temporales específicas, etc., por ejemplo el nivel de presión sonora continuo equivalente ponderado A asociado a un campo difuso (asociado a un campo difuso LM,Aeq, más abreviadamente LDF,M,Aeq). Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 59 NOTA 2 − El método está dirigido a obtener el nivel de presión sonora asociado a un campo difuso promedio que se obtendría con una población humana muy extensa. NOTA 3 − En la Norma ISO 11904-1 se define el nivel de presión sonora asociado a un campo difuso para una persona. Un maniquí (simulador de cabeza y de torso) se expone a la(s) fuente(s) sonora(s) en cuestión y, para cada uno de los simuladores de oído integrados en el maniquí, se mide, en bandas de frecuencia de un tercio de octava, el nivel de presión sonora, LM,exp,f. Cada uno de los niveles en banda de un tercio de octava se ajusta con la respuesta en frecuencia en campo libre o en campo difuso para el maniquí, ΔLFF,M,f o ΔLDF,M,f, para obtener los correspondientes niveles de presión sonora asociados al campo libre o al campo difuso en banda de un tercio de octava. Estos niveles en banda de un tercio de octava se ajustan utilizando constantes ponderadoras A, y a continuación se combinan para obtener el nivel de presión sonora continuo equivalente ponderado A asociado a campo libre o a campo difuso, LFF,M,Aeq o LDF,M,Aeq. Las mediciones pueden realizarse para uno o ambos oídos, según proceda. La respuesta en frecuencia en campo libre o en campo difuso para utilizar con maniquíes se toma de la Tabla 3.10. El maniquí utilizado debe cumplir los requisitos de la Norma ITU-T P.58:1996, apartado 4.3 (primer párrafo), y apartados 5.1 y 6.1, para el simulador de oído y las características acústicas del maniquí, respectivamente. [22] En los casos donde las fuentes sonoras (como los auriculares u orejeras con dispositivos de comunicación) toquen la oreja, estos se deben acoplar al simulador de oreja y a la extensión del canal auditivo de una forma lo más próxima posible a la manera en que está acoplado al oído humano. NOTA − En los casos donde los auriculares u orejeras u otros objetos tocan la oreja, la desviación en la rigidez o en la forma de la oreja artificial frente a las orejas humanas tiene un impacto significativo en el resultado e incluso puede invalidar dichos resultados. Con el maniquí expuesto al sonido sometido a ensayo, se deben medir, con cada simulador de oído, los niveles de presión sonora continuos equivalentes para cada banda de frecuencia de un tercio de octava. El rango de frecuencias debe cubrir todas las frecuencias de interés para el propósito del ensayo, y se debe garantizar una relación señal/ruido de al menos 10 dB Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 3: Normativa 60 en cada banda de frecuencias de un tercio de octava. Se debe especificar si solo se utiliza un simulador de oído. Se debe escoger el período de medición para obtener una representación adecuada de la exposición al sonido. Para la banda de frecuencias de un tercio de octava con una frecuencia central de banda f, el período de medición t debe ser como sigue: 𝑡≥5000 𝑓 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓≤2000 𝐻𝑧 Ecuación 3.26 y 𝑡≥2,5 𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓>2000 𝐻𝑧 Ecuación 3.27 NOTA 1 − Las especificaciones dadas se refieren a ruido aleatorio; para otros tipos de señal de ensayo, se pueden utilizar otros períodos siempre y cuando la incertidumbre de medición no aumente. El nivel en cada banda de frecuencias de un tercio de octava se debe corregir para la respuesta en frecuencia de presión del micrófono del simulador de oído. NOTA 2 − La respuesta en frecuencia de presión del micrófono se puede obtener a partir de los datos de calibración del fabricante. El resultado, el nivel de presión sonora en bandas de un tercio de octava del maniquí sometido a ensayo durante la exposición al sonido, se simboliza con LM,exp,f. Para obtener el nivel de presión sonora asociado a campo libre o a campo difuso en bandas de un tercio de octava, LFF,M,f o LDF,M,f, se debe restar del nivel de presión sonora del maniquí, LM,exp,f, la respuesta en frecuencia en campo libre o en campo difuso, ΔLFF,M,f o ΔLDF,M,f, 𝐿𝐹𝐹,𝑀,𝑓=𝐿𝑒𝑎𝑟,𝑒𝑥𝑝,𝑓−∆𝐿𝐹𝐹,𝑀,𝑓 Ecuación 3.28 𝐿𝐷𝐹,𝑀,𝑓=𝐿𝑒𝑎𝑟,𝑒𝑥𝑝,𝑓−∆𝐿𝐷𝐹,𝑀,𝑓 Ecuación 3.29 ΔLFF,M,f o ΔLDF,M,f se deben tomar de la Tabla 3.10. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 61 Frecuencia central en bandas de un tercio de octava Respuesta en frecuencia en campo libre ΔLFF,M,f Respuesta en frecuencia en campo difuso ΔLDF,M,f Hz dB dB ≤100 0 0 125 0,4 0,3 160 0,8 0,6 200 1,2 0,9 250 1,5 1,2 315 1,5 1,4 400 1,7 1,8 500 2,1 2,3 630 2,5 3,2 800 2,2 4,0 1 000 1,7 4,6 1 250 3,8 6,0 1 600 8,4 8,1 2 000 12,9 11,4 2 500 15,6 15,0 3 150 15,6 14,2 4 000 14,2 11,9 5 000 10,6 9,8 6 300 4,0 8,5 8 000 2,0 11,0 10 000 −0,3 7,1 NOTA 1 − Los datos se han sacado de la Referencia [23]. NOTA 2 − Los datos de entrada obstruida del humano promedio de la Referencia [24] se han transferido al tímpano del maniquí utilizando la entrada obstruida a la función de transferencia del tímpano del maniquí para simuladores de oído de acuerdo con la Norma IEC 60711 (véase Referencia [23]). Las desviaciones sistemáticas se hallan para la exposición a las fuentes sonoras colocadas cerca del oído medido con maniquís, comparado con las mediciones MIRE utilizando personas. Como compensación, las respuestas en frecuencia listadas en esta tabla difieren de las respuestas en frecuencia de los maniquíes especificados en la norma ITU-T P.58 o en la Norma IEC 60959. Tabla 3.10 Respuesta en frecuencia (Maniquí). [21] Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 62 4. Diseño del prototipo 4.1. Introducción Para realizar las medidas necesarias para la predicción del daño auditivo se ha diseñado una serie de elementos hardware que forman un sistema completo de medida susceptible de ser calibrado. El sistema está formado por unos auriculares supraaurales con unos micrófonos integrados y sus respectivos preamplificadores. De esta manera es posible medir el nivel de presión sonora al que se somete cada individuo. La inmisión de fuentes sonoras colocadas cerca del oído viene regulada por la norma ‘UNE EN ISO 11904-2005’ y consta de dos partes. La primera describe las mediciones realizadas utilizando micrófonos miniatura insertados en los oídos de personas. La segunda parte de la norma describe las mediciones realizadas utilizando un maniquí equipado con simuladores de oído que incluyen micrófonos. Se ha diseñado un maniquí de este tipo para calibrar el sistema. El resto de elementos del sistema es una tarjeta de sonido Roland ‘OCTA-CAPTURE’ conectado vía USB a un equipo en el que se ejecuta el software programado en MATLAB. 4.2. Elementos Hardware 4.2.1. La cápsula electret Debido a las limitaciones de tamaño y la necesidad de realizar medidas de calidad, las cápsulas electret son la elección dentro de la variedad posible de tipos de micrófono. Los micrófonos electret son los mejores micrófonos omnidireccionales en relación calidad/precio. Tienen alta sensibilidad, larga duración, son extremadamente compactos y requieren de poca energía para funcionar. Son una versión modificada de los clásicos micrófonos de condensador, los cuales aprovechan los cambios en la capacidad debido a las vibraciones mecánicas para producir variaciones de voltaje proporcionales a las ondas sonoras. El micrófono de condensador necesita una tensión de polarización para crear un campo eléctrico, sin embargo el electret lleva incorporadas unas cargas desde su fabricación, y los pocos voltios necesarios son para alimentar el transistor FET integrado. Las típicas cápsulas electret son dispositivos de dos terminales que se comportan como fuentes de corriente cuando se polarizan con tensiones entre 1 y 9 voltios, y generalmente consumen menos de medio miliamperio. Esta energía es consumida por el FET integrado, que actúa como un pequeño preamplificador. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 63 En particular se eligió el modelo WM61A de Panasonic. Esta cápsula está compuesta por: Figura 4.1 Componentes de una cápsula electret. A: Cubierta metálica. Protege y aísla el dispositivo. B: Arandela aislante. Se interpone entre las partes D y E para separarlas eléctricamente. C: Estructura de plástico. Da forma al interior. D: Material electret. Es una de las placas del condensador. Se trata de un dieléctrico al que se le han incorporado cargas fijas. De esta forma no necesitamos una tensión adicional para alimentar el condensador, sino que utilizamos un material que está cargado de forma permanente. Su marco está en contacto con la cubierta metálica A. E: Placa de metal. La otra placa del condensador. Por su parte de arriba está enfrentada al electret mientras que por abajo conecta con la puerta del FET. F: FET 2SK123. G: Placa de circuito impreso. En esta placa están soldados los cables, y también el FET. Se puede observar que el terminal superior corresponde al drenador, y el inferior a la fuente. 4.2.1.1. Modificación Linkwitz Las cápsulas electret vienen preamplificadas gracias al transistor JFET alojado en su interior. Como se muestra en la Figura 4.2, el FET está conectado en configuración de fuente común. En reposo, el FET se autopolariza y las leves variaciones de tensión que produce el micrófono varían la corriente de polarización del FET. La resistencia de carga convierte estas variaciones en tensión. De esta forma la cápsula actúa como una etapa clase A sin realimentación de ningún tipo. Esto es una ventaja cuando queremos captar sonidos débiles, pero para niveles de presión sonora elevados el FET integrado satura y entrega una señal distorsionada [25]. Para ampliar el rango dinámico a costa de no preamplificar los sonidos débiles debemos modificar la conexión del FET. Para ello hemos modificado la cápsula para que el FET funcione en configuración de drenador común (seguidor de fuente) en vez de amplificador de voltaje (fuente común, etapa clase A) aumentando la linealidad en la zona Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 70 4.2.3.1. Características Se ha utilizado unos auriculares supraaurales cerrados Sennheiser eH150. Son unos auriculares dinámicos ligeros que proporcionan un buen aislamiento contra el ruido ambiental. Datos técnicos:  Impedancia 32 Ω  Respuesta en frecuencia 18 Hz – 18000 Hz (-3 dB/1 kHz)  Transductor Electrodinámico  Nivel de presión sonora 115 dB (1 kHz, 1 VRMS)  THD < 0.5%  Tipo de acoplamiento Supraaural, cerrado  Peso (sin cable) aprox. 130 g.  Conector Jack de 3,5 mm con adaptador a Jack de 6,3 mm  Cable 3 m, OFC (Cobre libre de oxígeno) Para acoplar los micrófonos a los auriculares, ha sido necesario realizar un orificio en cada almohadilla. Este orificio se sitúa en el lado opuesto al relleno acolchado respecto a la costura y próximo a ésta. Su posición permite que el micrófono se sitúe en el espacio que se crea entre la cavidad de la concha y el altavoz del auricular, accediendo por la parte superior del trago del pabellón auditivo. El diámetro del orificio es de 3 mm y viene marcado por el cable utilizado. El acoplamiento entre ambos es muy ajustado para que el micrófono se mantenga en su posición de manera estable. Figura 4.15 Detalle del acoplamiento entre preamplificador y auricular. Las cajas de los preamplificadores se han fijado mediante bridas a los extremos de la diadema de los auriculares, de tal manera que no impiden el ajuste de cada auricular a lo largo de la diadema. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 71 4.2.4. El maniquí Un maniquí de medidas típico consiste en un par de micrófonos montados en el interior de unas orejas artificiales localizadas a los lados de una cabeza artificial. Este tipo de dispositivos se han utilizado generalmente para realizar grabaciones binaurales, con las que se consiguen señales que nuestro cerebro interpreta para localizar las fuentes sonoras en el espacio tridimensional cuando son escuchadas mediante auriculares. Más recientemente ha sido posible realizar con ellos medidas acústicas para sintetizar los efectos de la cabeza y orejas electrónicamente, mediante procesado digital de señales. Esta técnica tiene dos defectos: pobres efectos “de altura” y de discriminación delante-atrás. Estas inexactitudes espaciales son a menudo pasadas por alto o ignoradas para los propósitos de grabación, donde la mayoría de las fuentes sonoras se encuentran en frente de la cabeza artificial/oyente, y no en estas posiciones más extremas. Muchos investigadores se han preguntado por qué sus sistemas de cabezas artificiales han resultado inadecuados en los aspectos mencionados. Algunos han repetido las medidas introduciendo micrófonos miniatura en los oídos y conductos auditivos reales de los voluntarios de los experimentos. Otros han recurrido a la construcción de sus propias cabezas artificiales, tratando de mejorar los productos de los fabricantes comerciales, y en algunos casos, las orejas utilizadas han sido réplicas de las de los voluntarios. En un ejemplo extremo, Hugo Zuccarelli intentó simular la anatomía del cráneo, incluyendo los huesos, los conductos auditivos ovalados y doblemente torcidos, las trompas de Eustaquio, dientes y piel, con el fin de acercarse a la realidad lo más fielmente posible. Zuccarelli incluso afirmó que era necesaria una peluca a fin de conseguir una buena discriminación delante-atrás. Claramente, este último enfoque es puramente impropio de un producto comercial, en términos de coste y factores operativos (peso, dimensiones, apariencia…). Además, este planteamiento no permite la creación de un sistema con una coincidencia adecuada izquierda-derecha, debido a que desigualdades muy pequeñas generadas en la fabricación (como el tamaño, la forma o la posición de cualquiera de las cavidades acústicas de la estructura) crean diferencias significativas en las propiedades generales y HRTFs. Se cree que la primera demostración del efecto estereofónico tuvo lugar en París en la década de 1890, cuando se colocaron en fila varios micrófonos en la parte delantera de un escenario, cada uno de los cuales estaba conectado a unas piezas en una habitación adyacente, que los oyentes colocaban en sus orejas y les proporcionaban una reproducción muy realista que mantenía las propiedades espaciales. El primer informe explícito de un método de Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 72 reproducción de sonido usando una cabeza de maniquí aparece en 1927. Su objetivo era grabar sonidos de tal forma que las diferencias de tiempo y de amplitud entre las señales L y R propias de la cabeza, fueran convolucionadas acústicamente con los sonidos. Su posterior reproducción se logró utilizando reproductores comunes de auriculares (o altavoces equidistantes colocados directamente a la izquierda y a la derecha del oyente), de manera que "los orígenes virtuales de sonido fueron asegurados". La patente británica de Blumlein, [28], explica cómo conseguir que el volumen de los altavoces dependa de la dirección de la fuente sonora, mediante el uso de dos o más micrófonos junto a los elementos apropiados de los circuitos de transmisión, a la vez que expone los medios necesarios para cortar los discos de vinilo y grabar así las señales. La grabación y reproducción sonora en estéreo no fue comercialmente explotada hasta la década de 1950. En la actualidad, los equipos estéreo convencionales están basados en gran parte en la amplitud estéreo de Blumlein, donde una serie de grabaciones monoaurales independientes se sitúan espacialmente en el campo sonoro existente entre los altavoces del oyente en base a las diferencias en el nivel sonoro entre los canales izquierdo y derecho. Esto se conoce como panorama. Es posible añadir reverberación artificial y otros efectos para mejorar los efectos espaciales (la acústica de la habitación, y la distancia) de estas grabaciones. Cuando se realizan grabaciones en vivo, es