RUIDO Y SOBREPRESION ATMOSFERICA *

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1 294 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL RUIDO Y SOBREPRESION ATMOSFERICA * Luis Enrique Sánchez Departamento de Engenharia de Minas Escola Politécnica da Universidad de São Paulo 1. EL SONIDO Y SU MEDIDA El sonido puede ser definido como cualquier variación de presión que el oído humano pueda detectar. El aparato que mide la presión atmosférica es el barómetro. Sería posible utilizarlo para medir el sonido? Ciertamente no. El sonido es una variación de presión que debe producirse en un intervalo de tiempo relativamente corto, como mínimo 20 veces por segundo, o sea a una frecuencia de 20 Hz. El umbral superior de audibilidad es de Hz, lo que da una faja de variación bastante grande para el * Trabajo publicado en Aspectos Geológicos de Protección Ambiental, Volumen I, UNESCO, oído humano. La mayoría de los sonidos audibles, sin embargo, se sitúa en una faja intermedia del espectro. La frecuencia de las notas de un piano, por ejemplo, va de 27,5 Hz a 4186 Hz. De este modo, el sonido puede ser caracterizado, por lo menos, por dos parámetros físicos, presión sonora y frecuencia. La presión sonora es definida como la diferencia entre la presión total cuando se produce el pasaje de la onda sonora y la presión atmosférica normal o de referencia (Po). El oído humano es sensible a una faja de presiones acústicas de Pa a 20 Pa. Las fajas de presión correspondientes a sonidos audibles son por ende, veces menores que la presión atmosférica (1). Como los sonidos audibles alcanzan una faja de varia-

2 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL 295 ción de 106 Pa, se utiliza una escala logarítmica para medir el nivel de presión sonora L: donde Po = Pa por convención internacional Esta expresión también puede ser escrita como: L = 20.log (P / Po ) y representa el nivel de presión sonora en decibeles (db). Se puede notar que para una variación de presión P = Po el nivel de presión sonora L será igual a 0 db, mientras que para una variación de presión P = 20 Pa, el nivel de presión sonora será de 120 db. La expresión nivel de presión sonora se abrevia NPS o SPL (Sound Pressure Level). Por tratarse de una escala logarítmica, la presión sonora se duplica a aproximadamente 3 decibeles, o sea, un nivel de 60 db no es el doble de 30 db y si cerca de 31 veces mayor. El cuadro 1 muestra valores típicos de NPS para diversas actividades. El oído humano, sin embargo, no responde con igual sensibilidad a todas las frecuencias, de modo que la impresión subjetiva de la intensidad del sonido no está exactamente representada por el NPS. La figura 1 representa el umbral de audibilidad para diversas frecuencias. Se observa que son más fácilmente audibles los sonidos entre 500 y 4000 Hz, o sea, es preciso una menor variación de presión en esa faja de frecuencia que para frecuencias más altas o más bajas. Esto significa que oímos más fácilmente sonidos en esa faja intermedia del espectro de audibilidad. Para tomar en cuenta ese fenómeno se creó una unidad de medida llamada fon, que representa el nivel de audibilidad. El nivel de referencia es un sonido puro a 1000 Hz: 1 fon corresponde a 1 db a 1000 Hz. La figura 2 presenta curvas de igual audibilidad (loudness), que indican el NPS necesario, para cualquier frecuencia para dar la misma sensación de audibilidad de un tono de 1000 Hz. Por ejemplo, un tono de 50 Hz debe tener un NPS de 85 db para dar la misma audibilidad subjetiva que un tono de 1000 Hz a 70 db y esto puede ser constatado en la figura 2: si a 1000 Hz subimos por una línea vertical hasta encontrar la curva de 70 fons (o de 70 db), interpolada entre la de 60 y de 80, y seguimos hacia la izquierda por esa curva hasta encontrar la vertical correspondiente a 50 Hz y de ese punto horizontalmente hacia el eje vertical, encontraremos el valor de aproximadamente 90 db. Esto se produce porque oímos mejor a 1000 Hz que a 50 Hz, por ello el nivel de presión sonora tiene que ser cerca de 20 decibeles mayor, lo que equivale a una presión cerca de 10 veces mayor. Cómo tomar en cuenta esta diferencia de audibilidad en la medida del sonido? La escala Cuadro 1 - Niveles típicos de presión sonora FUENTE NPS [db(a)] Concierto de rock 110 Compresor de aire comprimido 110 Molino de bolas 100 Martillo de bolas (cabina del operador) 90 a 100 Tractores y excavadoras (cabina del operador) 84 a 107 Camiones fora-de-estrada (operador) 74 a 109 Motor diesel a 8 m 90 Instalaciones de flotación 63 a 91 Aspiradora de polvo a 3 m 70 Conversación normal 60 Casa rural 40 Caída de una hoja 10 Fuente: Down e Stacks (1977)

