TUTORIAL DEL RUIDO Y ASPECTOS DEL SONIDO

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1 TUTORIAL DEL RUIDO Y ASPECTOS DEL SONIDO 1. PROPIEDADES FÍSICAS DEL RUIDO 1.1.Definición de ruido Dar un concepto de ruido desde el punto de vista legal es una ardua y compleja tarea. En todo caso, es la causa de una relación jurídica; es decir, un hecho elevado a la categoría jurídica; o integrante de aquella relación. Entendiendo la relación jurídica como una relación social concreta regulada por el Derecho, es esta última la que adquiere la naturaleza de jurídica en cuanto que es regulada por el Derecho. Pero el ordenamiento jurídico vincula el nacimiento de la relación a la concurrencia de ciertos hechos que, por ello, son calificados de jurídicos y que pueden considerarse su causa. El ruido es pues un agente, hecho o situación física, que afectando a la persona o susceptible de presentar un riesgo para ella, es tomado por el Derecho como la causa de la producción de determinadas relaciones jurídicas. Las consecuencias que el ruido produce en el hombre que está expuesto a él y que van desde las molestias hasta determinados efectos psíquicos y patológicos son también considerados por el Derecho. De otra parte, el Derecho no puede desconocer la realidad social actual, no en vano es en primer lugar y fundamentalmente un producto de formación social; Y como tal no puede volver sus ojos a la problemática que plantearon aquellos fenómenos que afectan a la persona, en su convivencia, perjudicándola. La calidad de vida de los ciudadanos es también objetivo del Derecho. Como fenómeno físico, el ruido es estudiado en un primer momento por las ciencias físicas, que lo delimitan. Y una vez definido por estas ciencias el Derecho toma su concepto, moldeándolo para adecuarlo a las relaciones que regulan la convivencia de los ciudadanos. Tarea del Derecho será, también, la de adecuarlo a la realidad cambiante de la sociedad, de forma que la norma defienda en todo momento la pacífica convivencia; sobre todo en un tema tan subjetivo como el del ruido, porque este es uno de sus caracteres esenciales. La subjetividad es inherente a aquellos fenómenos físicos que afectan a la persona, porque el grado de afección puede ser mayor o menor dependiendo de las Página 1

2 circunstancias de cada persona: su naturaleza y constitución física e inclusive los intereses de cada ciudadano son variables a introducir en el concepto de ruido. Ahora bien, este elemento subjetivo no puede ser tomado por el Derecho sino como, esencialmente, punto de partida para la relación jurídica. El ruido es recogido por la norma legal en base a unos criterios objetivos: la naturaleza del ruido, su intensidad, etc., son elementos que la norma adopta para imponer sus prescripciones. Aun cuando podamos aportar algún concepto de ruido emitido por la doctrina, vamos a basarnos primordialmente en la normativa estatal y supraestatal. La Resolución del Consejo de las Comunidades Europeas de 17 de mayo de 1977 relativa a la prosecución y la ejecución de una política y de un programa de acción de las Comunidades Europeas en materia de medio ambiente, define el ruido como un "conjunto de sonidos que adquieren para el hombre un carácter afectivo desagradable y más o menos inadmisible a causa, sobre todo, de las molestias, la fatiga, la perturbación y, en su caso, el dolor que produce". Es un concepto o declaración que desarrolla la consideración más generalizada del ruido al definirse éste como sonido molesto; introduciendo los efectos físicos que produce, denominados a lo largo de toda la normativa de la Comunidad Económica Europea como perturbaciones acústicas. La Directiva del Consejo de 1 de diciembre de 1986, relativa al ruido emitido por los aparatos domésticos define el "ruido aéreo emitido" como el "nivel de potencia acústica ponderada A, LWA, del aparato doméstico, expresado en decibelios (db) con referencia a la potencia acústica de un pico vatio (1 pw), transmitido por vía aérea". Observamos pues como la norma jurídica no ha de tener en cuenta sólo el concepto de ruido, sino también aquellos otros que relacionados con aquél sean precisos para fijar sus consecuencias. Así, conceptos como nivel de ruido, potencia acústica, perturbación acústica, presión acústica, etc., es necesario precisarlos en la norma legal. Y, sobre todo, para definir el ruido como sonido molesto o no deseado hay que definir previamente lo que entendemos por sonido. SONIDO es aquel efecto auditivo producido por una vibración del aire caracterizada por una sucesión periódica en el tiempo y en el espacio de expansiones y compresiones. Entre otros, para Plácido Parera y Harald Aagensen, el sonido es "una perturbación capaz de ser detectada por el ser humano, que se propaga a Página 2

3 través de un medio elástico con la velocidad que es característica de éste". El Real Decreto 1909/1981, de 24 de julio, por el que se aprueba la Norma Básica de la Edificación NBE-CA-81 (actualmente NBE-CA-88) sobre condiciones acústicas en los edificios define el sonido como la "sensación auditiva producida por una onda acústica. Cualquier sonido complejo puede considerarse como resultado de la adición de varios sonidos producidos por ondas senoidales simultáneas". A nivel estatal, el Reglamento de Actividades Molestas, Insalubres, Nocivas y Peligrosas fue la primera norma que, aun sin dar un concepto de ruido, lo estimó como una incomodidad a efectos de calificar las actividades que produzcan ruidos como molestas, sin llegar a precisar nada más. Es la NBE-CA-81, referida anteriormente, la que precisa en su Anexo 1 una definición de ruido como "mezcla compleja de sonidos con frecuencias fundamentales diferentes". En un sentido amplio, puede considerarse ruido cualquier sonido que interfiere en alguna actividad humana. Todas estas definiciones, aun cuando puedan resultar más científicas y rigurosas, vienen a resumirse en el concepto amplio y subjetivo que supone el ruido como un sonido molesto o no deseado. Es este el criterio más generalizado y dentro del cual se subsumen el resto de las definiciones. Así se ha definido también como un "sonido excesivo o intempestivo o, de forma más precisa, como todo sonido susceptible de producir efectos fisiológicos o psicológicos sobre una persona o grupo de personas". 1.2.PARÁMETROS QUE DEFINEN EL RUIDO Parámetros ondulatorios Periodo (T): es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la onda sonora. Su unidad es el segundo. Página 3

