PARTE 2ª El Ruido y los Edificios: CENTROS DOCENTES

Transcripción

1 JORNADA SOBRE CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE CENTROS DOCENTES PARTE 2ª El Ruido y los Edificios: CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE CENTROS DOCENTES Vitoria, 12 de Mayo de 2.001

2 I N D I C E 1.- INTRODUCCIÓN CONDICIONES ACÚSTICAS DE UN RECINTO NIVELES SONOROS ACEPTABLES EN INTERIORES DE RECINTOS...7 Rango de niveles NC DISTRIBUCIÓN DEL SONIDO EN UN RECINTO...8 Reflexión Difusión Difracción Reflectores cóncavos COMPORTAMIENTO DEL SONIDO DENTRO DE UN RECINTO R=10 LOG WI/WT...54 TL=20 LOG (M F) Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 d e 6 2

3 1.-. I N T R O D U C C I Ó N La influencia de la acústica en la proyección de edificios se puede observar a lo largo de los tiempos, desde los anfiteatros romanos hasta las modernas casas o edificios en los que pasamos nuestras horas de trabajo y ocio. La gran diferencia, sin embargo, entre la vida de la antigua Roma y la vida en nuestras ciudades modernas es la presencia de ruido procedente de un número cada vez mayor de fuentes: vecinos, tráfico, industria. En consecuencia, la ciencia de la acústica de edificios ya no está limitada al diseño acústico de teatros, sino que ha aumentado su ámbito para cubrir el control y la reducción del ruido en todo tipo de edificios. En general, no es fácil especificar en que consiste la b u e n a a c ú s t i c a. En primer lugar, todo depende de la utilidad que se quiera dar al recinto. Los requerimientos acústicos no son los mismos para una sala de conciertos y representaciones teatrales o una sala de conferencias, y cuando se quiere utilizar la misma sala para conciertos y representaciones teatrales, se debe llegar a un término medio. En segundo lugar, depende de cómo se defina la acústica del recinto. Un técnico en acústica tratará del t i e m p o d e r e v e r b e r a c i ó n, d i s t r i b u c i ó n s o n o r a, a b s o r c i ó, etc., n en otras palabras, p a r á m e t r o s o b j e t i v o sque s es posible medir. Un músico o alguien que escucha una charla en una sala describirá la acústica en términos de definición, claridad de tono, calor, etc., en otras palabras parámetros que son subjetivoso difíciles de medir. De hecho, el concepto de buena acústica consiste en una combinación de la mayoría de estos parámetros, tanto objetivos como subjetivos, considerados de una manera global. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 d e 6 2

4 Pero cuando hablamos de condiciones acústicas de un local, no sólo nos referimos a auditorios, salas de conferencias, teatros, salas de músico; sino que debemos englobar a todo recinto público (estación de autobuses, terminales de aeropuerto, ferrocarriles, colegios, oficinas, restaurantes, gimnasios ) los cuales van a necesitar de unas condiciones acústicas determinadas. Cuando una onda sonora choca con las superficies que forman un recinto parte de su energía se refleja originando un incremento de los niveles sonoros en el interior del recinto, parte es absorbida en el propio material desaparecido su energía en forma de calor y el resto consigue traspasar la pared llegando al recinto contiguo. Según este principio básico podemos definir dos campos que frecuentemente se suelen confundir: El aislamiento acústico, y El acondicionamiento acústico de un recinto. El aislamiento acústico de un local es el responsable de evitar que la energía sonora alcance los recintos adyacentes o que el sonido generado en el exterior u otros recintos adyacentes no interfiera en la actividad del local. El acondicionamiento acústico de un local mediante el tratamiento de algunas de sus superficies con materiales absorbentes puede tener algunas de las siguientes causas: Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 d e 6 2

5 Aumentar el confort acústico interno, disminuyendo el ruido de fondo y mejorando la intimidad. Mejorar las condiciones acústicas de sonoridad de un local, a fin de adecuarlo a unas necesidades específicas según su utilización. Proyectar un local donde las condiciones acústicas sean fundamentales y definitorias de la actividad, como el caso de un teatro, auditorio, estudio de TV, etc. Como se puede comprender, el alcance del tratamiento será distinto así como el número de parámetros y consideraciones técnicas que deban ser apreciadas en su desarrollo. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 d e 6 2

6 2.-. C O N D I C I O N E S A C Ú ST I C A S D E U N R E C I N T O Las condiciones acústicas de un recinto están definidas en base a:! N i v e l e s s o n o r o sexistentes s en el interior del recinto provenientes de fuentes sonoras interiores (cañerías, vecinos, máquinas ) o exteriores (tráfico ) que penetran en el recinto por vía aérea o estructural.! T i e m p o s d e r e v e r b e r a c i ó n.! D i s t r i b u c i ó n d e l s o n i d o.! I n t e l i g i b i l i d a d de la palabra. Dependiendo del uso al que destine el recinto, unos de los factores anteriores serán más prioritarios que otros. Por ejemplo, mientras que en un colegio es fundamental la inteligibilidad de la palabra, en una sala de conciertos va a ser más importante la distribución del sonido y los tiempos de reverberación. Aunque, en el fondo, todos estos parámetros están relacionados de alguna manera. Es obvia la necesidad de respetar unos límites sonoros del diseño si queremos conseguir unas condiciones acústicas favorables. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 6 d e 6 2