habitual el uso de parejas de micrófonos estéreo colocados de manera coincidente o no coincidente. La separación se puede aproximar al ancho de una cabeza. Esta técnica es un método para reproducir una imagen acústica natural de una actuación. Pero han habido varios periodos desde la década de los años 50 donde se ha experimentado con el uso del método de grabación con cabezas artificiales para producir señales binaurales intentando mejorar la calidad de la imagen estéreo. Históricamente, el término "estereofónico" fue acuñado en la década de 1950 para denominar la reproducción de sonido a través de dos o más canales de transmisión. En la década de 1970, resurgió el interés en utilizar micrófonos introducidos en cabezas de maniquí como técnica de grabación, y la expresión "binaural" fue acuñada en exclusiva para las grabaciones hechas por esos medios. Más recientemente, el término "binaural" también se ha utilizado para los equivalentes electrónicos, donde se sintetizan y procesan los efectos acústicos de la cabeza humana y el oído externo. Los sistemas de grabación binaural que emplean maniquíes están compuestos por una cabeza artificial de tamaño natural y a veces torso, en la que se monta una pareja de micrófonos de Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 73 alta calidad en la posición del canal auditivo. Las partes externas de la oreja se reproducen según las dimensiones medias humanas, y se fabrican a partir de siliconas o materiales parecidos, de manera que los sonidos que graban los micrófonos han sido modificados acústicamente por la cabeza y orejas artificiales a fin de que posean las curvas naturales de localización del sonido usadas por el cerebro. A raíz del desarrollo de las cabezas artificiales, un tanto básicas y sencillas, para la grabación de sonidos binaurales en los años 1930 y 1940, los expertos en acústica se dieron cuenta de que éste era un soporte ideal para la prueba y evaluación de los audífonos y otros dispositivos, como los protectores auditivos. En consecuencia, surgió un interés más académico en el desarrollo de las cabezas artificiales, cuidando más los detalles en su construcción e ingeniería. Por ejemplo, los trabajos de Torick [29] y Burkhardt y Sachs [30] son dos excelentes documentos para obtener más información sobre las cabezas artificiales. Pronto se hizo evidente que, aunque las primeras cabezas artificiales eran adecuadas para la grabación binaural, eran representaciones pobres de la anatomía humana. La principal razón era que las cabezas se equipaban con micrófonos cuya cápsula se situaba al final de la cavidad de la concha, en lugar del final del conducto auditivo simulado. Aunque esto no es un problema para situaciones de grabaciones binaurales, es evidente que no es lo adecuado para el desarrollo de audífonos, donde la presencia de la impedancia acústica del propio canal auditivo se convierte en una característica importante. Con el fin de remediar esta carencia, el profesor Zwislocky, de la Universidad de Syracuse, ideó un acoplador acústico para imitar las propiedades del canal auditivo. Ésto fue descrito en varios informes internos de la universidad, y más tarde se desarrolló comercialmente para su uso en el maniquí KEMAR, desarrollado por Knowles Electronics, quienes mejoraron la estructura original desde el punto de vista de la fabricación. El acoplador Zwislocki es de acero inoxidable, tiene forma de cubo (21,5 x 21,5 x 15 mm), con un orificio de entrada en una cara, para el acoplamiento a una oreja artificial, y otro orificio para un micrófono de 12 mm en la cara opuesta. En cada una de las cuatro caras restantes se acopla un circuito acústico pequeño y sintonizado llamado rama lateral. Cada rama lateral tiene una inertancia, resistencia y compliancia específicas, de tal manera que la impedancia total frente a las características de frecuencia del acoplador se asemeja al promedio del hombre adulto, con gran exactitud, hasta aproximadamente los 8 kHz. Para Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 74 frecuencias mayores, se supone que la respuesta de la membrana del micrófono se vuelve muy diferente a la de la membrana del tímpano. En términos de investigación acústica, esta forma de acopladores, junto a otros productos similares de diferentes fabricantes, se adoptaron para aplicaciones donde era necesaria una alta precisión en la simulación del canal auditivo. Sin embargo, para la grabación de audio, el canal auditivo presenta un grave problema práctico, ya que en la primera resonancia a un cuarto de la longitud de onda, el canal auditivo simulado crea una ganancia de entre 10 y 15 dB sobre 3,9 kHz, y a esto se le suma la igualmente importante resonancia de la cavidad de la concha cerca de los 2,8 kHz. La consecuencia es que hay un pico de resonancia de unos 25 o 30 dB sobre los 3 kHz que debe ser compensado, o las grabaciones serán tonalmente incorrectas. Corregir anomalías de este calibre es posible. Es difícil de lograr usando métodos analógicos, pero es factible con el uso de filtros digitales. Sin embargo, aun cuando ésto se consigue, se disminuye la relación señal a ruido, porque la resonancia ha impulsado las regiones no resonantes de la respuesta unos 30 dB hacia el ruido de fondo del sistema. Adicionalmente, el uso de micrófonos de 12 mm exige que éstos no sean de estudio, con un peor rendimiento del ruido. Por estas razones, los sistemas basados en cabezas sin canal auditivo siguen siendo los preferidos para las grabaciones de estudio, donde se exigen las mejores relaciones señal a ruido posibles. Sin embargo los niveles de presión sonora aumentan linealmente desde la entrada del canal auditivo hasta el tímpano [31], por lo que se ha exigido la verificación del uso de cabezas artificiales sin simuladores de conducto auditivo. Sin embargo, este resultado debe considerarse con mucha cautela, debido a sus métodos experimentales, pues la introducción de los pequeños transductores de medida en el interior de la concha o del canal auditivo puede afectar a las propiedades acústicas globales del oído de manera sustancial. [32] Existen muchos tipos de cabezas artificiales disponibles en el mercado actualmente. Los cuatro tipos descritos a continuación son los más utilizados. B&K type 4100, de la empresa Brüel & Kjæl. Se trata de una cabeza artificial montada en un simulador de torso, cuyo interior está forrado de material absorbente. Los micrófonos van montados directamente sobre las placas metálicas a los lados de la cabeza. El cuello se puede ajustar, de manera que se inclina hacia delante, hasta un ángulo de 17º. Los simuladores del pabellón auditivo son de silicona, dimensionados según las normas EC 959 y CCITT P.58, Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 75 pero sin las extensiones de canal auditivo, y llevan unos micrófonos B&K 4165 con la cápsula situada en la cavidad de la concha. El peso total es de 7,9 kg. Figura 4.16 B&K type 4100 Neumann Ku 100, sucesora de las series Ku 80 y Ku 81, fabricadas por Georg Neumann GmbH y usada desde finales de la década de 1970. La Ku 80 fué mejorada y cambió su nombre a Ku 81 en 1981, y ha tenido importantes variaciones incluyendo el sufijo “i” mejorando la compatibilidad con los altavoces (en relación con los cambios en los filtros de ecualización). La cabeza es un elemento sólido, de goma, la cual se puede separar en dos partes (delantera y trasera), para acceder al compartimento donde se alojan los micrófonos y las baterías. La cabeza está equipada con canales auditivos artificiales de tipo acopladores de micrófono, y usa la serie de micrófonos de condensador miniatura Nuemann KM100 de 21 mm, con preamplificadores FET integrados. Dispone de ecualización electrónica, mediante filtros analógicos, y se alimenta mediante baterías, estando todo integrado en la propia cabeza. La cabeza viene preparada para colocar en un soporte tipo trípode y no tiene hombros. Su peso es 2,7 kg y es de color negro mate. Figura 4.17 