4 Frecuencia (f): es el número de ciclos que se realizan por segundo. Por tanto es la inversa del periodo. Se mide en Hz. Nota musical f (Hz) λ (m)( DO de un tubo de órgano de 9,60 m (mínima frecuencia audible) 16 21,5 LA (contraoctava, última nota del piano) 27 12,7 DO (contraoctava) 32 10,7 DO (gran octava) 64 5,4 DO (pequeña octava) 128 2,7 DO (octava central) 256 1,35 DO (primera octava) 512 0,67 FA (tercera octava: máximo para la sensibilidad auditiva) ,125 DO (cuarta octava, límite derecho del piano) ,85 Máxima frecuencia audible ,017 Tabla. Frecuencia de algunas notas y longitudes de onda correspondientes, en el aire a 20º C (c = 344 m/s) Velocidad del sonido (c): es la velocidad a la que se propaga la onda acústica en un medio elástico, y sólo dependerá de las características de éste. Se representa por c y se mide en m/s. Página 4

5 A continuación se muestran dos tablas con algunos ejemplos de velocidades de propagación de la onda acústica, en diferentes medios y a unas condiciones determinadas: Sólidos y líquidos en condiciones normales de P y Tª sustancia densidad (Kg/m 3 ) velocidad "c" (m/s) Aluminio Cobre Hierro Plomo Mármol Agua Agua de mar Alcohol etílico Gasolina Gas en condiciones normales de P y Tª sustancia densidad (Kg/m 3 ) velocidad "c" (m/s) Hidrógeno Vapor de agua Aire Oxígeno ,2 Anhídrido carbónico Cloro ,4 Longitud de onda (λ): es la distancia entre puntos análogos en dos ondas sucesivas. Se mide en metros. La longitud de onda está relacionada con la velocidad del sonido, frecuencia y periodo, por la expresión: Para sonidos propagándose en aire, dentro del rango de frecuencias audibles, los límites de la longitud de onda son de 17m para 20 Hz y 17 mm para Hz. Página 5

6 Cualidades del sonido Intensidad: está relacionada con la amplitud de onda. La intensidad es proporcional al cuadrado de dicha amplitud y podemos clasificar así los sonidos en fuertes y débiles. Tono: está relacionado con la frecuencia. Es una cualidad mediante la cual distinguimos los sonidos graves de los agudos, de forma que: La sensación sonora aguda procede de sonidos producidos por focos sonoros que vibran a frecuencias elevadas. La sensación sonora grave procede de sonidos producidos por focos sonoros que vibran a frecuencias bajas. Timbre: está relacionado con los armónicos incluidos en la onda sonora. Cualidad mediante la cual podemos distinguir dos sonidos de igual intensidad e idéntico tono que han sido emitidos por focos sonoros diferentes. Físicamente el timbre de un sonido se relaciona con el hecho de que casi nunca un sonido es puro, es decir, nunca un sonido corresponde a una onda sonora pura dada por y= A Sen w t = A Sen 2p f t, sino que, y dependiendo del tono, suele haber una frecuencia fundamental a la que pertenece la mayor parte de la energía de ese sonido, y otras frecuencias que también llevan asociadas unas cantidades de energía y responden a una ecuación similar: y = A Sen 2p f t Estas ondas se llaman armónicos y se superponen a la onda correspondiente a la frecuencia fundamental. Presión sonora RMS Cuando se propaga una onda sonora en un medio elástico como el aire, se crea una variación de presión sobre la presión ambiental existente. Esta Página 6

7 variación de presión es extremadamente útil para caracterizar la onda sonora ya que podemos medirla fácilmente. Supongamos que tenemos un tono puro, es decir, un sonido cuyas variaciones de presión dependen de una sola frecuencia, que llamaremos f, cuya variación de presión es senoidal y viene dada por la expresión: P(t) = P0 sen w t ; siendo w t = 2p f El valor instantáneo de la presión p(t) no sería adecuado para caracterizar la onda ya que varía continuamente con el tiempo. Podríamos pensar en utilizar el valor medio dado por la expresión: En nuestro caso: Es decir, el valor medio tampoco serviría para caracterizar la onda. El parámetro válido es el valor eficaz (RMS: root mean square en denominación inglesa), que se define como: Para un tono puro (onda senoidal) el valor eficaz vale: Por otra parte, se puede demostrar que la energía de la onda sonora es proporcional al cuadrado del valor eficaz de la presión. Por esta razón y dado que es una magnitud fácilmente medible, utilizaremos, de ahora en adelante, el valor eficaz de la presión acústica como el parámetro básico que cuantifique la onda sonora. Por comodidad, y mientras no se diga lo contrario, utilizaremos el término presión acústica o sonora, refiriéndonos a presión acústica eficaz. Para que las variaciones de la presión acústica sean audibles, deben estar comprendidas en el rango entre y 200 Pa, aunque esto sólo es rigurosamente cierto para la frecuencia de Hz. Página 7

8 Intensidad del sonido Es conveniente aclarar la distinción entre la intensidad real o física de un sonido de la intensidad subjetiva que produce este sonido a un agente determinado. Físicamente, la intensidad se define como la cantidad de energía que atraviesa por segundo la unidad de superficie situada perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda sonora. Siendo sus unidades el ergio/(s cm 2 ) en el sistema CGS y el W/m 2 en el S.I. Por tanto, la Intensidad será la Potencia partido por la Superficie. Si el foco emite en un medio isótropo (por igual en todas las direcciones), podemos conocer la potencia en todos los puntos de la superficie de una esfera de radio r, si conocemos la intensidad del foco emisor: Potencia = I 4p r 2 Una onda sonora puede caracterizarse por: - El desplazamiento que produce a las partículas del medio. Página 8