7 3.-. NIVELES SONOROS ACEPTABLES EN INTERIORES DE RECINTOS Los niveles sonoros de fondo existentes en un local serán función de los focos sonoros exteriores al recinto y a su aislamiento acústico. Dependiendo del uso al que se destine un local, es recomendable mantener unos niveles sonoros de fondo determinados. A continuación especificamos algunas de las recomendaciones a seguir en cuanto a estos niveles sonoros en función del uso del local, en términos de las curvas NC y en nivel sonoro global en db(a). R a n g o d e niveles NC Nivel global d B ( A ) Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 7 d e 6 2

8 R a n g o d e niveles NC Nivel global d B ( A ) Salas de conciertos, ópera, estudios de grabación, grandes iglesias, grandes salas de conferencias < 20 < 30 Auditorios pequeños, teatros, clases para ensayo de música, audiovisuales, oficinas de ejecutivos, 20 a a 38 pequeñas iglesias, tribunales de justicia. Dormitorios, cuarteles nocturnos, hospitales, residencias, apartamentos, hoteles (para dormir, 25 a a 40 descansar, relajación). Oficinas privadas, salas pequeñas de conferencias, clases, bibliotecas. Grandes oficinas, áreas de recepción, almacenes y tiendas, cafeterías, restaurantes, gimnasios. Laboratorios, salas de técnicos, áreas de secretarias, (moderadas condiciones de escucha) Cocinas, tiendas industriales, salas de ordenadores (moderadas condiciones de escucha) 30 a a a a a a a a 61 Estos niveles considerados aceptables serán garantizados mediante el diseño adecuado del aislamiento del recinto, que deberá ser contemplado en fase de proyecto D I S T R I B U C I Ó N D E L S O N I D O E N U N R E C I N TO T La distribución del sonido dentro de un recinto va a depender de: Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 8 d e 6 2

9 ! Foco sonoro: Potencia Localización Directividad! Forma del recinto! Disposición de los elementos absorbentes y reflectantes En todo caso serán fundamentalmente los fenómenos de reflexión, junto con la difusión y difracción los encargados de distribuir el sonido dentro del recinto. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 9 d e 6 2

10 R e f l e x i ó n La reflexión es el rebote de una onda sonora al chocar con una superficie. Si las dimensiones de la superficie x es mayor que dos a cuatros veces la longitud de onda de la onda sonora, el ángulo de incidencia será igual al ángulo de reflexión. Un reflector sonoro efectivo tiene una superficie dura, tal como la escayola, tablero aglomerado de madera, plástico y posee las dimensiones adecuadas para reflectar las frecuencias deseadas. Estos reflectores proporcionan un refuerzo al sonido directo y previenen ecos del techo. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 0 d e 6 2

11 D i f u s i ó n La difusión es la disposición de una distribución aleatoria de la onda sonora desde una superficie. Ocurre cuando las profundidades de los materiales duros son comparables a la longitud de onda del sonido. La difusión no absorbe sonido. Sin embargo, la dirección del sonido incidente cambia cuando choca con un material dispersivo. La difusión es una características fundamental en recintos usados como salas de práctica de música. Cuando se obtiene una difusión satisfactoria, la audiencia tendrá la sensación de que sonido viene de todas direcciones con igual nivel. D i f r a c c i ó n La difracción es el flujo o el acto de bordear un objeto o a través de una abertura. Por ejemplo, un camión detrás de un edificio puede ser oído porque el sonido bordea las esquinas. En auditorios, los paneles suspendidos deben ser diseñados con sumo cuidado para ser suficientemente largos (ancho y Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 1 d e 6 2

12 largo) para reflejar las ondas deseadas porque el sonido puede ser difractado alrededor de ellos. Estos fenómenos que aparecen en todo recinto, debido a la presencia de elementos como paredes y techos, van a crear un campo reverberante (a diferencia con los teatros al aire libre donde no existen elementos que reflejen el sonido) que en todo momento va a acompañar al sonido directo. Una vez que el sonido directo llega al receptor, este vendrá seguido de las primeras reflexiones (provenientes de las paredes más próximas) que serán las responsables de aportar por ejemplo, definición y claridad en la música. El tiempo transcurrido entre la llegada del sonido directo y las primeras reflexiones deberá ser menor de 30 ms. para unas buenas condiciones de escucha; en caso contrario las reflexiones se oirán como repetición del sonido directo creando lo que se denomina e c o. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 2 d e 6 2

13 D i a g r a m a d e r a y o s Los análisis basados en diagramas de rayos pueden ser utilizados para estudiar el efecto de la forma de la sala en la distribución del sonido y para identificar las superficies que pueden producir ecos. El diagrama de rayos es una analogía acústica con la reflexión especular de la luz donde el ángulo de incidencia del sonido incidente es igual al reflejado. Es decir, el sonido es reflejado de la misma forma que unas bolas de billar. Debido a esto, pequeños espejos o papel de plata puede utilizarse con dibujos arquitecturales (o modelos a pequeña escala) en un recinto oscuro para reflejar la luz desde una fuente puntual. El modelo de la luz reflejada demuestra, durante el proceso de diseño, el efecto de la forma de la sala en la distribución del sonido. El diagrama de rayos es una buena herramienta para diseño de la forma óptima de la sala. Basado en este principio existen modelos informáticos que en fase de diseño te permiten conocer la distribución del sonido dentro del recinto en función de la geometría, colocación de la fuente y disposición de los elementos absorbentes con sus características acústicas de absorción. Esta es una herramienta muy utilizada hoy en día por los diseñadores acústicos de salas. Además, ofrecen la posibilidad de cálculo de tiempos de reverberación para diferentes condiciones de la sala y otra serie de análisis acústicos útiles en el diseño acústico. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 3 d e 6 2

14 Podemos utilizar un diagrama de rayos para estimar en un auditorio los tiempos entre la llegada del sonido directo y las sucesivas reflexiones. Así, por ejemplo, en la figura siguiente podemos ver como al receptor le llegará, después del sonido directo, la reflexión proveniente de la pared lateral, en segundo lugar la proveniente del techo y la tercera proveniente de la parte trasera del escenario, y así sucesivamente. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 14 d e 6 2

15 En base al camino recorrido por el rayo según las leyes de reflexión, y conociendo la velocidad del sonido en el aire, se puede calcular el tiempo que tardan en llegar las distintas reflexiones al receptor y plasmarlo en el siguiente diagrama. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 5 d e 6 2

16 Es importante la localización y prevención de ecos y formación de ondas estacionarias. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 6 d e 6 2

17 E C O S Un eco es la repetición de un sonido original suficientemente alto para ser escuchado claramente por encima de la reverberación y el ruido de fondo. Para la palabra hablada, los ecos pueden ser percibidos cuando los intervalos de tiempo entre el sonido directo y reflejado son mayores de 60 ms. Las superficies potenciales productoras de ecos deben ser tratadas con materiales absorbentes o confromadas de forma adecuada según se muestra en el esquema: la parte frontal del techo es rebajada para reducir las reflexiones tardías y reorientada para proporcionar reflexiones útiles a la parte trasera de la audiencia. La pared del fondo puede producir ecos o reflexiones no queridas en salas medianas y grandes. Debajo mostramos tres soluciones para controlar los ecos: superficies perforadas altamente transparentes a las ondas sonoras Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 7 d e 6 2

18 pueden utilizarse para proporcionar tratamiento absorbente, o tratamiento difusor de sonido (superficies curvas). O N D A S E S T A C I O N A R I A S Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 8 d e 6 2

19 Es otro de los fenómenos junto con el eco originado por la continua repetición del sonido entre paredes paralelas o cóncavas reflectantes. Puede ser prevenido cambiando la forma de la pared o colocando material absorbente. También, a veces aparece con paredes no paralelas como en el dibujo siguiente. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 1 9 d e 6 2

20 F O R M A D E L R E C I N T O Los teatros griegos (construidos hace muchos años) estaban construidos en zonas tranquilas (colinas). Eran espacios al aire libre donde la audiencia se distribuía de forma circular en torno al escenario. De esta forma estaban lo más próximo posible al foco sonoro y por tanto, la reducción de la energía sonora con la distancia era mínima. Al mismo tiempo, los asientos se disponían en gradas para tener buena visibilidad del escenario alejadas del foco sonoro. Este efecto se puede paliar mediante el diseño adecuado de paredes y techos u otros tipos de elementos que mediante la reflexión, dispersión o difracción distribuyan el sonido hacia la audiencia de manera uniforme. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 0 d e 6 2

21 M o d e l o s d e s o n i d o r e f l e j a d o Podemos observar en los dibujos la efectividad en reflejar sonido de superficies cóncavas, planas y convexas. La sombra indica el modelo de distribución de la energía reflejada para reflactores de longitud equivalente. R e f l e c t o r e s c ó n c a v o s Los reflectores cóncavos tal como techos en forma de cúpula, bóvedas en iglesias, paredes curvas en auditorios, pueden concentrar el sonido, causando ecos en el área de audiencia y enmascaramiento. Son pobres distribuidores del Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 1 d e 6 2

22 sonido y por tanto deben ser evitados donde se requiera superficies para reflectar sonido (cerca del escenario, u otras localizaciones). Los techos cóncavos (cúpulas) y paredes cóncavas generalmente requieren de tratamiento para evitar las reflexiones de sonido que producen una falta de inteligibilidad del sonido directo. Estas formas cóncavas originan una concentración del sonido en ciertas áreas o a veces dan lugar a sonido reflejado a través de ciertas superficies cóncavas con lo que se consigue el efecto de que niveles bajos de voz pueden ser escuchados en distancias grandes del recinto ( e f e c t o d e g a l e r í a s u s u r r a n t e ). Debajo podemos observar algunos problemas y sus respectivas soluciones. La concentración de energía es más efectiva en frecuencias bajas debido a que la mayoría de materiales son más absorbentes en altas frecuencias. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 2 d e 6 2

23 Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 3 d e 6 2

24 T e c h o s La forma del techo y la altura dependerán en cada caso del fin de la sala. Por ejemplo, el techo plano totalmente reflectante mostrado debajo ofrece reflexiones sonoras que cubren totalmente el área de la audiencia en la sala de conferencias. Las reflexiones sonoras útiles para discursos son aquellas que vienen de la misma dirección de la fuente con un retraso menor de 30 ms. Sin embargo, reorientando cuidadosamente el techo, según se muestra en la ilustración, las reflexiones pueden aumentar de forma que la mitad trasera de los asientos reciban reflexiones de ambos paneles del techo. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 4 d e 6 2

25 Para salas de conciertos donde se necesitan tiempos de reverberación altos, se prefieren techos altos y las paredes deberán ser reflectantes. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 5 d e 6 2

26 P a r e d e s l a t e r a l e s Las plantas semicirculares con forma de abanico no proporcionan reflexiones laterales tempranas fuertes porque las paredes laterales están demasiado lejos. A menos que se utilicen reflectores en el techo, la música sonará distante y fuera de tono. La forma en abanico invertida puede proporcionar mejores resultados. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 6 d e 6 2

27 T I E M P O S D E R E V E R B E R A C I Ó N Debajo mostramos algunos ejemplos de decaimiento de sonido en un recinto pequeño y otro grande. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 7 d e 6 2