3 296 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL Figura 1 - Curva del límite de audibilidad. La curva aceptada por la ISO (International Organization for Standardization), derivada de las experiencias de Rodinson y Dadson, dice, por ejemplo, que para tener sensación de sonido en 31,5 Hz se necesita una variación de presión de aproximadamente 2000 x 10-5 N/m 2 (0,02 N/m 2 ). Figura 2 - Curvas de igual audibilidad en fons

4 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL 297 en decibeles no denota esa variabilidad. Se tentó entonces corregir la medida en decibeles a través de la aplicación de una escala que asocia una determinada audibilidad a cada nivel de presión sonora medido en decibeles. Esa corrección se muestra en la figura 3, donde son representadas tres curvas de compensación, denominadas A, B y C. Se puede notar que para la frecuencia de 1000 Hz todas las curvas pasan por el mismo punto y conforme nos apartamos en dirección de frecuencias menores, mayor es la diferencia entre la curva de compensación y el nivel de referencia representado por la línea horizontal. De este modo, para un sonido de 100 Hz, la curva de compensación A muestra una respuesta relativa de - 20 db. Ello significa que un medidor de sonido que indicara el valor de 60 db para un sonido de 100 Hz debería ser corregido de forma que indicara el valor de 40 db para ese sonido, pues esta corrección corresponde mejor a la sensibilidad del oído humano. De las tres curvas de compensación propuestas la que empíricamente mejor corresponde a la audición humana es la escala A. Los aparatos de medición de sonido, llamados decibelímetros, deben incluir un circuito electrónico de compensación cuyo efecto debe ser el de introducir la corrección mostrada en la figura 3 en la medida señalada en el indicador del aparato. Un esquema simplificado de un decibelímetro es el siguiente: micrófono amplificador circuito de compensación indicador Figura 3 - Curvas de compensación para aparatos de medición sonora

5 298 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL Por esa razón, toda medida de sonido debe venir acompañada de la escala de compensación usada, A, B o C, de la forma indicada en la figura 3. Los decibelímetros acostumbran tener una llave para la elección de la escala de compensación deseada. Un análisis útil de un ruido es frecuencial. Cualquier ruido presenta un espectro de frecuencias con mayores cantidades de energía contenidas en determinadas porciones del mismo. Se adoptó dividir el espectro audible en ocho fajas o bandas que son pasa-baja, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz y pasa-alta, (los valores numéricos corresponden al centro de la banda). Algunos modelos de decibelímetros pueden estar equipados con filtros que solamente dejan pasar determinada banda. Esto auxilia en el mapeamiento de ruido al permitir descubrir en que banda se sitúa la mayor energía. Hay también filtros llamados de 1/3 de octava, en donde cada banda se divide en tres partes iguales. 2. VARIACION TEMPORAL DEL SONIDO Los niveles de ruido varían continuamente. Esta variación puede representarse con la ayuda de un gráfico de porcentaje del tiempo en que el NPS se sitúa en determinados intervalos. Tal gráfico, como el de la figura 4, permite que se determine L x, el NPS que es excedido durante x% de tiempo. Valores de L 10, L 50 y L 90 son interpretados como NPS de pico, mediano y de fondo, respectivamente. De esta manera, L90 es el nivel de presión sonora alcanzado o rebasado durante 90% del tiempo. Otro concepto utilizado es el nivel sonoro equivalente L eq, el NPS constante que tiene la misma energía acústica durante un período igual T. El nivel sonoro equivalente es calculado a través de una fórmula basada en el principio de igual energía: donde t i = intervalo de tiempo para el cual el nivel sonoro permanece dentro de los límites de la clase i (expresado en porcentaje del período de tiempo) L i = nivel de presión sonora correspondiente al punto medio de la clase El Leq corresponde al nivel de energía que tendría un ruido continuo estable de igual duración y puede o no ser ponderado, en este caso se representa por L eq (A). Los decibelímetros modernos efectúan ya la integración y pueden suministrar valores de Leq para diferentes períodos como 1 minuto, 1 hora o 1 día y permiten así un seguimiento continuo de los niveles de ruido. 