Neumann Ku 100 Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 76 Aachen (Head Acoustics), fabricada por Head Acoustics GmbH, se diferencia de otras cabezas artificiales en que se basa en una estructura muy simplificada, la cual cumple las características más importantes de la audición humana [33]. La forma de los oídos y las dimensiones de la cabeza se ajustan a un conjunto de ecuaciones que simplifican su construcción. Se desarrolló inicialmente para la medición del ruido en la industria automotriz. Está preparada para montar en trípode, y dispone de unos hombros extraíbles. Su peso es de 7 kg, y es de color negro mate. Una unidad de ecualización se suministra habitualmente con la cabeza. Figura 4.18 Aachen (Head Acoustics) KEMAR, fabricado por Knowles Electronics Inc. fue desarrollado en la década de 1970, y se ha utilizado ampliamente para la investigación y el desarrollo de audífonos. El sistema está disponible en forma modular, que incluye un torso opcional. La cabeza está hueca, con la división en torno a la periferia superior del cráneo, y las superficies interiores se han recubierto con resina epoxi rellena de plomo con el fin de amortiguar las resonancias y reducir la transmisión del sonido a través de su interior. Lleva instalados micrófonos B&K de 12 mm mediante acopladores Zwislocki, y las entradas del acoplador se conectan directamente a las aberturas de los pabellones auditivos de silicona. El pabellón de la oreja de goma es una mezcla de dos tipos diferentes con el fin de simular lo más fielmente posible las propiedades mecánicas del oído humano. Están disponibles varias unidades de cuello diferentes, con diferentes alturas. Varios tipos de oído están disponibles, también, para diferentes aplicaciones. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 77 Figura 4.19 KEMAR Ninguna de las cabezas comerciales mencionadas percibe la altura de manera adecuada, y tienen una discriminación delante-atrás pobre, debido a la ineficiencia de los oídos artificiales que se han usado en el pasado [32]. Algunos investigadores han hecho réplicas de oídos reales haciendo moldes de sus propios oídos o esculpiendo copias de oídos reales. Sin embargo, esto no es satisfactorio por las siguientes razones. a) La relación izquierda/derecha es muy pobre y no puede ser corregida o ajustada. b) Los errores que se producen en el molde introducen pérdidas y distorsión. c) No existe control sobre las dimensiones, y no se pueden especificar valores determinados. d) El acoplamiento entre la oreja y el canal auditivo o micrófono no está bien definido, siendo esta unión una característica muy crítica. 4.2.4.1. Características El tipo de oreja artificial elegido se basa en la patente de Alastair Sibbald de 1998. Sibbald afirma haber descubierto que lo que dicen otros autores con relación a la importancia de emplear materiales parecidos a la piel es acústicamente poco influyente. De hecho, Sibbald prefiere la utilización de materiales duros debido a la constancia en sus dimensiones físicas (las orejas de silicona pueden deformarse, distorsionando las formas y cavidades acústicas y por lo tanto alterando significativamente la HRTF asociada). Sibbald ofrece un pabellón y un canal auditivo dimensionados con precisión, que proporciona mejores indicaciones en cuanto a la altura de las fuentes de sonido y una mejor discriminación delante atrás, utilizando materiales que convencionalmente no han sido apropiados para orejas artificiales Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 78 y expone un método para fabricarlas de forma controlada y repetible, preferiblemente mediante el uso de herramientas de control numérico. Es importante entender el papel del canal auditivo en la tecnología de la cabeza artificial. Las primeras cabezas artificiales antes mencionadas no incorporaban canales auditivos artificiales, sino que simplemente insertaban los micrófonos de grabación en el pabellón con el diafragma del micrófono colocado más o menos donde estaría situada la entrada al canal auditivo. Hay varias razones para esto. En primer lugar el diámetro de los micrófonos, especialmente los de calidad de estudio, son mucho más grandes (20 mm o más) que el diámetro del conducto auditivo (7 mm o 8 mm), por lo que sería físicamente difícil montar un micrófono semejante en la estructura de un canal auditivo simulado. En segundo lugar el micrófono se fijaría en una cavidad, y por lo tanto sería menos sensible, y la cavidad sería resonante, por lo que introduciría efectos de filtrado de peine no deseados. Además, en el pasado se consideraba que el propio canal auditivo no contribuía a los efectos espaciales, y que éstos eran totalmente debidos a la presencia de la cabeza y la forma del pabellón auditivo. Casi sin excepción, cuando en el pasado se ha considerado importante la presencia de un canal auditivo artificial, se ha dicho que era necesario únicamente por las propiedades de adaptadores de impedancia o por razones físicas, y no necesariamente por las propiedades espaciales del sistema. De hecho, ha habido trabajos publicados en los que la presencia de un canal auditivo es innecesaria para las propiedades espaciales. Está claro que hay que tener en cuenta el diseño del canal auditivo cuando se prueban audífonos que se introducen dentro del canal auditivo, o tapones para los oídos, porque no se pueden usar micrófonos empotrados. Como siempre, en estas circunstancias no se considera la relevancia de la actuación sobre los efectos espaciales. Uno de los primeros informes sobre un sistema de cabeza artificial que incluía simuladores de canal auditivo se describe en el artículo de Bauer [34] (titulado “Réplica del oído externo para pruebas acústicas”) quien basó las dimensiones de su canal auditivo en los datos de [35], es decir, 22 mm de longitud y 7,6 mm de diámetro. Parece cierto que la longitud se comprobó a partir de mediciones de resonancia acústica (es difícil realizar mediciones físicas reales teniendo en cuenta el peligro potencial para los sujetos. Si esto es cierto, la resonancia a 3,9 kHz medida se ha usado para calcular una longitud del canal auditivo de 21,99 mm) pero esto asume una terminación en ángulo recto del canal auditivo, lo cual es incorrecto. Si se parte de esta base para hacer un canal auditivo simulado de 22 mm, con una terminación de 90º, efectivamente tendrá la resonancia “correcta” a 3,9 kHz, y uno podría pensar que la simulación ha sido validada. Sin embargo, Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 79 Sibbald afirma que se necesita una terminación de 45º para una respuesta espacial correcta, y la longitud debe ser calculada de manera diferente con el fin de proporcionar la correcta y natural frecuencia de resonancia a 3,9 kHz. Las propiedades resonantes del conducto auditivo son principalmente las de un tubo cerrado en un extremo, por lo que la resonancia fundamental se produce cuando un cuarto de la longitud de onda, λ, corresponde con la longitud del tubo, L, y por lo tanto λ=4L. Suponiendo que la velocidad del sonido en el aire es de 343 m/s, la frecuencia de resonancia, f (kHz), se puede calcular para que sea igual a 343/4L (donde L está en milímetros). El conducto auditivo de Bauer (et al.), mencionado anteriormente, similar al de Tokick (et al.), que se describirá a continuación, presenta una respuesta que muestra la resonancia fundamental en torno a los 3,9 kHz, lo cual es coherente con la longitud de 22 mm, de acuerdo con esta fórmula. En el sistema de cabeza artificial de E. L. Torick et al., de 1968, diseñado para las pruebas acústicas de los dispositivos de comunicación personal, también se le añadió al conjunto un conducto auditivo. Se trataba de asegurar que la carga acústica del sistema de medición fuera representativa de una situación de la vida real, y superior a los 6 cm3 y 2 cm3 de los acopladores acústicos conocidos hasta ese momento. Torick et al., intentaron hacer coincidir las constantes acústicas del canal auditivo y del tímpano mediante la construcción de un tubo prácticamente cilíndrico de aproximadamente 2,2 cm de longitud y 0,76 cm de diámetro con un volumen de 1 cm3. Torick conocía que Zwislocki había informado de un volumen efectivo de aproximadamente 1,6 cm3 para la combinación del canal auditivo y el tímpano, lo que le llevó a la conclusión de que la contribución del tímpano al volumen equivalente era de aproximadamente 0,6 cm3. Torick et al. procedieron a crear el modelo de elementos concentrados de la línea de transmisión del canal auditivo, y montar un micrófono B&K 4132 (con su rejilla) axialmente en el extremo de un tubo escalonado, que lleva una resistencia de amortiguación frente a la rejilla del micrófono. La resistencia se ajustó de tal manera que la impedancia total del sistema canal auditivo/micrófono fuera similar a la del canal auditivo de un oído real. Aunque los autores trataban de imitar la geometría de la disposición humana, el micrófono se montaba axialmente (es decir, alineado con el canal auditivo). En realidad, sin embargo, la membrana timpánica se encuentra con un ángulo de alrededor de 45º orientada hacia abajo (y muy ligeramente hacia delante). Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 86 entre ambas orejas, para que unos auriculares supraaurales comerciales se adapten cómodamente. La separación entre las dos orejas es de 15 cm., ligeramente superior a la medida recomendada en la ITU-T P.58 de 2013, donde se especifica que esta distancia debe medir entre 13 cm. y 13,3 cm., recomendando un valor nominal de 13,2 cm. Esta pequeña diferencia no es significativa para el desarrollo de este proyecto, pues los auriculares utilizados se adaptan perfectamente. Figura 4.25 Maniquí comercial utilizado para elaborar el maniquí de medidas. El primer paso en la elaboración del maniquí de medidas ha sido la realización de un corte en la parte superior de la cabeza para tener acceso a su interior. A continuación se ha procedido a la extracción de las orejas originales, pues la diferencia en las cavidades resonantes del pabellón auditivo izquierdo y derecho era evidente. Figura 4.26 Proceso de elaboración del maniquí de medidas. Para elaborar un sistema que permita cerrar la parte superior de la cabeza se han cortado unos segmentos de perfil de aluminio, obteniendo dos rectángulos de 3x5 cm. Se ha realizado Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 87 dos orificios roscados a cada rectángulo. Se ha añadido otros rectángulos de goma EVA, y se han atornillado en la parte forntal y trasera de la cabeza. De esta forma podemos abrir y cerrar la cabeza artificial para trabajar con comodidad en su interior, donde se alojarán los micrófonos y sus preamplificadores. El espesor de la fibra con que está hecho el maniquí es de aproximadamente 3 mm. Figura 4.27 Interior de la cabeza artificial La cavidad interior se ha recubierto con aglomerado de poliuretano para proporcionar una masa adicional y evitar resonancias internas. Se le ha añadido una cinta de goma adhesiva en el perímetro de los orificios de las orejas, así como en la abertura que da acceso al interior de la cabeza artificial, como material elástico para evitar que las partes sólidas puedan vibrar. Figura 4.28 Interior de la cabeza artificial con aislamiento acústico. El maniquí de medidas dispone de dos tipos de orejas. Por un lado se ha realizado el diseño 3D de unas orejas con el software Blender, siguiendo las pautas descritas en la patente de Alastair Sibbald. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 88 Figura 4.29 Captura de pantalla del software de diseño Blender. Se ha procedido a su fabricación mediante la técnica de impresión 3D. Para ello ha sido necesario realizar varias impresiones de prueba, inicialmente en plástico ABS, hasta conseguir el resultado deseado. Las modificaciones realizadas al diseño inicial han atendido a variaciones en las cavidades resonantes del pabellón auditivo, así como al acople entre la oreja y su soporte, pues las modificaciones realizadas en el soporte han requerido una actualización del diseño de la oreja. En la Figura 4.30 puede observarse la evolución del diseño de la oreja artificial. El diseño final ha sido realizado en plástico PLA. Figura 4.30 Diferentes orejas artificiales impresas en 3D. De izquierda a derecha siguen un orden cronológico en su diseño. Por otro lado se han adquirido unas orejas de silicona de la casa Soundlink Co. Ltd. Este tipo de orejas se vende como modelo para la colocación de audífonos en escaparates de tiendas especializadas y para que los empleados realicen prácticas de la toma de impresión de los conductos auditivos para la realización de los moldes que se utilizarán para fabricar audífonos y protectores auditivos a medida. Puesto que no incluyen el conducto auditivo entero, ha sido necesario adaptarle un canal auditivo que se ha diseñado y elaborado Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 89 siguiendo el mismo procedimiento que el otro tipo de oreja artificial. Para realizar el acoplamiento entre estas dos partes, se ha realizado una perforación con el uso de un sacabocado de 7 mm de diámetro. Este tipo de oreja cumple las medidas recomendadas por Sibbald, aunque difiere en las características del material de elaboración recomendado en su patente. Figura 4.31 Oreja de silicona, de la casa Soundlink, con conducto auditivo impreso en 3D. Para poder alojar las nuevas orejas se ha diseñado un sistema de sujeción de orejas intercambiables. Este sistema se ha diseñado para que soporte la presión que los auriculares ejercerán sobre las orejas. Una placa de fibra de vidrio recubierta de cobre sirve como tope de la superficie plana de la oreja artificial que da a la parte interior de la cabeza, y se le ha realizado una perforación para que sea atravesada por el canal auditivo. Figura 4.32 Soporte de oreja artificial. Figura 4.33 Soporte de oreja artificial con pieza de amortiguación de goma EVA. Se ha utilizado este material por la facilidad que ofrece para ser mecanizada mediante una fresadora después de haberla diseñado en el software KiCad. Para evitar posibles vibraciones indeseables, entre la oreja y la placa se ha introducido una pieza elaborada con goma EVA. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 90 La placa se sujeta a la cabeza mediante cuatro tornillos, a los que se les ha añadido un muelle, una palometa y sus correspondientes arandelas para así poder ajustar la inclinación del plano y por lo tanto tener la posibilidad de realizar un pequeño ajuste de la inclinación de la oreja sobre la cabeza. Figura 4.34 Detalle del soporte de orejas artificiales. Se ha colocado la caja con los preamplificadores de micrófono en el interior de la cabeza artificial. Como terminales de salida, se han colocado dos conectores XLR macho de chasis en la parte trasera del maniquí de medidas. Figura 4.35 Conexión trasera del maniquí de medidas. 