28 Para determinar el tiempo de reverberación en un recinto se introduce una fuente de ruido (bien ruido en banda ancha emitido por un altavoz, o bien un ruido impulsivo como explotar un globo o un disparo de pistola) y se registra el tiempo que tarda en caer 60 db una vez la fuente a cesado. Podemos representar gráficamente la caída en función del tiempo en cada banda de frecuencia. Este sirve de gran ayuda al diseñador experimentado en nociones de acústica. Por ejemplo, puntas en la curva de caída indican presencia de ecos, pendientes dobles indican existencia de resonancias en el recinto o recintos acoplados. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 8 d e 6 2

29 Dependiendo del uso al que se destine el local, el tiempo de reverberación será distinto: para música de órgano y coros se requiere tiempos de reverberación largos; para ópera, comedias, música de cámara y sermones, tiempos de reverberación medianos y para charlas o conferencias, estudios de grabación se requieren tiempos de reverberación mucho más reducidos. En todo caso, los tiempos de reverberación son mayores a medida que las dimensiones del recinto aumentan (según la conocida fórmula de Sabine). Una vez conocido el uso al que se destina el recinto, debemos adoptar como nivel de diseño el tiempo de reverberación adecuado al mismo. Para disminuir los tiempos de reverberación en un local se deberá introducir material absorbente de forma que disminuyan las reflexiones y por tanto el campo reverberante. Viceversa, para aumentar el tiempo de reverberación se deberá evitar materiales absorbentes y colocar mayores reflectores sonoros. Los cálculos de la cantidad de material absorbente necesaria para obtener un tiempo de reverberación específico se pueden efectuar siguiendo las ecuaciones tradicionales desarrolladas por Sabine, Eyring, etc., para cada caso específico. Pero, estas ecuaciones, aunque te proporcionan la cantidad de material necesaria, no estiman el beneficio obtenido con la diferente colocación del material absorbente. Por esto y más aún en los casos en que las salas no están construidas, se tiende a utilizar cada vez más los métodos de cálculo informáticos basados en trazado de rayos que muchas veces sustituyen a los clásicos modelos a escala reducida que en muchas ocasiones suponen un coste elevado. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 2 9 d e 6 2

30 Además de depender del volumen de la sala, los tiempos de reverberación también dependen de la frecuencia, que a su vez dependerá de las características absorbentes de los materiales empleados. En el siguiente cuadro damos una referencia aproximada de la sensación producida por reverberación excesivamente corta y excesivamente larga en frecuencias bajas y altas. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 0 d e 6 2

31 S o n i d o R e v e r b e r a c i ó n R e v e r b e r a c i ó n S e n s a c i ó n Frecuencias bajasf f r e c u e n c i a s a l t a s Palabra Exc. Larga Exc. Larga Difusa, difícil de entender Exc. Larga Exc. Corta Mate, apagada, pero se entiende Exc. Corta Exc. Larga Estridente, aguda, a veces como un cuchicheo: se entiende mal. Exc. Corta Exc. Corta Seca, pero se entiende bien Música Exc. Larga Exc. Larga Difusa Exc. Larga Exc. Corta Demasiado confusa, a veces temblona Exc. Corta Exc. Larga Aguda hasta la estridencia Exc. Corta Exc. Corta Seca, sin fuerza ni gracia I N T E L I G I B I L I D A D La palabra transmitida a través de una sala por una persona o un sistema de megafonía nunca se recibe en la posición de escucha como una réplica exacta de la señal original. No sólo se añade ruido de fondo, sino que la señal está también distorsionada por las propiedades reflectantes y reverberantes de la Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 1 d e 6 2

32 sala. A menudo, una consecuencia directa de estas distorsiones es una reducción de la inteligibilidad de la palabra. Para mejorar la inteligibilidad, las personas que hablan suelen adaptar su discurso de forma apropiada para la sala, hablando despacio en una sala muy reverberante, o en voz alta en una sala muy absorbente. Sin embargo, en algunas situaciones, como cuando se hace un anuncio por un sistema de megafonía, los oradores no pueden ajustar su discurso. El resultado, es a menudo, un anuncio ininteligible. Cuantificando la inteligibilidad de la palabra y midiéndola en una sala se conoce el grado de tratamiento acústico que se requiere para solventar tales problemas. Los remedios típicos para mejorar la claridad de la palabra incluyen:! Refuerzo del sonido en los auditorios! Reducción de los tiempos de reverberación! Prevención de ecos! Optimización de sistemas de megafonía! Atenuando del ruido de fondo La inteligibilidad es una respuesta subjetiva, por lo que se puede medir examinando el número de Criterios acústicos en el diseño de centros docentes palabras, fonéticamente P á g. 3 2 d sin e 6 sentido, 2 correctamente anotadas por un equipo de oyentes previamente d d l d

33 Debido a los inconvenientes de este método por la necesidad de contar con personas adiestradas y disponibles, el tiempo necesario, la subjetividad de resultados, etc., se ha intentado mejorar este sistema de evaluar la inteligibilidad. A lo largo de los tiempos se han venido desarrollando diferentes índices más o menos objetivos para definir la inteligibilidad. Entre ellos está el Psil, STI y el más reciente y utilizado RASTI. El índice RASTI es un índice rápido de transmisión de la palabra que se basa en un sistema transmisor-receptor. El transmisor RASTI genera ruido rosa en las Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 3 d e 6 2

34 bandas de octava de 500 y 2000 Hz. para simular el espectro de un discurso largo. Este ruido está modulado sinusoidalmente por varias frecuencias simultáneamente, representando las modulaciones que se encuentran en la conversión normal. Este transmisor emite con las características de direccionalidad que se medirán a 1m. de la boca de la persona que habla. El receptor RASTI recoge la señal transmitida mediante un micrófono y es analizada por el mismo receptor. El índice RASTI (entre 0 y 1) aparece en poco tiempo en el display del receptor. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 4 d e 6 2

35 El método RASTI identifica áreas de poca inteligibilidad en un recinto con la ventaja de ser bastante rápido, pudiéndose representar gráficamente contornos de igual inteligibilidad o contornos iso-rasti. Las aplicaciones de este método de evaluación de inteligibilidad son:! Estudios de grabación! Salas de conferencias! Teatros! Iglesias! Colegios! Aviones! Coches! Habitaciones! Aeropuertos! Vehículos militares! Instalaciones industriales Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 5 d e 6 2

36 ! Polideportivos, gimnasios! Oficinas! Restaurantes Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 6 d e 6 2

37 5.-. C O M P O R T A M I E N T O DE L S O N I D O D E N T R O D E UN RECINTO Cuando las ondas sonoras chocan con las paredes de una habitación, parte de la energía se absorbe y transmite y parte se refleja y vuelve a la habitación. Los niveles sonoros en una habitación pueden reducirse mediante el uso de un tratamiento de absorción acústica, tal como alfombras, cortinas, techos absorbentes. En la habitación mostrada debajo sin tratamiento acústico, los trabajadores oyen directamente la energía sonora proveniente de los ordenadores, así como la energía sonora reflejada proveniente de las paredes, techo,, etc. Si colocamos material absorbente en la habitación, los trabajadores oirán menos ruido porque la energía sonora reflejada ha sido reducida. Sin embargo, el nivel sonoro cerca del ordenador permanecerá inalterable debido a que es primordialmente sonido directo. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 7 d e 6 2

38 A T E N U A C I Ó N S O N O R A E N E X T E R I O R E S Y E N I N T E R I O R E S C a m p o l i b r e Condiciones de campo libre aparecen cuando las ondas sonoras están fuera de la influencia de superficies reflectantes (áreas abiertas de campo, cámara anecoica). Bajo condiciones de campo libre, la energía sonora proveniente de fuentes puntuales (sirenas, tubos de escape) se propagan esféricamente y disminuyen 6 db al doblar la distancia. Las fuentes lineales, como por ejemplo una carretera, consisten en un conjunto de fuentes puntuales. La energía Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 8 d e 6 2

39 sonora de fuentes lineales se propaga cilíndricamente, no esféricamente, y disminuye sólo 3 db cada vez que doblamos la distancia al foco sonoro. C a m p o R e v e r b e r a n t e En recintos cerrados, la energía sonora disminuye según las condiciones de campo libre sólo cerca de la fuente. Debido a que las superficies de la habitación reflejan el sonido, existirá pequeña reducción sonora con la distancia (llamado campo reverberante). Cuando mayor absorción haya en la habitación, menor será el incremento de energía en el campo reverberante. Según se ve en el gráfico siguiente, el incremento de energía será mayor para el CASO 2 que para el CASO 1 debido a la gran cantidad de absorción. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 3 9 d e 6 2

40 E F E C T O D E A Ñ A D I R T R A T A M I E N T O A B S O R B E N T A EA E U N A S A L A El colocar absorción acústica en el techo de una sala pequeña (menor de 150 m 2 ) puede reducir los niveles del campo reverberante en 10 db según se muestra en la figura. Sin embargo, cerca de la fuente, la reducción será únicamente del orden de 3 db. Si el techo y todas las paredes son tratadas con material absorbente, el nivel sonoro disminuirá en el campo reverberante una cantidad adicional de 6 db, pero los niveles cerca de la fuente no estarán afectados. Debemos notar que no se obtiene ninguna reducción adicional al añadir más tratamiento absorbente. En este ejemplo, la habitación estaba rodeada de material totalmente reflectante en un principio y tenía pocos objetos para absorber el sonido. Por tanto, una reducción de 6 db a 8 db en la sala reverberante es el límite superior para espacios amueblados de comparable tamaño. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 0 d e 6 2

41 C O E F I C I E N T E D E A B S O R C I Ó N S O N O R A La efectividad de un material acústico ante la absorción viene expresado por su c o e f i c i e n t e d e a b s o r c i ó ndenominado n como α. Este coeficiente describe la fracción de energía sonora incidente que ese material absorbe. Teóricamente, este coeficiente puede variar desde 0 (no se absorbe nada de energía) hasta 1 (toda la energía sonora incidente es absorbida). Estos coeficientes se obtienen mediante test en laboratorios o se estiman a partir de medidas en salas terminadas. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 1 d e 6 2

42 L a a b s o r c i ó n t o t a lde l una habitación se puede encontrar a partir de la expresión: a = Σ S i α i donde: a es la absorción total de la sala (sabins) S i es el área de cada superficie de la sala Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 2 d e 6 2

43 α i es el coeficiente de absorción de cada superficie a una frecuencia determinada La unidad de absorción, S a b i n m é t r i c o, o representa una superficie capaz de absorber sonido igual que una superficie de 1 m 2 perfectamente absorbente, por ejemplo, una ventana abierta. El coeficiente de absorción depende no solamente del material, sino también de la frecuencia y del ángulo de incidencia. Generalmente se presenta en tablas o en forma de gráfico. El coeficiente de absorción que hacen referencia normalmente los catálogos comerciales es el medido en cámaras reverberantes. Este método está perfectamente especificado en normas. Hay que recalcar que los niveles de coeficientes de absorción obtenidos con diferentes técnicas, también son diferentes. Los coeficientes de absorción de los materiales de construcción habitualmente utilizados varían desde 0,01 hasta 0,99. Sin embargo, los tests de laboratorio algunas veces obtienen coeficientes mayores de la unidad. Esta aparente imposibilidad puede ocurrir debido a las peculiaridades de los métodos de ensayo y difracción de la energía sonora. Los materiales con coeficientes de absorción medios y altos (> 0,5) se denominan absorbentes; cuando el coeficiente de absorción es bajo (< 0,2) se denominan reflectantes. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 3 d e 6 2

44 A P L I C A C I O N E S D E L O S M A T E R I A L E S A B S O R B E N T E S A C Ú S T I C O S C o n t r o l d e R e v e r b e r a c i ó n Los materiales absorbentes sonoros pueden ser utilizados para controlar la reverberación de forma que la palabra no sea ininteligible. Cuanto mayor sea el volumen de la habitación, mayor será la reverberación porque las ondas sonoras encontrarán superficies con las que chocar menos frecuentemente que en recintos pequeños. Cada vez que doblamos la cantidad total de absorción en una habitación, el tiempo de reverberación se reduce a la mitad. La absorción sonora puede hacer que el sonido parezca venir directamente de la fuente sonora en vez de venir de cualquier lugar de la habitación. Por ejemplo, en sitios de recreo, es importante que las instrucciones y señales de aviso sean identificadas del lugar donde provienen. R e d u c c i ó n S o n o r a e n S a l a s Cuando se utiliza correctamente, los materiales absorbentes pueden ser efectivos controlando el ruido en el interior de la sala. Sin embargo, tiene una limitada aplicación para el control de ruido y no es la panacea para todos los problemas acústicos. Por ejemplo, cada vez que se dobla la cantidad de absorción en una sala, el nivel de ruido se reduce a 3 db. C o n t r o l d e E c o Los materiales absorbentes pueden ser utilizados para controlar ecos (usualmente simultáneamente con el control de reverberación). Ecos son Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 4 d e 6 2

45 reflexiones distintas de suficiente nivel sonoro para ser oídas con claridad por encima de la reverberación general como una repetición del sonido original. D I S T R I B U C I Ó N S O N O R A Y R E D U C C I Ó N D E L R U I D O E N U N A S A L A Cuando una fuente sonora omnidireccional emite en condiciones de campo libre, el nivel de presión sonora creado varía según la Ley del inverso de los c u a d r a d o s. s Pero, si bien es cierto que esta ley es de suma importancia en la práctica, serán muchas las ocasiones en las que la fuente sonora estará encerrada en un recinto. En estos casos, sabemos que podemos dividir el campo sonoro en campo próximo, donde se debe evitar hacer medidas pues las relaciones entre presión e intensidad no son simples, y el campo lejano que puede ser descompuesto en campo libre (donde se cumple la ley del inverso de los cuadrados) y campo reverberante (donde predominará la energía sonora procedente de las múltiples reflexiones). Matemáticamente, el nivel de presión sonora producido por una fuente sonora omnidireccional en un recinto con coeficiente de absorción promedio α, está dado por la ecuación: Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 5 d e 6 2

46 L p 1 = Lw + 10 Log 4π r r donde: Lp es el nivel de presión sonora en un punto Lw es el nivel de potencia sonora del foco r representa la distancia entre la fuente y el punto donde se calcula el Lp R = S α/(1-α) siendo S la superficie total del cuarto y α el coeficiente medio calculado como la suma de cada superficie por su coeficiente de absorción y dividido entre la superficie total del recinto. La permanencia de sonido en un recinto cerrado es debido a las repetidas reflexiones del sonido con las paredes de la sala. Este nivel de sonido reverberante está afectado por el tamaño de la sala y la cantidad de absorción dentro de la habitación. La diferencia en db en los niveles sonoros reverberantes, o reducción sonora, bajo dos condiciones de absorción acústica puede ser obtenido como sigue: NR a = 10 Log a 2 1 donde: Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 6 d e 6 2

47 NR es la reducción sonora en db a2 es la absorción total después del tratamiento a1 es la absorción total antes del tratamiento La carta presentada abajo también puede ser utilizada para determinar la reducción del nivel sonoro reverberante dentro de un recinto cerrado debido al cambio de absorción total. Por ejemplo, si la cantidad total de absorción en un recinto se incrementa de 700 a 2100 sabins, la reducción en el campo reverberante NR será de unos 5 db. Ya que las eficacias de absorción varían con la frecuencia, el valor NR puede ser calculado para todas las frecuencias para las cuales el coeficiente de absorción es conocido. R e d u c c i ó n e n e l n i v e l s o n o r o r e v e r b e r a n t e ( d B ) R e l a c i ó n e n t r e l a a b s o r c i ó n t o t a l ( 2 a / a 1 ) El valor NR es la reducción en el n i v e l s o n o r o r e v e r b e r a n t e. eesto no afecta el nivel sonoro muy cerca del foco sonoro dentro del recinto. También, según se indicó en la carta, una reducción en el nivel reverberante de 10 db (un Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 7 d e 6 2

48 incremento en la absorción de mayor de 10 veces el valor inicial antes del tratamiento) es el límite superior para la mayoría de las situaciones. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 8 d e 6 2

49 F U N D A M E N T O S D E L A I S L A M I E N T O D E L S O N I D O Podemos demostrar de una manera sencilla los principios del aislamiento del sonido utilizando un ejemplo con el timbre que aparece en el esquema siguiente. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 4 9 d e 6 2

50 Sin ningún tipo de aislamiento, el timbre origina 70 db a unos metros de distancia. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 0 d e 6 2

51 Si bordeamos el timbre con un material de baja densidad tipo fibra de vidrio, el ruido transmitido se reduce en 3 db. Los absorbentes porosos son unos aislantes muy pobres pues las moléculas de aire pueden pasar a través de él. Por sí solos, actúan como esponjas: absorben el sonido pero no evitan su transmisión. Cuando encapsulamos el timbre con un contrachapado de madera de un cierto espesor con un sellado adecuado de los bordes, el ruido se reduce en 28 db, de 78 db en el interior (donde existe un incremento de 8 db debido a las reflexiones del sonido con las paredes) a 50 db en el exterior del encapsulamiento. Este es un cambio tremendo en el nivel sonoro. Este encapsulamiento a base de contrachapado de madera es un aislante eficaz porque es sólido, tiene suficiente masa y presenta los bordes sellados adecuadamente. El sellado de juntas es esencial porque incluso una pequeña abertura puede incrementar de forma notoria el sonido transmitido. Si, además, en el interior de encapsulamiento colocamos un material absorbente como el primero (fibra de vidrio), el ruido se reduce en 29 db. Sin embargo el ruido en el exterior es de 43 db porque el material absorbente colocado en el interior del encapsulamiento evita reflexiones en el interior y por tanto reduce el nivel interior en 6 db respecto a la situación anterior. V i b r a c i ó n d e E l e m e n t o s C o n s t r u c t i v o s Cuando una onda sonora choca contra un elemento constructivo, tal como una pared, techo o suelo, produce un movimiento de vaivén. La magnitud de este movimiento o vibración depende del peso (masa) del elemento: cuanto mayor Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 1 d e 6 2

52 sea la masa mayor será la resistencia al movimiento y menor será la energía sonora transmitida. Además del peso, existen otros factores que afectan al movimiento de la pared. Por ejemplo, pueden aparecer ciertas frecuencias naturales (también llamadas f r e c u e n c i a s f a v o r i t a s ) s para las ondas de flexión dependiendo de la rigidez de la construcción. Las ondas de flexión son similares al movimiento ondulatorio en una cuerda cuando es agitada por un extremo. Cuando estas ondas son excitadas por la energía sonora que incide en la pared, la resistencia a la transmisión se reduce de forma muy importante, fenómeno denominado e f e c t o d e c o i n c i d e n c i a. a E f e c t o s d e l a r i g i d e z e n l a p é r d i d a p o r t r a n s m i s i ó n La rigidez del elemento constructivo influye de una manera importante, al igual que la masa, en su comportamiento ante la onda sonora. Por ejemplo, si presentamos en el gráfico la pérdida por transmisión de dos elementos de igual masa, según la ley de masa, la curva del aislamiento por transmisión debiera ser idéntica. Sin embargo, el elemento con las ranuras, que posee menos rigidez, tiene un aislamiento mucho mayor, especialmente en medias y altas frecuencias. Según se observa en este gráfico, el efecto de coincidencia puede causar disminuciones mayores de 15 db en materiales rígidos causado por la Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 2 d e 6 2

53 alteración de las ondas de flexión que han sido excitadas por la energía sonora. Pérdida por transmisión de dos elementos con igual masa pero diferente r i g i d e z. I N D I C E D E R E D U C C I Ó N S O N O R A D E U N E L E M E N T O C O N S T R U C T I V O El aislamiento sonoro aéreo proporcionado por una pared se expresa en términos del Indice de Reducción Sonora Ro R también designado como Pérdida p o r T r a n s m i s i ó n T L(transmisión L loss) que es la relación en db de la potencia sonora incidente en la pared y la potencia sonora transmitida a través de la pared. El índice de reducción sonora depende de la frecuencia y del ángulo de incidencia del sonido emitido. Este índice se utiliza en medidas de laboratorio. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 3 d e 6 2

54 R = 1 0 l o g W i / W t W i: i Potencia Incidente sobre la pared. W t: t Potencia Transmitida a través de la pared. τ = Wt/Wi es el coeficiente de transmisión. Los materiales, según su comportamiento ante las ondas sonoras pueden clasificarse en materiales rígidos y materiales flexibles. Son materiales rígidos aquellos de densidad superior a la unidad, impermeables al aire, normalmente homogéneos como el acero, plomo, contrachapado, pared de obra de fábrica, de hormigón, etc. Son materiales flexibles, porosos, absorbentes, aquellos de poca densidad tales como paneles de fibra de vidrio, de roca, corcho, plásticos expandidos, etc. Los materiales rígidos siguen la ley teórica en cuanto a su comportamiento aislante al sonido incidente, conocida por Ley de Masas. El enunciado de la L e y d e M a s a s es: Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 4 d e 6 2

55 TL=20 log (M f) - 42 Como conclusiones del análisis de esta ley podemos decir: Al aumentar al doble la frecuencia de excitación del paramento se aumenta en 6 db el aislamiento. Al aumentar al doble la masa superficial del paramento se aumenta en 6 db el aislamiento. Esta ley se cumple sólo en un margen de frecuencias distinto para cada material, y conocido como zona de masa controlada. Pero, la determinación del aislamiento real de una partición es un factor mucho más complejo que lo hasta aquí definido, y viene gobernado por una serie de parámetros que actúan con base y magnitud diferente, función de multitud de factores. Los parámetros que mayor influencia tienen en el aislamiento de una partición son la Masa, la Rigidez, las Resonancias, los efectos de Coincidencia y la E s t a n q u e i d a d. d Para una pared sólida homogénea, la curva del índice de reducción sonora es función de la frecuencia y se puede dividir en varias zonas según qué propiedad de la pared tiene más influencia sobre la reducción sonora. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 5 d e 6 2