3. PROPAGACION Y ATENUACION DE ONDAS SONORAS La intensidad sonora disminuye con el cuadrado de la distancia, razón por la cual toda medida de NPS debe venir acompañada de información sobre la distancia hasta la fuente. Sin embargo, la propagación de las ondas sonoras es mucho más compleja de lo que la simple atenuación debido a la distancia. Las condiciones topográficas y atmosféricas afectan bastante la propagación del sonido. Además, el propio aire absorbe parte de la energía, principalmente en altas frecuencias. Delanne (1981) señala una serie de fenómenos perturbadores que alteran la ley de atenuación esférica para distancias superiores a 100 m: - absorción del aire, - efecto de refracción debido a los gradientes de temperatura, - efecto de difusión debido a la turbulencia del aire, - interferencia del suelo, - interferencia de la vegetación, - interferencia de la topografía. De esta manera, a 92 m de una fuente de 110 db(a) este autor relata un estudio de atenuación con la distancia hecho en un lugar a donde el viento medio tiene una velocidad de 4 m/s. A favor del viento el nivel de presión sonora en el punto de referencia es de 84 db(a), mientras que con el viento contrario el NPS es de 90 db(a). Por todas esas razones, cuando se mide el nivel de ruido es aconsejable indicar también

6 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL 299 las condiciones atmosféricas. Se puede estimar de manera simplificada la atenuación debido a la distancia con la siguiente fórmula: L 2 = L 1-20 log (d 2 /d 1 ) donde d 1 = 2 m (ruido en la fuente) L 1 = nivel de ruido en la fuente Además de la atenuación debido a la distancia, la naturaleza del terreno entre la fuente y el receptor puede tener un efecto sobre el NPS medido en el receptor. Una superficie dura y reflejante como concreto o asfalto puede ocasionar un ligero aumento en el NPS, mientras que una superficie rugosa como el césped tiene efecto absorbente y puede reducir el NPS de 1 a 3 db(a) por 30 m (Down y Stocks, 1977). Ya el ruido resultante de diversas fuentes simultáneas puede ser calculado con la siguiente fórmula: donde L i = nivel de ruido de la fuente i 4. SOBREPRESION ATMOSFERICA La sobrepresión atmosférica o soplo de aire es un término que se refiere a la propagación por el aire de ondas de choque provenientes de la detonación de cargas explosivas. El fenómeno es también denominado algunas veces ruido de la detonación, denominación inadecuada porque gran parte de la energía transmitida por las ondas de choque se encuentra en la faja no audible de frecuencia. Las principales causas de la sobrepresión de aire son: (a) la liberación en la atmósfera de gases de explosivos confinados en modo inadecuado, como por ejemplo en la operación de desmonte secundario de bloques demasiado grandes para ser partidos, conocida como fogacho ; en la terminología de lengua inglesa este componente del soplo de aire es denominado Gas Release Pulse - GRP; (b) (c) la liberación en la atmósfera de gases de la detonación a través de la parte superior de la columna de explosivos (Stemming Release Pulse - SRP); la vibración del macizo rocoso (Rock Pressure Pulse - RPP), Linehan y Wiss (1982) encontraron la siguiente relación: RPP = 0,0015 Vp Donde RPP es dado en libras por pie cuadrado y Vp representa la velocidad de partícula del movimiento vibratorio, dada en libras por segundo. El RPP es normalmente el menor componente de la sobrepresión atmosférica y la relación empírica anterior permite prever el mínimo valor esperado. De esta manera, para Vp de 1,0 in/ sec, tendremos RPP de 0,0015 1b/in 2, lo que corresponde a 114 db