4.2.5. Conexionado del sistema La tarjeta de sonido externa (1 en la Figura 4.36) es el dispositivo al cual se conecta el resto de dispositivos detallados anteriormente. Es necesario usar cinco de sus canales para establecer una completa conexión entre todos los elementos del sistema. A los canales 1 y 2 se conectan mediante cable XLR-XLR las dos salidas del maniquí (2 en la Figura 4.36). Estas salidas son una extensión de las salidas de los preamplificadores (3 en la Figura 4.36) del maniquí, que lo recorren internamente. Esta extensión es un cable con Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 91 conector miniXLR hembra en un extremo y en el otro lleva soldado el conector XLR macho de chasis. A las entradas de los preamplificadores están conectadas las cápsulas electret (4 en la Figura 4.36) mediante conexión miniXLR. A los canales 3 y 4 de la tarjeta de sonido se conectan los preamplificadores de los auriculares de medida (5 en la Figura 4.36) mediante cable XLR-miniXLR. Cada cápsula microfónica se conecta a la entrada de su preamplificador mediante un conector miniXLR. Al canal 5 de la tarjeta se conecta el micrófono de medida (6 en la Figura 4.36) mediante cable XLR-XLR, necesario para la calibración del sistema. Para poder realizar la calibración es necesario introducir el micrófono de medida en el calibrador acústico (7 en la Figura 4.36), pues es el elemento que inicia el proceso. Figura 4.36 Diagrama de conexionado del sistema (Ampliado en la sección de Planos) Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 92 4.2.6. Caracterización del sistema Una vez montados los elementos hardware se ha procedido a su caracterización. Cada elemento se ha evaluado con una serie de medidas que lo caracterizan. Las medidas acústicas se han realizado en el estudio de grabación de la escuela, por ser el recinto más adecuado de los que disponemos en la facultad. El aislamiento acústico y el tiempo de reverberación se alejan de los valores anocoicos ideales para este uso, pero las condiciones permiten unas medidas aceptables para configuraciones con relaciones señal a ruido elevadas. Las medidas de ruido de fondo son las más problemáticas pues el aislamiento acústico no es el adecuado. El equipo utilizado para las medidas acústicas ha sido un analizador de espectro Agilent 35670A, el micrófono de medida Behringer ECM8000, un preamplificador de micrófono de dos canales Behringer Ultragain Pro MIC2200, y un monitor autoamplificado Mackie TH-12A. Antes de realizar las medidas de caracterización de los dispositivos elaborados se ha procedido a evaluar ciertos parámetros del equipamiento utilizado para realizar las medidas. En primer lugar se ha realizado la calibración del micrófono patrón:  Se ha introducido el micrófono en el calibrador acústico.  Se ha ajustado la ganancia del canal del preamplificador hasta que el analizador de espectro ha marcado 1 VRMS a la frecuencia de 1 kHz mediante el análisis FFT. En el segundo canal del preamplificador se ha conectado el preamplificador elaborado, y a éste se le ha conectado una de las cápsulas electret. La salida de este canal del preamplificador se ha conectado al canal 2 del analizador. Se ha procedido a la calibración del micrófono a evaluar. Como el diámetro de la cápsula electret no se ajusta al calibrador acústico, se ha realizado el siguiente procedimiento:  Se ha ajustado el nivel de la fuente del analizador y del bafle para que emitiendo un tono de 1 kHz, el micrófono patrón marque 1 VRMS.  Con la fuente emitiendo a este nivel, se ha ajustado la ganancia del segundo canal del preamplificador hasta que el canal 2 del analizador ha marcado 1 VRMS. Una vez ajustadas las ganancias del preamplificador, se ha comprobado la respuesta del bafle a utilizar como fuente sonora para la medida. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 93  Se ha puenteado la fuente del analizador con el canal 1, conectando también el bafle en este punto.  Se ha conectado la salida del primer canal del preamplificador, donde está conectado el micrófono patrón, al canal 2 del analizador.  Se ha configurado el analizador para calcular la respuesta en frecuencia entre los canales 1 y 2, emitiendo un barrido de frecuencias. Figura 4.37 Módulo de la respuesta en frecuencia del monitor autoamplificado. Fuente: “Sweep Sine”. Otro procedimiento para calcular la respuesta en frecuencia consiste en generar una señal “Chirp” y analizar su FFT. Figura 4.38 Respuesta en frecuencia del monitor autoamplificado. Fuente: “Chirp”. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 94 Mediante este procedimiento la respuesta en baja frecuencia carece de precisión. Por esta razón se ha procedido a generar “Ruido Rosa” y analizar el espectro en tercios de octava. Figura 4.39 Respuesta en frecuencia del monitor autoamplificado. Fuente: “Ruido Rosa”. Mediante el análisis en tercios de octava se ha conseguido una definición correcta de la respuesta en baja frecuencia. Se puede observar que la respuesta se aleja de la respuesta plana ideal, y es necesario conocer esta respuesta para interpretar correctamente las respuestas en frecuencia calculadas a partir de esta fuente. En las tres respuestas se observa que la frecuencia de cruce entre las dos vías del monitor se encuentra en los 3 kHz, existiendo una caída superior a 6 dB. Conocida la respuesta del bafle se ha medido el ruido de fondo de los elementos que se encuentran en la cadena de medición, pues para verificar que el ruido medido en el dispositivo a caracterizar es propio del dispositivo, es necesario comprobar que el ruido de fondo de los elementos restantes de la cadena tenga un nivel inferior. Se ha comenzado midiendo el ruido de fondo del analizador de espectro. Para ello se ha conectado una resistencia de 1 kΩ entre los bornes del canal 1. Se ha configurado un promediado lineal de 10 segundos y se ha analizado el espectro en tercios de octava. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 95 Figura 4.40 Ruido de fondo del analizador de espectro. El siguiente elemento de la cadena es el preamplificador de micrófono. Se ha conectado la salida del primer canal del preamplificador al canal 1 del analizador de espectro, y el segundo canal del preamplificador al canal 2 del analizador, pero se ha desconectado las entradas del preamplificador. Se ha seguido el mismo procedimiento que para el ruido del analizador. Figura 4.41 Ruido del canal 1 del preamplificador de micrófono Behringer Ultragain Pro MIC2200. Los niveles de ruido de los dos canales del preamplificador son ligeramente diferentes debido a que el ajuste de ganancias de cada canal se ha realizado para calibrar los micrófonos conectados a cada uno de ellos. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 102 La respuesta en frecuencia de este conjunto se muestra en la Figura 4.54. El marcador indica que la respuesta en frecuencia es plana desde 1,5 Hz en adelante. Para la realización de la medida cabe destacar que la configuración de los canales del analizador debe estar referenciada a tierra y debe tener acoplamiento en alterna. Figura 4.53 Respuesta en frecuencia del preamplificador. Figura 4.54 Respuesta en fase del preamplificador. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 103 Distorsión La distorsión armónica total es un parámetro que indica el grado de no linealidad de un sistema. Esta no linealidad generará más armónicos y de mayor amplitud cuanto menos lineal sea el sistema que se evalúe. Para la realización de esta medida generamos un tono de 100 mVRMS y evaluamos la relación de amplitud del armónico fundamental respecto a la de los armónicos que el sistema genera. Figura 4.55 Distorsión armónica total (THD). Podemos observar que la amplitud del armónico fundamental está casi 80 dB por encima de la del primer armónico, lo cual ya es indicativo de que la distorsión será bastante inferior al 1% THD, que es el máximo permisible. La siguiente ecuación nos permite realizar el cálculo de la THD: %𝑇𝐻𝐷=√∑𝑉𝑖2𝑛 𝑖=1 √∑𝑉𝑖2𝑛 𝑖=0 100=0,014% Ecuación 4.3 Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 104 Ruido de fondo El ruido de fondo se obtiene midiendo la señal de salida del preamplificador en ausencia de una señal de entrada. Figura 4.56 Ruido de fondo del preamplificador mediante análisis en 1/12 de octava Figura 4.57 Ruido de fondo del preamplificador mediante análisis FFT. Mediante el análisis en 1/12 de octava observamos con un buen detalle el ruido en baja frecuencia, apreciándose una componente de 50 Hz que no es propia del preamplificador. Se Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 105 debe a la red eléctrica que pasa a través de la fuente de alimentación de laboratorio encargada de simular la alimentación Phantom. Pero las altas frecuencias llevan a confusión en este tipo de análisis pues se observa un mayor contenido energético en las bandas de alta frecuencia. Esto es debido a que la bandas de octavas inmediatamente superiores a una banda específica van duplicando sucesivamente su ancho de banda. Esto se traduce en un incremento de 3 dB por octava cuando el contenido espectral del ruido es constante (ruido blanco). El análisis FFT muestra de una manera más clara que el ruido de fondo tiene una carga espectral plana. 4.2.6.2. La cápsula electret Las cápsulas electret se han sometido a medidas de respuesta en frecuencia y ruido de fondo mediante los procedimientos que a continuación se explican: Respuesta en frecuencia La respuesta en frecuencia de las cápsulas se ha realizado mediante el análisis de tercios de octava ya que, como pudimos comprobar para la respuesta del monitor autoamplificado, obtiene una mejor definición de la respuesta en baja frecuencia. Figura 4.58 Respuesta en frecuencia de la cápsula electret 1. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 106 Figura 4.59 Respuesta en frecuencia de la cápsula electret 2. Figura 4.60 Respuesta en frecuencia de la cápsula electret 3. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 107 Figura 4.61 Respuesta en frecuencia de la cápsula electret 4. Para evitar, en la medida de lo posible, diferencias entre las señales de los micrófonos izquierdo y derecho se ha procedido a emparejar las cápsulas electret comparando el parecido de sus respuestas en frecuencia. Ruido de fondo El ruido de fondo de las cuatro cápsulas utilizadas se muestra a continuación, pero hay que tener en cuenta que las condiciones en que se realizaron distan de las condiciones anecoicas deseadas: Figura 4.62 Ruido de fondo de la cápsula electret 1. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 4: Diseño del prototipo 108 Figura 4.63 Ruido de fondo de la cápsula electret 2. Figura 4.64 Ruido de fondo de la cápsula electret 3. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 109 Figura 4.65 Ruido de fondo de la cápsula electret 4. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 5: Sistema para la Estimación de Pérdidas Auditivas Inducidas por el Ruido. SEPAIR 110 5. Sistema para la Estimación de Pérdidas Auditivas Inducidas por el Ruido. SEPAIR 5.1. SEPAIR, un programa predictor de exposición al ruido SEPAIR es una herramienta que permite calcular la desviación del umbral de audición que se estima producirá una determinada exposición a ruido en un individuo. Genera un informe en formato .xls en el que se indican características del individuo, parámetros que caracterizan el tipo de ruido medido y la desviación estimada del umbral de audición en función de la frecuencia. Para obtener los datos a procesar, necesita el sistema de medida explicado en el capítulo 4. La señal acústica a evaluar es transformada en señal eléctrica por las cápsulas electret, adaptada por los preamplificadores de micrófono y digitalizada por la tarjeta de sonido. SEPAIR adquiere las muestras obtenidas tras el proceso de digitalización a través del toolbox de adquisición de datos de MATLAB, y las procesa para obtener los niveles equivalentes que utiliza para realizar los cálculos de desviación del umbral de audición. 5.2. Adquisición y tratamiento de la señal La señal de entrada a nuestro sistema proviene de la onda de presión que hemos captado y transformado en señal eléctrica mediante un micrófono. El tratamiento que sufre inicialmente esta señal eléctrica lo podemos ver en la Figura 5.1. La señal del micrófono es procesada inicialmente por un preamplificador de diseño propio, ya presentado en el capítulo 4.2.2, que balancea la señal del micrófono y adapta impedancias para poder soportar las longitudes de los cables, a la vez que alimenta la cápsula electret a partir de la alimentación Phantom que recibe de la tarjeta de sonido. El tratamiento que recibe la señal balanceada de salida es básicamente amplificación, muestreo, cuantificación y codificación en PCM. Las funciones de cada uno de estos bloques están realizadas por una tarjeta de sonido externa Roland OCTA-CAPTURE, cuyas características se especifican en el pliego de condiciones técnicas (Ver capítulo 9.1.1.1). Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 111 Figura 5.1 Conversión analógica-digital El sistema de adquisición y tratamiento consta de cuatro canales destinados al análisis de la exposición al ruido y un quinto canal para calibración del sistema. De los cuatro canales de análisis dos proceden del maniquí, canales de pabellones auditivos derecho e izquierdo, y los dos restantes de unos auriculares de medida cuya función se ha descrito en el capítulo 4.2.3. El quinto y último canal lo usaremos con un micrófono de medida, concretamente el Behringer ECM8000 (cuyas características se especifican en el pliego de condiciones técnicas, capítulo 9.1.1.1) a fin de proceder a la calibración del sistema. 5.3. Algoritmos para análisis de exposición al ruido La función de MATLAB peekdata nos permite acceder a la información de las últimas muestras adquiridas sin alterar el proceso general de adquisición, de manera que nos es posible mostrar información en tiempo cuasi-real 29 . El espectro de la señal a medir se va mostrando en tercios de octava y su nivel equivalente se muestra como una barra a la derecha del espectro. El espectro a mostrar en pantalla siempre es el máximo de la comparación entre las bandas de tercios de octava de los canales izquierdo y derecho. La frecuencia de actualización en pantalla viene definida por el tiempo de enventanado definido por el usuario en la sección de configuración del programa. También mostramos una serie de parámetros que definen los datos adquiridos, y los incluimos en el informe para especificar las características del ruido medido. Estos parámetros son los niveles Leq, Lmin, Lmax; el nivel de pico Lpico; y los percentiles L90%, L50% y L10%. Para su cálculo se ha utilizado un tiempo de integración específico. 29 La información se muestra en tiempo cuasi-real pues es necesario esperar a que transcurra un breve instante de tiempo durante el cual se recogen las muestras. Finalizado este periodo se muestra en pantalla el resultado de la integración temporal de todas las muestras contenidas en cada ventana temporal. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 5: Sistema para la Estimación de Pérdidas Auditivas Inducidas por el Ruido. SEPAIR 118 de audición resultante tenga en cuenta el desplazamiento del umbral inducido por la exposición al ruido junto al relacionado con la edad. 5.6. Calibración del sistema Este proceso nos permite ajustar la equivalencia entre la señal eléctrica que vamos a procesar, para nuestros propósitos, y la onda acústica que vamos a captar mediante los micrófonos del sistema. Inicialmente con la ayuda de un calibrador acústico que emite una señal senoidal de 1 kHz con una presión acústica constante de 1 Pascal, 94 dB r 20 µPa, y el micrófono de medidas realizamos una primera parte de este proceso. Colocando el micrófono de medida calibrado en el interior de una oreja artificial de manera que la membrana de éste coincida con la posición del tímpano, podemos emitir un tono de 1 kHz por el altavoz del auricular, y ajustar su ganancia hasta que el micrófono de medida ofrezca 94 dB de presión sonora. Figura 5.8 Micrófono de medida en oreja de calibración, la membrana del micrófono está en la posición del tímpano. Se realizará este proceso para los dos altavoces de los auriculares. Una vez realizado este procedimiento, sabemos que los auriculares generarán un tono de un 1 kHz cuya presión en la posición del tímpano será de un pascal. Manteniendo el ajuste de ganancia de los altavoces de los auriculares, podremos colocar las cápsulas electret en las posiciones de los tímpanos, y emitir de nuevo el tono conocido con los auriculares. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 119 Figura 5.9 Maniquí con orejas de medida, las cápsulas electret se sitúan en la posición del tímpano. En este momento se deberá ajustar la ganancia de los canales del interfaz de audio donde están conectadas las cápsulas de tal manera que midamos 94 dB en cada uno de ellos. Tras finalizar este paso tendremos calibrado el maniquí. Para concluir calibraremos los micrófonos de los auriculares de medida. Para ello debemos generar ruido rosa por los auriculares, y evaluar el espectro en tercios de octava que recogen los micrófonos del maniquí y de los auriculares de medida simultáneamente. Los micrófonos del maniquí recogen el ruido rosa generado por los auriculares, pero su espectro incluye la influencia de la resonancia del canal auditivo. Esta influencia es la que nos interesa incluirle a la señal recogida por los micrófonos de los auriculares de medida para que tenga similitud con lo que recibe el tímpano. Para ello, sumamos a cada banda de tercio de octava la diferencia entre la señal del auricular de medida y la del maniquí para esa banda. El incremento a cada una de las bandas y para cada uno de los oídos izquierdo y derecho, será el ajuste de calibración que deberá aplicarse a la señal medida por los auriculares de medida en el momento de la medición. Debido al reducido rango dinámico de entrada de nuestro sistema, por tratarse de un interfaz de audio, no podemos ajustar la ganancia del canal del interfaz para que suministre 1 V cuando sobre el micrófono de medida incide un Pascal. Debemos aplicar una ganancia fija de calibración mediante programación, para poder disponer de un headroom suficiente para realizar mediciones que superen los 94 dB considerablemente. Mediante pruebas empíricas se ha optado por un valor de 50 dB, omisible opcionalmente en el primer paso de calibración del sistema. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 5: Sistema para la Estimación de Pérdidas Auditivas Inducidas por el Ruido. SEPAIR 120 5.7. Incertidumbre en la medida Cualquier aproximación realizada durante todo el proceso de medida generará una incertidumbre, que deberá ser valorada para considerar apto o no el conjunto del sistema como sistema de medición. A lo largo de todo el proceso se van sucediendo este tipo de aproximaciones que a continuación se detallan. PROCESO DE CALIBRACIÓN:  Falta de planicidad en la respuesta del micrófono de medida.  Precisión en la calibración del micrófono de medida (Precisión calibrador = ±0,2 dB).  Precisión en la calibración de los auriculares (La sensibilidad del fader que ajusta la ganancia del tono de calibración en ocasiones no permite ajustarla a 94 dB exactos. Mejorable mediante programación).  Diferencia entre la oreja artificial y las orejas reales (El diseño de la oreja artificial atiende a medidas promedio del ser humano, pero la diferencia que exista respecto a la del individuo a evaluar podrá generar mayor o menor incertidumbre).  Falta de planicidad en la respuesta del conjunto cápsula-preamplificador.  Precisión en la calibración de las cápsulas del maniquí (Al tener que realizar el cambio de las orejas de calibración por las de medida, implicando el quitar y volver a colocar los auriculares, puede provocar una pequeña diferencia en la ubicación de éstos respecto las nuevas orejas, y como consecuencia la presión del tono de calibración que debe llegar a la posición del tímpano por parte de los auriculares puede variar ligeramente respecto al pascal)  Precisión en la calibración de las cápsulas de los auriculares de medida.  Ruido de fondo durante el proceso de calibración. PROCESO DE MEDICIÓN:  Adecuación del tiempo de la ventana temporal (Fast, Slow, etc.).  Frecuencia de muestreo (Inversamente proporcional a la incertidumbre).  Equivalencia entre tiempo de medida y tiempo diario de exposición.  Generalización del tiempo diario de exposición (Se está suponiendo que la variable de entrada Tiempo de exposición habitual [h/día] corresponde a tiempo “real” al que se expone el individuo). Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 121  Diferencia entre auriculares de medida y resto de auriculares (El hecho de utilizar otro tipo de auriculares puede influir en la transmisión por vía ósea, este sistema solo tiene en cuenta la transmisión por vía aérea). PROCESO DE ESTIMACIÓN:  Actualización de la base de datos de la normativa para la Presbiacusia. (Estas bases de datos regulan los umbrales de audición que deberían corresponder a una determinada población en función de la edad y el sexo, por lo que deberían emplearse diferentes valores en función del tipo de población donde se vaya a utilizar, es decir, tener en cuenta la socioacusia y su evolución).  Actualización de la base de datos de la normativa para la Hipoacusia. (Estas bases de datos se han elaborado a partir de situaciones laborales a lo largo de los años, y habrá que ir actualizando los datos a medida que evolucionan las situaciones laborales).  No correspondencia entre bandas de frecuencias audiométricas y bandas de 1/3 de octava (Los valores de las frecuencias utilizados en las audiometrías no se ajustan a los valores de las bandas de tercios de octava, sino a valores más “exactos”: 250, 500, 1000, 2000, 4000 y 8000). 6. Conclusiones y posibles ampliaciones Para elaborar este proyecto ha sido necesario un dilatado estudio de distintas publicaciones relacionadas con la estimación de la pérdida auditiva, sus orígenes y consecuencias, también de la instrumentación acústica empleada para su medición, así como de las diferentes normativas que intentan regular los problemas generados por un exceso de exposición al ruido. El proceso ha abarcado multitud de disciplinas: la electrónica, el mecanizado, la electroacústica, el procesado de señales y la programación. De todas ellas he recibido un alto nivel de aprendizaje que me ha permitido elaborar una compleja herramienta de medida cuyas aplicaciones son múltiples entorno a la estimación de la pérdida auditiva derivada de la exposición al ruido, más concretamente aquellas debidas a la escucha de registros de audio mediante auriculares, como en el caso de los reproductores personales de audio. Por todo ello el sistema desarrollado puede ser puede ser utilizado como base para la elaboración de estudios para investigar las influencias del género musical, tipo de auriculares, ambiente acústico, etc., en la pérdida auditiva. Alberto Clavijo Rodríguez Capítulo 6: Conclusiones y posibles ampliaciones 122 Basados en el desarrollo aquí expuesto sería posible diseñar un sistema portátil que permitiese a los usuarios determinar los niveles de exposición al que se están sometiendo y prevenir así posibles pérdidas. Una aplicación en el Smartphone podría autoprotejer al usuario cuando éste se someta a niveles peligrosos. Diseño e implementación de un sistema para la estimación del daño auditivo originado por el uso indebido de los reproductores personales de audio 123 7. Bibliografía [1] Ineke Vogel, Hans Verschuure, Catharina P. 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Requisitos Hardware El desarrollo del proyecto se ha realizado en un PC cuyas características se detallan a continuación:  Procesador: Intel Core i5 a 3.5GHz  RAM: 6 GB Las características mínimas vienen determinadas por la versión de MATLAB que necesita ejecutarse en el equipo y deberá soportar los drivers del interface de audio que se vaya a utilizar.  Procesador: Cualquier Intel o AMD x86 que soporte el conjunto de instrucciones SSE2  Almacenamiento: 1 GB solo para MATLAB, 3–4 GB para una instalación típica  RAM: 1024 MB (2048 MB recomendado) Se deberá disponer de una interfaz de audio compuesta por cinco canales de entrada con preamplificador como mínimo. En el desarrollo del proyecto se ha utilizado una interfaz Roland OCTA-CAPTURE pero se podrá usar cualquier otra cuyo número de canales se corresponda con lo especificado. 9.1.1.1. Elementos hardware comerciales A continuación se especifica las características técnicas de los elementos hardware comerciales que ha sido necesario utilizar en el desarrollo del proyecto. Micrófono de medida El micrófono Behringer ECM8000 es un micrófono de condensador diseñado para realizar mediciones acústicas con una respuesta en frecuencia Ultra-lineal. Sus especificaciones se detallan a continuación.