56 La representación gráfica real de la Ley de Masas es algo semejante a lo que se indica en la figura siguiente El ancho de banda de respuesta de aislamiento según la Ley de Masas para una partición se puede dividir en tres zonas más o menos rígidas en cuanto a su separación e interpretación: ZONA I: El aislamiento es controlado por la rigidez de la partición y por las resonancias de éstas. ZONA II: El aislamiento es controlado por la Ley de Masas. Esta zona está comprendida entre las más altas frecuencias de resonancias del panel y la frecuencia mitad de la frecuencia crítica del mismo aproximadamente. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 6 d e 6 2

57 ZONA III: El aislamiento está muy influenciado por el amortiguamiento interno de la partición. P a r e d e s d o b l e s Una pared doble está constituida por dos paredes simples separadas por un espacio relleno o no de un material absorbente. El fenómeno de transmisión a través de esta estructura ocurre de la siguiente manera: Cuando un sonido incidente es paralelo a la pared sobre la que incide, el panel se excitará con un movimiento idéntico de conjunto. Si el frente de ondas es oblicuo, el panel es el centro de ondas de flexión. Esta pared transmite al aire situado detrás una agitación periódica que ataca al segundo panel. Este segundo panel es también el centro de las ondas de flexión y transmite un sonido al aire del medio receptor. Si la frecuencia del sonido incidente con la frecuencia crítica de uno de los paneles, éste resulta fuertemente agitado y la pared doble presenta un defecto importante de aislamiento para esta frecuencia. Si los dos paneles tienen frecuencias críticas diferentes, la curva da un TL de debilitamiento en función de la frecuencia, presentando dos defectos; estos defectos son menos importantes que en una pared simple ya que si un panel no aisla, el otro sí aisla. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 7 d e 6 2

58 Si los dos paneles poseen la misma frecuencia crítica, vibran al unísono y se reproduce la resonancia acusándose mucho el defecto de aislamiento. Por tanto, para conseguir un buen aislamiento acústico, será necesario utilizar siempre dos materiales de masa y de rigidez diferentes, de tal forma que los dos paneles tengan diferente frecuencia crítica. El espacio vacío comprendido entre las dos paredes asegura una ligazón elástica entre ellas, la cual será tanto más pequeña cuanto mayor es la distancia entre éstas. Este sistema de pared doble tiene su analogía mecánica en un sistema compuesto por dos masas unidas por un resorte. Este sistema masas-muelle posee una frecuencia de resonancia función de las masas, de la constante del resorte y de la distancia de separación entre ambas paredes, fundamentalmente. Si el espacio entre ambas paredes está o no relleno de material absorbente va a influir fundamentalmente en la constante característica del hipotético muelle. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 8 d e 6 2

59 La frecuencia de resonancia de la pared doble, para cámaras de aire vacías, es decir, sin material absorbente viene dada por la expresión: fo 1 1 = d m1 1 m 2 donde d es la distancia entre paneles en cm. y m1 y m2 es la masa superficial de cada uno de ellos en kg/m². Cuando la cámara de aire está rellena de material absorbente la frecuencia de resonancia del sistema puede estimarse aproximadamente en 0,85 f0 (según Beraneck). El comportamiento al aislamiento acústico de una pared doble es similar a la respuesta de un sistema masa-resorte al ser excitado. Para frecuencias inferiores a la frecuencia de resonancia de la pared doble fo, el resorte prácticamente no tiene eficacia y ocurre todo como si hubiese una ligazón rígida entre dos paneles, esto es, el aislamiento del conjunto es similar al de una pared simple de masa suma de las dos masas de las paredes simples. Para una frecuencia de excitación igual a la frecuencia de la pared doble, el aislamiento del conjunto es muy inferior al de una pared simple de la masa suma de ambas paredes. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 5 9 d e 6 2

60 Si la cavidad entre ambas paredes está rellena de material absorbente, la desviación del aislamiento en esta zona es inferior, es decir, el defecto de aislamiento en la zona de resonancia es muy reducido. A partir de la frecuencia de resonancia el aislamiento de la pared doble empieza a aumentar con una pendiente mayor que la de la pared simple a razón de 12 db/octava. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 6 0 d e 6 2

61 La representación gráfica de lo expuesto se da en la figura siguiente. Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 6 1 d e 6 2

62 R E F E R E N C I A S [1] M. David Egan: Architectural Acoustics. McGraw-Hill Book Company. [2] Pedro Flores Pereita: Acústica Ruidos y Vibraciones. Ediciones GYC. [3] Leo L. Beraneck: Noise & Vibration Control. Ed. McGraw Hill [4] M. Recuero: Ingeniería Acústica. E.U.I.T. Telecomunicación. Madrid [5] Lord, Gatley y Evensen. Noise Control for Engineers. Ed. Krieger [6] Brüel & Kjaer: Noise Control. Principles and Practice. [7] Ford & Lord: Problems of partition design. J.A.S.A., , pp [8] Cyril M. Harris: Handbook of noise and vibration control. McGraw-Hill Book Company. [9] A. Bakke: Calculation method for the transmission loss of single double and triple partitions. [10] J.E. Moore: Design for Good Acoustics and Noise Control. Macmillan Education LTD Criterios acústicos en el diseño de centros docentes P á g. 6 2 d e 6 2

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