lineal-pico. (d) desplazamiento de la roca frente a la bancada (Air Pressure Pulse - APP), que debería ser el componente predominante en un desmonte bien proyectado y estará ausente en el caso de confinamiento total de la carga explosiva (detonación subterránea). Tratándose de una onda de choque que se propaga en la atmósfera, el soplo de aire tiene exactamente las mismas características mecánicas del ruido, excepto el espectro de frecuencias. De esta forma, el soplo de aire también puede ser medido en decibeles, o sea, en diferencia de presión atmosférica. No obstante, por ser apenas parcialmente audible no tendría sentido medir la sobrepresión en db(a) o db(c), ya que las curvas de compensación tienen justamente el objetivo de ajustar la medida del aparato a las características del oído humano. De esta manera, la sobrepresión atmosférica es medida en decibeles lineales (dbl o simplemente db), lo que corresponde a la línea horizontal de la figura 3. Los decibelímetros usuales no sirven para medir el soplo de aire porque en general no disponen de respuesta plana. Además, se trata de un fenómeno impulsivo y el aparato debe ser capaz de registrar el evento con duración de milésimos de segundo y registrar el pico alcanzado. Por ello la mayoría de los sismógrafos de ingeniería, usados para medir vibraciones, disponen de un canal y de un micrófono especial para soplo de aire.

7 300 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL Se ha notado que los principales reclamos atribuidos a vibraciones, en verdad resultan de los efectos del soplo de aire. Es él el que hace vibrar los vidrios de una casa, el que hace mucho más perceptible una explosión. Se nota también que muchas veces los reclamos de que la explosión fue más grande se refieren a desmontes secundarios o fogachos, que no pueden producir vibraciones pues la carga de explosivo no está confinada, sino que producen un efecto significativo de soplo de aire. Las técnicas de minimización del soplo de aire tratan de actuar sobre las cuatro causas expuestas anteriormente. La recomendación básica es hacer un desmonte de calidad, donde la mayor parte de la energía sea empleada en el trabajo de fragmentar adecuadamente la roca y arrojar los fragmentos sobre el frente de exposición. Si el fuego no produce muchos bloques de gran tamaño (fragmentos de rocas) la necesidad de desmonte secundario se reducirá respetablemente y, por consiguiente, también el soplo de aire. Como también el desmonte primario produce GRP es importante confinar bien los explosivos en los agujeros. El SRP puede ser reducido cubriéndose el cordel detonante con una capa de polvo de roca o arcilla de 30 a 50 cm o empleando uniones eléctricas entre los agujeros. El RPP y el APP dependen ya directamente de la cantidad de explosivo utilizada y por ende aumenta o disminuye proporcionalmente a la vibración. 5. PATRONES LEGALES DE RUIDO Y SOBREPRESION ATMOSFERICA 5.1. Normas federales Ruido, definido como cualquier sonido indeseable, es también una forma de contaminación, pues se trata de la emisión de energía hacia el medio ambiente. Por ello existe una reglamentación sobre ruido que establece niveles máximos admisibles con miras a la protección de la salud y el bienestar humanos. La primera reglamentación federal brasileña sobre ruido ambiental es el Decreto MINTER Nº 92 del 19 de junio de 1980, según la cual: II - se consideran perjudiciales a la salud, a la seguridad y al descanso públicos (...) los sonidos y ruidos que: a) alcancen, en el ambiente exterior del recinto en que tienen origen, nivel de sonido de más de 10 db(a) por encima del ruido de fondo existente en el lugar, sin tránsito; b) independientemente del ruido de fondo, que alcancen en el ambiente exterior en que tienen origen, más de 70 db(a) durante el día y 60 db(a) durante la noche. Este decreto abarca por ende solamente ruidos en el ambiente externo a cualquier actividad. La reglamentación sobre ruidos en el ambiente de trabajo se hace por norma de reglamentación propia del Ministerio de Trabajo y establece, entre otros, que estará permitido un ruido máximo de 85 db(a) durante una jornada de trabajo de 8 horas, bastante por encima por lo tanto del nivel de ruido permitido para el medio