9 - La velocidad de una partícula (u) - La presión de dicha onda (p) En función de la velocidad y la presión, la intensidad puede expresarse como: I = u x p x cos j (siendo j el ángulo de fase entre u y p) En un campo libre: I = u x p x cos j A su vez: Donde: = densidad del medio (Kg/m 3 ) c = velocidad del sonido en el medio (m/s) Sustituyendo u, nos quedaría: Si f = 90, cos = 0, por tanto, I=0 Esto quiere decir que en una dirección perpendicular a la de propagación, la intensidad es nula. ρ.c es la impedancia característica del medio. En el aire, a 20ºC y 1 atm de presión amb.:.c = 40,8 unidades c.g.s. expresando p en µbar : (dinas/cm 2 ) (µw/cm 2 ) Nivel de Intensidad acústica: Símbolo: LI Unidad: decibelio db (re w/m 2 ) Se define mediante la siguiente expresión: Donde I es la intensidad acústica considerada, en W/m 2 I0 es la intensidad acústica de referencia, que se establece en W/m 2 Página 9

10 Potencia Sonora Se define como la Energía emitida en la unidad de tiempo por una fuente sonora determinada. Partiendo de la definición de Intensidad sonora: para una esfera: S = 4p R 2 como: entonces: Unidades: W (µw) r. c = 40,8 unidades (en el aire) p (µbar) R (cm) Ejemplos Potencia Nivel de presión (db) Avión reactor 10 kilowatios 160 Martillo neumático 1 watio 120 Automóvil a 72 Km/h 0,1 watio 110 Piano 20 miliwatios 103 Conversación normal 20 µwatios 73 Reloj eléctrico 0,02 µwatios 43 Susurro 0,00 µwatios 30 - Potencia sonora de referencia: Página 10

11 - Potencia sonora considerada: - Nivel de potencia sonora: Nivel de presión sonora. Decibelios El oído humano es capaz de detectar variaciones de presión acústica comprendidas entre Pa (20 m Pa) y 200 Pa ( m Pa) aproximadamente. Si la cuantificación de la presión acústica la hiciésemos en Pa, deberíamos utilizar una escala de de unidades, con la poca operatividad que esto supone. Con el fin de soslayar este problema, se utiliza una escala logarítmica introduciendo el concepto de Nivel de presión acústica en db dado por la expresión: Siendo: Lp = Nivel de presión acústica en db. Prms = Valor eficaz de la presión acústica en Pa. Po = Presión de referencia = 20 m Pa. El rango de presión audible expresado en db, será: Límite umbral = 20 mpa. Límite de dolor = 200 mpa. Mediante la utilización de la escala en db, hemos convertido una escala de de unidades en otra de 140 unidades. Presión acústica (µpa) Nivel de presión (db) Página 11

12 Suma de niveles de presión acústica en db: Debido a que la escala en db es una escala logarítmica, no es posible sumar aritméticamente dos o más niveles de ruido expresados en db. Por ejemplo: dos máquinas que producen cada una, en un determinado punto, 85 db, no producirán 170 db cuando trabajen juntas, sino 88 db. Pueden utilizarse los siguientes procedimientos de suma en db: Analíticamente: Supongamos que tenemos dos fuentes de ruido que en un determinado punto producen Lp1 y Lp2 Db cada una. Para dos ruidos de distintas frecuencias, se cumple que el cuadrado de la presión eficaz total es: Por lo tanto: El nivel de presión acústica será: Si suponemos que tenemos n fuentes de ruido que en un punto producen L1, L2,...; Ln, la suma en db es: Página 12

13 Gráficamente: Es un método práctico aproximado muy útil puesto que no es preciso realizar cálculos logarítmicos. El método es el siguiente: 1. Ordenar de mayor a menor los niveles de ruido a sumar. 2. Restar el primero del segundo y la diferencia obtenida, llevarla al eje de abcisas del gráfico. En ordenadas se obtendrá el número de db que se han de sumar al ruido de mayor nivel. 3. Al nivel resultante de la suma anterior, se le resta el tercer valor y se opera de igual modo. 4. Repetir el proceso hasta terminar con todos los niveles dados. En la figura siguiente se indica un ejemplo de suma por este método, de 6 niveles de ruido cuyo valor suma final es de 98 db. Página 13

14 Si dichos valores se hubiesen calculado por la fórmula exacta, hubiésemos llegado a 97,5 db, es decir, la única diferencia es la producida por el redondeo. Es importante notar que cuando la diferencia entre los niveles en db de dos ruidos es de 15 db o superior, la cantidad a sumar al ruido mayor es tan pequeña (<0.4 db) que en la mayoría de los casos puede despreciarse, por lo que la suma de dos ruidos que difieren en 15 o más db, en la práctica, es igual al ruido mayor. Resta de db y ruido de fondo: Definamos previamente los conceptos de ruido ambiente y ruido de fondo. Ruido Ambiente: es el ruido total en un medio ambiente dado. Ruido de fondo: es el nivel de ruido ambiente sobre el que se deben presentar las señales o medir las fuentes de ruido. En algunos casos es necesario restar niveles de ruido. Página 14

15 El caso más típico es cuando nosotros queremos medir el ruido de una máquina en particular en presencia de ruido de fondo. Entonces es importante saber si el ruido medido es debido al ruido de fondo, al ruido de la máquina o a una combinación de ambos. El procedimiento cuando queremos realizar este test es el siguiente: 1. Medir el ruido total existente, el de la máquina más el ruido de fondo, LS+N 2. Detener la máquina y medir el ruido de fondo, LN 3. Calcular la diferencia L=LS+N LN y utilizar una curva similar a la utilizada para la suma de db La resta de db se puede hacer como la suma, por dos métodos; por cálculo y por un gráfico. Por cálculo es exactamente igual que la suma pero con los signos cambiados. Para el método gráfico tendremos en cuenta que si L es menor que 3 db, el ruido de fondo es demasiado elevado para una medida precisa y el nivel de ruido correcto no puede hallarse mientras el ruido de fondo no se haya reducido. De otro modo, si la diferencia es superior a 10 db, el ruido de fondo puede ser ignorado. Si la diferencia está entre 3 db y 10 db, el nivel de ruido correcto puede hallarse, entrando el valor de L en el eje horizontal y leer el valor de corrección, en el eje vertical. El nivel correcto producido por la máquina, se hallará restando este nivel del valor LS+N Nivel de ruido continuo equivalente La gran mayoría de los ruidos existentes en el lugar de trabajo tienen niveles de presión acústica variables en el tiempo. Supongamos que tuviésemos que evaluar un ruido cuyo gráfico de variación del nivel con el tiempo está indicado en la siguiente figura: Página 15

16 Qué valor deberíamos escoger para caracterizar el ruido?, el valor medio?, el valor mínimo?, deberíamos hacer una distribución estadística especificando los porcentajes? Lo ideal sería poder asignar al ruido variable un solo número que reflejará el nivel de un ruido constante que tuviese la misma energía que el ruido variable en el periodo de tiempo estudiado. Esto es precisamente lo que hace el nivel de ruido continuo equivalente, definido por la expresión: Siendo: Leq,T = Nivel de ruido continuo equivalente en db. T = t2 t1 = Tiempo de exposición. P(t) = Presión acústica instantánea en Pa. Si conocemos los niveles de presión sonora de "n" medidas discretas, tomadas con igual periodo de muestreo, el Nivel de presión sonora continuo equivalente total viene dado por la expresión: Si el periodo de muestreo no es igual para todas las muestras, la expresión del nivel de presión acústica continuo equivalente es: Página 16

17 Es importante destacar lo siguiente: - El nivel de presión acústica continuo equivalente contiene dos conceptos: un nivel en db y un tiempo de exposición. - La gran importancia del nivel de presión acústica continuo equivalente reside en que es el principal parámetro utilizado en la Legislación Española y Comunitaria para la protección de los trabajadores contra el ruido (R.D. 286/2006 y 86/188/CEE). - El nivel de presión acústica continuo equivalente de un ruido constante, es igual al valor constante. Nivel de pico Se define como el nivel en db dado por la expresión: donde: Lmax = Nivel de pico en db. Pmax = valor máximo de la presión acústica instantánea en Pa. Página 17

18 El nivel de pico debe medirse sin ponderación en frecuencia y la constante de tiempo del sonómetro usado no ha de ser superior a los 100 microsegundos. Nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado "A" Es el nivel de presión acústica continuo equivalente cuando la presión acústica se mide a través de un filtro con ponderación "A". Viene dado por la expresión: Siendo: LAeq,T = Nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado A en db. T = t2 t1 = Tiempo de exposición. pa(t) = Presión sonora instantánea ponderada "A" en Pa p0 = Presión de referencia = Nivel Diario equivalente: Es el nivel de ruido continuo equivalente ponderado "A", cuando el tiempo de exposición se normaliza a una jornada de trabajo de 8 horas. Si conocemos el nivel de presión acústica continuo equivalente ponderado A de un ruido durante un tiempo T, el nivel diario equivalente será: Siendo: LAeq,d = nivel diario equivalente (Tiempo de exposición = 8h) en db. T = tiempo de exposición al ruido en h/día. El nivel diario equivalente es, sin duda, el parámetro más importante en la Legislación Española sobre la protección de los trabajadores contra el ruido (R.D. 286/2006) así como en la Comunitaria(86/188/CEE), ya que ambas legislaciones limitan la exposición de ruido a un nivel diario equivalente de 90 dba con dos niveles de acción 80 y 85 dba (RD 286/2006) y 85 dba (86/188/CEE). OTROS CONCEPTOS SOBRE EL SONIDO Vamos a comentar otros conceptos que serán también de aplicación en el estudio, medida y valoración del ruido industrial. - Campo acústico libre: es un lugar donde el sonido se propaga libremente sin ningún tipo de reflexión, como por ejemplo una cámara anecoica. Página 18

19 - Reverberación: cuando existen superficies reflectantes de sonido, puede ocurrir que éste permanezca aún cuando la fuente sonora haya dejado de emitir. Este sonido remanente se llama reverberación. - Campo difuso: cuando el sonido se propaga en un campo no libre de forma que las ondas sonoras se propagan en todas direcciones y que la presión sonora es igual en todos los puntos de ese recinto, se dice que el campo acústico es perfectamente difuso. - Factor de directividad: es la medida del grado en que la energía sonora se concentra en una determinada dirección del espacio. Se define como la relación existente entre la presión sonora cuadrática media existente a una distancia dada y en una dirección determinada, y la presión sonora cuadrática media en el mismo punto pero considerando la onda esférica. Si la fuente sonora está suspendida en el espacio abierto, sin reflexiones, radiará su energía en todas las direcciones. Así, su directividad esférica es total y Q=1. Si está en el suelo, todo el ruido se radiará a través de una semiesfera (sin considerar la energía absorbida por el suelo), con lo que la densidad de energía acústica será del doble, y Q=2. Igualmente, si la fuente sonora está contra una pared, Q=4, y si está en una esquina será Q=8. Esto se aprecia en la siguiente figura: Página 19

20 - Impedancia acústica: cada medio (sólido, líquido o gaseoso) ofrece una resistencia más o menos grande para la propagación del sonido. Se dice que el medio posee una impedancia acústica. Se define como el cociente entre la presión acústica (P) y la velocidad del sonido (v): Z = P/v Página 20

21 2. ANÁLISIS ESPECTRAL Si tenemos un tono puro: 2.1.Espectro de ruido podemos representar la variación de p(t) con t según se indica en la figura: Otra posibilidad es representar una magnitud característica de la onda (p.ej.: el valor eficaz) con respecto a la frecuencia, según se indica en la figura: Página 21

22 A esta representación se la denomina espectro de la onda sonora. Así, se define el espectro de un ruido como la representación de la distribución de energía sonora de dicho ruido en función de la frecuencia. Si tenemos una onda compuesta por la suma de dos tonos simples, su espectro tendría 2 líneas de magnitud proporcional al valor eficaz de cada una de ellas. Si la onda fuese cuadrada, estaría formada por un gran número de tonos puros de frecuencias: f (fundamental), 3f (tercer armónico), etc. El ruido industrial tiene estructura compleja y está compuesto por varias frecuencias y en la mayoría de los casos, por la mayor parte de las frecuencias que componen el margen audible. La forma de espectro sería continua. Página 22

23 El interés del análisis en frecuencia radica en que los materiales acústicos, protectores auditivos, etc, son más eficaces a unas frecuencias que a otras, así como la respuesta al oído humano, de ahí que se deba conocer el espectro antes de proceder a tomar ningún tipo de medida correctora. Existen distintas fases en el análisis de la protección de los trabajadores contra el ruido, en la que nos interesa conocer, no sólo el nivel de presión acústica producido por el ruido, sino además, cómo se distribuye la energía acústica en cada una de las frecuencias o grupos de frecuencias que componen el ruido estudiado. Entre dichas fases, podemos citar: - Análisis y diseño de sistemas de protección colectiva contra el ruido (disminución del ruido en máquinas, cerramientos, barreras, absorción acústica de locales, etc.) - Selección adecuada de protectores individuales contra el ruido Tipos de filtros Para analizar ruidos se usan los filtros, que eliminan la parte del espectro que no esté comprendida entre las frecuencias que nos interesa medir. Para ello se usan tres tipos principales de filtros, que son los más usados: Página 23

24 - Filtros pasa bajas: dejan pasar las frecuencias que están por debajo de la seleccionada por el filtro. - Filtros pasa altas: dejan pasar las frecuencias que están por encima de la seleccionada por el filtro. - Filtros pasa banda: son una combinación de los dos filtros anteriores. Estos eliminan las componentes cuyas frecuencias están por encima o por debajo de unos límites o frecuencias de corte de cada filtro. Sólo las frecuencias comprendidas entre ellas pasan a su través. Esta banda de frecuencias permitidas se llama banda de paso y el valor f2-f1 se llama ancho de banda. Siendo la f1 la frecuencia de paso inferior y f2 la frecuencia de paso superior. Son los más usados, y las frecuencias superior e inferior de corte están relacionadas de la siguiente forma: - Banda de paso de octava: - Banda de paso de media octava: - Banda de paso de tercio de octava: Siendo: f1 : frecuencia de paso inferior. f2 : frecuencia de paso superior. fc : frecuencia central de la banda. Se denomina frecuencia central de la banda a la media geométrica de las frecuencias extremas: La frecuencia central se utiliza para denominar la banda, es decir, a la banda de octava con frecuencias extremas f1 = 707 Hz y f2 = 1414 Hz se la denomina banda de octava de 1000 Hz. Es importante destacar que la banda se va haciendo "más ancha" (con más frecuencias componentes) conforme aumenta la frecuencia. Por ejemplo en la banda de octava de frecuencia central 63 Hz, entran las frecuencias comprendidas entre 44 y 89 Hz, mientras que en la banda de frecuencia central 500 Hz, entran las frecuencias comprendidas entre 353 y 707 Hz. Página 24

25 En la siguiente tabla se puede apreciar la distribución de frecuencias en bandas de octava normalizadas según la Norma UNE (CEI 651). Frecuencia inferior (Hz) Frecuencia central (Hz) Frecuencia superior (Hz) Como veremos en el capítulo medida del ruido, es posible determinar la presión acústica en bandas de octava, mediante la utilización de filtros analógicos o digitales en la cadena de medida. Si de un ruido conocemos la presión acústica en bandas de octava, podemos conocer el nivel de presión sonora aplicando la expresión de la suma en db. - Ejemplo: Se desea conocer el nivel de presión acústica de un ruido cuyos niveles de presión en bandas de octava están dados en la tabla siguiente. Representar el espectro en bandas de octava. f(hz) K 2K 4K 8K Lp (dba) Página 25

26 2.3. Sensación sonora Un ruido se percibe con más o menos intensidad por el oído humano, además de por las características intrínsecas del aparato auditivo de cada persona, dependiendo de dos factores físicos principales: - el nivel de presión sonora y - la frecuencia del ruido. Por tanto, a la hora de definir un ruido hay que tener en cuenta tanto su espectro de frecuencias como su nivel de presión sonora. El fonio es el nombre dado a la unidad de nivel de intensidad de sensación sonora. A partir de datos experimentales realizados con colectivos de personas, Fletcher y Munson construyeron las curvas recogidas en la siguiente figura, de igual sensación sonora o curvas isosónicas, que reflejan el comportamiento del oído humano. Están construidas tomando como referencia un sonido a 1000Hz de frecuencia y variando su nivel de presión sonora. Un ruido dado se dice que tiene "n" fonios si produce en apariencia la misma intensidad que un sonido de "n" decibelios a una frecuencia de 1000 Hz. Se puede apreciar que el comportamiento del oído es desigual con el aumento de la presión sonora a las distintas frecuencias. Se pueden apreciar 3 zonas básicas: de 20 a 1000 Hz de 1000 a 5000 Hz de 5000 Hz en adelante zona de atenuación zona de amplificación zona de atenuación La curva a trazos nos indica el nivel de presión sonora mínimo a las distintas frecuencias para tener sensación auditiva (es decir, por debajo de esa curva no oiríamos nada). Es lo que se denomina el umbral de audición. Como ejemplo de interpretación de las curvas isosónicas, un nivel de presión sonora de 30 db a 1000 Hz equivale a 60 db a 80 Hz y a 26 db a 3000 Hz. Página 26

27 2.4. Escalas de ponderación La percepción del sonido por el oído humano es un fenómeno complejo, que depende de la frecuencia y del nivel de presión sonora de la onda sonora, no existiendo linealidad entre ambas variables. Cuando deseamos valorar los riesgos derivados de la exposición al ruido de los trabajadores, tendremos que conseguir que la medida del ruido sea, de algún modo, reflejo de la forma en que el trabajador percibe el ruido. Esto dio lugar a la obtención de 4 escalas de ponderación denominadas A, B, C, D, que quedan especificadas en la Norma S1.4 de ASA, y han quedado internacionalmente aceptadas a través de la ISO. Estas escalas se encuentran introducidas en los aparatos de medida (sonómetros) para corregir sus lecturas adaptándolas a la respuesta del oído. La escala A está pensada como atenuación al oído cuando soporta niveles de presión sonora bajos (<55dB) a las distintas frecuencias. La escala B representa la atenuación para niveles intermedios (55-85 db) y la C para altos (>85 db). La D está pensada para muy altos niveles de presión sonora. El filtro exigido por la Legislación vigente Española y Comunitaria, es el filtro "A" definido en la norma UNE (CEI-651). Como puede verse en la figura el filtro A tiene una curva de ponderación con una forma tal que se aproxima a la inversa de la curva de ponderación de igual sensación sonora de 40 fonios. Para niveles de 55 db, se emplea la curva B, inversa de la curva de 55 fonios, y para niveles superiores a 85 db, la curva C, asimismo inversa a la curva de 85 fonios. Página 27

28 En la siguiente tabla se dan los rasgos teóricos para los cuales se deben utilizar las diferentes redes de ponderación, así como las atenuaciones que presentan para las diferentes frecuencias. Frecuencias (Hz) Valores prácticos de la respuesta relativa A B C Valor Teórico Escala A < 55 db db > 85 db En efecto, si un sonido de 45 db y su energía se mide a través de la red de ponderación, según cuáles sean sus frecuencias predominantes, se verán ponderadas ajustándose a la respuesta del oído humano, y obteniéndose con el instrumento una medida que expresa la sensación sonora. Si el nivel del sonido fuese del orden de 60 db, se debería emplear la red de ponderación B y la C cuando el nivel fuese superior a 85 db. Página 28

29 Sin embargo, estudios posteriores, han demostrado que independientemente del nivel, para la mayoría de los ruidos tanto la molestia, como la peligrosidad para el órgano de la audición quedan mejor determinadas cuando se emplea en la medida la curva de ponderación A, por lo que actualmente es de universal utilización. Para el caso específico de medida de los ruidos producidos por aeronaves, se utiliza, a veces, otra red de ponderación (D), que está basada en criterios de "ruidosidad". Para evitar confusiones, es imprescindible indicar el tipo de red utilizada al presentar los resultados, incluyendo la letra característica en las unidades. Por ejemplo db A 2.5. Índices de valoración de ruido Los seres humanos se encuentran rodeados por el ruido en todas sus actividades, por lo que si se desea conocer y valorar la reacción de una persona o de un colectivo ante el ruido, es necesario crear una escala que valore la respuesta subjetiva de las personas, con alguna propiedad física medible de la fuente sonora (potencia acústica emitida, intensidad acústica en un punto situado a una distancia r (m) de la fuente, presión acústica en un punto situado a una distancia de r (m) de la fuente), mediante un único valor numérico que llamaremos Índice. De esta forma se podrán crear Criterios que nos darán valores del índice de ruido que no deben superarse. La comparación de los valores medidos de un índice, en un caso determinado de ruido, con los máximos valores admitidos, diremos que es hacer una Evaluación del ruido estudiado. El propósito de los diferentes trabajos consiste en conocer las características físicas del ruido y combinarlas para obtener una unidad que permita predecir como van a reaccionar los seres humanos frente a un problema determinado de ruido. Existen muchas características de ruido, de las que se conoce la molestia que origina, por ejemplo un ruido intermitente, o si tienen tonos puros identificables, es mucho más molesto que un ruido de intensidad análoga pero estable. Para encontrar los valores de los índices de evaluación, se necesitan hacer diferentes tomas de datos: Página 29

30 1. Una medida única, 2. Conocer el espectro de frecuencias, 3. Análisis estadístico en el tiempo y 4. Combinación de las medidas anteriores. En la evaluación de los diferentes tipos de ruidos debe tenerse en cuenta que un índice válido para evaluar un tipo de ruido, no servirá para predecir otro tipo de ruido, ya que entre ambos pueden existir importantes variaciones en sus características físicas. Debido a lo expuesto, los métodos de evaluación del ruido pueden dividirse en dos grandes grupos: 1. Realiza una descripción de las características físicas del estímulo acústico. 2. Normaliza los métodos teniendo en cuenta factores externos no acústicos. Un ejemplo del primer grupo es aquél en el que la sonoridad de un ruido con espectro continuo depende de cada persona, del espectro del ruido, así como de la dirección de llegada de las ondas sonoras. Se han desarrollado diferentes métodos para que, a partir del conocimiento del espectro del ruido, permitan determinar su sonoridad, para una persona de características auditivas normales. Un método desarrollado por S.S.Stevens, sólo sirve para campos sonoros difusos, continuo se expresa en una nueva unidad "noys" inventada por Kryter y similar al sono. Otro ejemplo del segundo grupo puede ser el que tiene en cuenta si las medidas se hacen de día o de noche, en zonas urbanas residenciales o industriales, etc. Índices de valoración de diferentes fuentes de ruido. - Nivel de presión acústica en toda la banda: nivel sin ponderar en el rango de frecuencias audibles. - Nivel de presión acústica ponderado:» Ponderación A.» Nivel sonoridad: de un sonido, es de n fonios cuando, a juicio de un oyente normal, la sonoridad, en escucha binaural, producida por el sonido, es equivalente a la de un sonido puro de 1000 Hz continuo, que incide frente al oyente en forma de onda plana libre progresiva y cuyo nivel de presión Página 30

31 acústica es de n db superior a la presión de referencia (unidad físicamente no constante, aunque para nuestro oído sí lo es).» Son o sonio: es la sonoridad de un tono de 1 KHz y un nivel de intensidad de 40 db. Curvas de valoración NR: Permite asignar al espectro en frecuencias de un ruido, medido en bandas de octava, un solo número NR (ISO R-1996), que corresponde a la curva que queda por encima de los puntos que representan los niveles obtenidos en cada banda de nuestro ruido. En la tabla 1 se representan los valores recomendados de este índice en los diferentes recintos y que no deben superarse. En la tabla 2 aparecen los distintos valores de los índices NR tanto gráfica como analíticamente. Con relación a este índice en aulas, su valor está comprendido entre las curvas 20 y 30, que son contornos que a 1000 Hz pasan por el nivel de 20 y 30 db. La forma de estas curvas refleja el incremento de la sensibilidad del oído con el aumento de la frecuencia y la forma espectral de los ruidos más frecuentes disminuye con un aumento de la frecuencia. La curva NR-20 representa un criterio muy estricto para aulas muy silenciosas, mientras que los otros mencionados sirven como especificaciones para aulas menos críticas. Curvas de valoración NC: Existe otro índice, dado por L.L.Beranek en 1957, con el que se pretende originalmente relacionar el espectro de un ruido con la perturbación que producía en la comunicación verbal, teniendo en cuenta los niveles de interferencia de la palabra y los niveles de sonoridad. Tabla 3 En el caso de los estudios de grabación sonora, no debe superarse el valor NC de 15 a 20. La curva NC 20 y 30, así como otras curvas NC, tienen un contorno de forma similar a las curvas NR, pero desplazadas hacia arriba, alrededor de 3 db, para valores de nivel de presión acústica bajos, como son en los estudios de grabación sonora. Tabla 4 Curvas de valoración PNC: Página 31

32 A las curvas NC obtenidas en 1957, se le hicieron una serie de sugerencias y modificaciones, que dieron lugar en 1971 a las curvas PNC (Prefered Noise Criteria). Estas curvas PNC tienen valores que son de alrededor de 1 db menos que las curvas NC en las cuatro bandas de octava 125, 250, 500 y 1000 Hz, para la misma curva tabla 5 y tabla 6. En la banda de 63 Hz, los niveles permisibles son 4 ó 5 db inferiores. Estas curvas no han sido aceptadas internacionalmente, por lo que se consideran como recomendaciones, aunque se podrán usar igual que las curvas NC. En la tabla 7 se representan de una forma conjunta los valores recomendados de los tres índices y sus valores equivalentes en db(a). En recintos donde el nivel de ruido deba ser muy bajo, se utilizarán procedimientos más elaborados, como el uso de filtros acústicos especiales. A pesar de que la responsabilidad de controlar estos ruidos corresponde al instalador de los sistemas de calefacción y de ventilación, el ingeniero de sonido deberá conocer los principios y sistemas en los que se basan. Tablas Tabla 1.- Valores recomendados del índice NR para diferentes locales Tipos de recintos Talleres. Oficinas mecanizadas. Gimnasios, salas de deporte piscinas. Restaurantes, bares, cafeterías. Despachos, bibliotecas, salas de Justicia. Cines, hospitales, iglesias, pequeñas salas de conferencias. Aulas, estudios de televisión, grandes salas de conferencias. Salas de conciertos, teatros. Clínicas, recintos para audiometrías. Rango de NR Página 32

33 Tabla 2.- Valores del Nivel de presión sonora correspond. al índice NR NR Niveles de presión sonora en bandas de octava (db) Frecuencias centrales (Hz) Tabla 3.- Valores recomendados del índice NC para diferentes locales Tipos de recintos Fábricas para ingeniería pesada. Fábricas para ingeniería ligera. Cocinas industriales. Recintos deportivos y piscinas. Grandes almacenes y tiendas. Restaurantes, bares, cafeterías y cafeterías privadas. Oficinas mecanizadas. Oficinas generales. Despachos, bibliotecas, salas de justicia y aulas. Viviendas, dormitorios. Salas de hospitales y quirófanos. Cines. Teatros, salas de juntas, iglesias. Salas de conciertos y teatros de ópera. Estudios de registro y reproducción sonora. Rango de NC Página 33

34 Tabla 4.- Valores del Nivel de presión sonora correspond. al índice NC NC Niveles de presión sonora en bandas de octava (db) Frecuencias centrales (Hz) Tabla 5.- Valores recomendados del índice PNC para diferentes locales Tipos de recintos Salas de concierto, óperas y locales de recitales. Estudios de radio y de televisión. Auditorios, grandes teatros, iglesias. Auditorios pequeños, pequeñas iglesias, pequeños teatros, grandes salas de conferencias y reuniones (no más de 50 personas). Dormitorios, hospitales, residencias, apartamentos, hoteles. Oficinas privadas, pequeñas salas de conferencias, aulas, bibliotecas. Grandes oficinas, tiendas, cafeterías, restaurantes. Oficinas de ingeniería. Cocinas, lavanderías, oficinas con ordenadores. Grandes tiendas, garajes. Rango de NC Página 34

35 Tabla 6.- Valores del Nivel de presión sonora correspond. al índice PNC PNC Niveles de presión sonora en bandas de octava (db) Frecuencias centrales (Hz) Tabla 7.- Valores máximos de los índices de ruido permitidos Tipo de recinto Estudios de radio, televisión Salas de música, auditorios Teatros Hospitales Iglesias Viviendas, hoteles Salas lectura, aulas Salas de conferencia pequeñas Oficinas, restaurantes Juzgados Oficinas medias Bibliotecas Bancos, tiendas, oficinas grandes Gimnasios, salas deporte y piscinas Cines Nivel de Indices de ruido ruido db NR NC PNC db (A) Página 35

36 3. TÉCNICAS DE MEDIDA 3.1. Introducción Antes de empezar cualquier programa de medida de ruido debe estar perfectamente definido el objetivo del mismo, los datos necesarios para conseguirlo, y las mediciones que se deberán llevar a cabo. En esta última etapa se elegirá la instrumentación adecuada. Para ello, se deberán tener en cuenta las características del ruido a medir. Así, por ejemplo, el espectro del ruido puede ser de banda ancha como el ruido de aviones o de tráfico; de banda estrecha, como el de ventiladores, o compuesto principalmente por tonos, como el de motores eléctricos. Además el nivel puede ser prácticamente constante, como en el caso de procesos industriales continuos; o muy variable con el tiempo, como en obras y edificaciones; o también intermitente, alternando períodos de ruido intenso con períodos de silencio, como el de poblaciones cercanas a líneas de ferrocarril. Otros problemas adicionales surgen a la hora de medir ruidos de tipo impulsivo, como disparos, ruidos de máquinas neumáticas o de impacto. Debemos evaluar también en el procedimiento de medida la influencia del entorno sobre las fuentes de ruido. La cantidad y tipo de análisis de los datos que llevemos a cabo influirá en la elección de la instrumentación y de los procedimentos de medida. Así, un programa básico de investigación necesitará una gran cantidad de datos adecuados en previsión y tipos, mientras que una investigación de control de ruido normalmente requiere mucha menos información, y el propósito de los sistemas de monitorado es sólo detectar y registrar cambios en indicadores globales del ruido. Un factor muy importante a la hora de elegir un equipo de medida para usar fuera de un laboratorio es que sea realmente portátil, es decir, que sea ligero, fácil de calibrar y con alimentación por pilas. En este capítulo se desarrollarán los puntos anteriores, con el fin de asegurar la mejor elección de la instrumentación para una aplicación particular, de manera que obtengamos los mejores resultados posibles. Para ello, es preciso comenzar con una descripción de los diferentes métodos de análisis de una fuente de ruido por medio de las medidas de presión sonora. Página 36

37 La medida más sencilla de un ruido es el nivel de presión global, independientemente por tanto de la frecuencia, y por consiguiente despreciando su variación con el tiempo. Se utilizará para tener una primera aproximación del ruido, o cuando se están registrando datos para un posterior análisis en el laboratorio. Por tanto, la respuesta en frecuencia está limitada solamente por la instrumentación. Existe un caso especial, que es la ponderación en frecuencia según la respuesta en frecuencia del oído humano. En este caso, que es el más habitual en la instrumentación de medida (escala A), obtenemos una medida muy representativa de los efectos subjetivos sobre el ser humano. Dado que existen diferentes tipos de ponderaciones en frecuencia, es necesario especificar de una forma muy clara, qué ponderación hemos aplicado, al objeto de poder comparar los resultados con otras medidas. Figura. Diagrama de bloques de un sonómetro La ponderación A es la más ampliamente utilizada, y la mayoría de normas nacionales e internacionales están basadas en medidas ponderadas A, o en otros parámetros derivados de estas medidas, y que permiten una estimación de la variación del ruido en el tiempo. Así, por ejemplo, el ruido de tráfico es expresado habitualmente en términos LAeq o Ln. La evolución que han seguido los sonómetros, que incorporan procesadores digitales (sonómetros integradores), ha permitido que la mayor parte de las medidas puedan realizarse in situ, sin necesidad de postprocesarlas en un laboratorio. Si se necesita un análisis en frecuencia del ruido, podemos efectuar las medidas en bandas normalizadas de 1 octava y 1/3 de octava, dependiendo de la Página 37

38 aplicación y resolución deseada. Así, por ejemplo, es habitual analizar en bandas de octava el ruido de máquinas de oficina o sistemas de ventilación, mientras que el ruido de aviones, cuando se quiere determinar el índice PNL, se realizan en 1/3 de octava. Para algunas aplicaciones en las que el ruido se componga de tonos puros, o tenga un espectro muy irregular, es necesario el análisis de banda fina, que proporciona una mayor resolución, y permite diferenciar con claridad cada componente frecuencial. A grandes rasgos podemos clasificar el ruido, atendiendo a su origen, en tres grupos: Ruido de la fuente: Cuando es necesario cuantificar el ruido de una fuente aislada, midiendo en puntos bien definidos alrededor de la misma. Ruido de la comunidad: Cuando se mide para evaluar las molestias del ruido en ambientes comunitarios, como en casa, calle, etc. Ruido en el ambiente laboral: Cuando se mide para determinar el riesgo de pérdidas de la audición, o las molestias que puede generar el ruido dentro de los estándares de la Ergonomía. Las medidas y análisis de los tres grandes grupos de ruido aportan también datos para combatirlos y corregirlos. Dentro de estos grupos nos encontramos con diferentes tipos de ruidos en función de su duración y oscilaciones de nivel de presión sonora. Los más usuales son: Ruido Contínuo o Estable: Se considera un ruido como continuo cuando su nivel varía en función del tiempo lentamente sobre márgenes inferiores a 5 db. Tales ruidos provienen de máquinas con cargas estables, por ejemplo motores eléctricos, bombas, etc. Ver método de medición para ruido estable. Ruidos fluctuantes: Se considera un ruido como fluctuante, cuando el nivel, en función del tiempo, varía por encima de los 5 db. Ver método de medición para ruido fluctuante. Ruido fluctuante periódico: Es aquel cuya diferencia entre los valores máximo y mínimo de LpA es superior o igual a 5 db y cuya cadencia es cíclica. Ruido fluctuante aleatorio: Aquel cuya diferencia entre los valores máximo y mínimo de LpA es superior o igual a 5 db, variando LpA aleatoriamente a lo largo del tiempo. Ruido transitorio: Se considera así aquel en que su nivel de presión sonora comienza y termina dentro de un período de tiempo dado (por ejemplo el ruido de un avión sobrevolando). Página 38