externo. Una fuente importante de ruido son los vehículos automotores, que tampoco son objeto del Decreto citado anteriormente, sino de reglamentación específica del Consejo Nacional de Tránsito (COTRAN). La Resolución CONAMA nº 001/90 adopta los niveles de ruido establecidos por la norma técnica NBR 10151, considerando que ruidos de fuentes industriales, comerciales, sociales o recreativas son considerados perjudiciales para la salud y el descanso público si fueren superiores a los de la norma (cuadro 2). Para el período nocturno el ruido aceptable es de 5 db(a) inferior al aceptable para el período diurno. Cuadro 2 - Niveles máximos de ruido diurno Uso predominante del suelo Zona residencial 45 Zona residencial urbana 55 Nivel máximo [db(a)] Centro de la ciudad (negocios, comercio, etc.) 65 Area predominantemente industrial 70 Fuente: ABNT, NBR 10151

8 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL Normas técnicas Las normas técnicas para ruido externo son en general establecidas internacionalmente. Dos normas de la Asociación Brasileña de Normas Técnicas abordan el problema del ruido. La NBR 10151, titulada Evaluación del ruido en áreas habitadas con miras al confort de la comunidad establece procedimientos para la medición del ruido (las mediciones en los ambientes externos deben ser efectuadas a 1,2 m por encima del suelo y, como mínimo a 1,5 m de las paredes), para la determinación del nivel sonoro en función del tipo de ruido (estacionario, impulsivo, con componentes tonales audibles, intermitentes y ruidos complejos), los niveles aceptables de ruido (cuadro 2) y la estructura del informe de medición y evaluación. La NBR 10152, Niveles de ruido para el confort acústico, establece definiciones y los valores de nivel de presión sonora para una serie de ambientes internos (hospitales, escuelas, hoteles, residencias, auditorios, restaurantes, oficinas, iglesias y lugares para deporte), de modo que las actividades puedan allí ejecutarse en condiciones de confort acústico Sobrepresión atmosférica En Brasil la reglamentación legal sobre soplo de aire se hace a través de la norma técnica NBR 9653, la misma que hace referencia a las vibraciones, y que establece un valor máximo de 134 db lineal-pico (100 Pa). Las normas aplicadas en otros países pueden ser un poco distintas. Por ejemplo, en el estado americano de Illinois, el límite admisible depende de la frecuencia, variando de 134 db (para frecuencias hasta 0,1 Hz) hasta 129 db (para frecuencias hasta 6 Hz). 6. PREVENCION Y CONTROL DE RUIDO EN LA PLANIFICACION Y ADMINISTRACION DE PROYECTOS Al prepararse un nuevo proyecto de explotación de minas, el ruido debe estar incluido entre las variables ambientales a ser estudiadas. De la misma forma, es necesario administrar las actividades de modo a minimizar las emisiones de ruidos. Los cuadros 3 y 4 muestran respectivamente las principales etapas en la conside- Cuadro 3 - El ruido en la planificación de proyectos de explotación minera 1. Relevamiento cartográfico del ruido de fondo en el lugar de la futura mina y en los lugares donde podría producirse molestia. 2. Estimativa del nivel de ruido originado en cada fuente y del nivel compuesto de ruido en el caso más crítico (todos los equipos funcionando simultáneamente). 3. Análisis de las direcciones predominantes de los vientos, topografía, vegetación e identificación de los puntos críticos (por ejemplo, áreas habitadas). 4. Previsión de los niveles de ruido en los límites del área de operación de la empresa y en los puntos críticos. 5. Estudio de los límites legalmente admisibles de nivel de presión sonora y comparación con los valores previstos. 6. Si fuere necesario minimizar el ruido, estudiar posibles medidas mitigadoras y estimar su eficiencia en la reducción de ruido. 7. Seleccionar las medidas de control más adecuadas en función de su eficiencia, costo y de otros posibles impactos ambientales que ellas podrían provocar o contribuir para minimizarlas. 8. Nueva previsión de ruido, evaluación de su importancia y de los impactos que pueden todavía ser ocasionados (falta de confort ambiental). 9. Elaborar un plan de seguimiento (localización de los puntos de medida y frecuencia de las mediciones).

9 302 II CURSO INTERNACIONAL DE ASPECTOS GEOLÓGICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL Cuadro 4 - El ruido en la gestión de proyectos de explotación minera 1. Relevamiento cartográfico del ruido de fondo y seguimiento en los lugares donde hay reclamos o molestia potencial. 2. Comparación con los patrones legales para la evaluación de la importancia de los impactos y del nivel de atenuación requerido. 3. Estudio de las medidas mitigadoras posibles, pudiendo incluir, por un lado, soluciones de ingeniería como la construcción de barreras protectoras o el cambio del trayecto de camiones y, por otro lado, acciones ante la comunidad. 4. Selección de las medidas de control más adecuadas, en función de su eficiencia, costo y de otros posibles impactos ambientales que ellas podrían causar o contribuir para minimizar. 5. Implementación de las medidas. 6. Seguimiento. ración del ruido en un proyecto y en una empresa de explotación minera ya existente. Una alternativa, o mejor, una posible complementación al método expuesto en el cuadro 3, es una simulación de la fuente de ruido esperada instalándose un altoparlante de igual potencia sonora y midiéndose los niveles de presión sonora efectivamente observados en diversos puntos de interés con diferentes condiciones de propagación y atenuación. Con ese método hasta se puede simular el efecto de barreras físicas. Las medidas para minimizar el ruido incluyen dos tipos de estrategias, disminuir el ruido en la fuente y aumentar el efecto de atenuación. La reducción en la fuente es casi siempre la mejor forma de evitarse problemas. Ya el efecto de atenuación, puede ser obtenido o aumentando la distancia o instalando barreras físicas. El aumento de la distancia entre fuente y receptor es difícil para una empresa ya existente, pero puede ser una opción para nuevos proyectos. Las barreras físicas acostumbran a ser la solución más adoptada en esos casos. Los estériles de la mina pueden ser usados para construir barreras que usualmente deberían ser nuevamente cubiertas de vegetación. La propia instalación de barreras vegetales puede también contribuir para aminorar el nivel de ruido, además de ser recomendada para la atenuación de otros efectos resultantes de la explotación minera. En las carreteras urbanas, la instalación de barreras físicas duras de concreto o plástico ha sido cada vez más adoptada. En un nuevo proyecto, la localización y orientación del frente de explotación, de las instalaciones de partido de piedras, de las pilas de almacenamiento y de las vías de transporte debe ser estudiada cuidadosamente. La dirección predominante del viento es factor a ser tomado en cuenta obligatoriamente de modo de disminuir no solamente el ruido sino también problemas de contaminación atmosférica. Zoubof (1981) reporta reducciones de NPS de hasta 15 db(a) para instalaciones de partido de piedras en posición rebajada con relación a la topografía del entorno y de hasta 12 db(a) como efecto reductor promovido por barreras físicas como las construidas con estériles, observando, sin embargo, que este último efecto de atenuación se produce con relación a receptores próximos, siendo muy pequeña la mejoría obtenida para mediciones ejecutadas en receptores distantes. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS DELANNE, Y Impact acoustique d un équipement ou d un aménagement. Problèmes méthodologiques. Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées 112: DOWN, C. G.; STOCKS, J Environmental impact of mining. Applied Science Publishers, London, 371 p. LINEHAN, P.; WISS, J. F Vibration and air blast noise from surface coal mine blasting. Mining Engineering, April, ZOUBOF, V Le bruit des carrières, sa mesure et son impact. Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées 112: