Representación gráfica de la Primera Reflexión en espacios destinados a la palabra.

Transcripción

1 Representación gráfica de la Primera Reflexión en espacios destinados a la palabra. Análisis comparativo de aulas. Autor: Tutor: Ruiz Delgado, Ligia Coch Roura, Helena ACÚSTICA DE AULAS Trabajo final Máster Máster AEM 13_14 Universidad Politécnica de Cataluña UPC

2 Deseo expresar mis agradecimientos a mi familia por su confianza y apoyo constante durante toda esta etapa. Quisiera agradecer también a la Arquitecta Amaya Caballero y al profesor Jaume Roset por su constante asesoría científica.

3 Resumen El presente trabajo pretende demostrar la importancia de las primeras reflexiones, mediante su representación gráfica, en el comportamiento acústico de espacios destinados a la palabra (aulas, salas de conferencia, teatros). En los espacios destinados a la audición de la voz, el principal objetivo es lograr que la inteligibilidad de la palabra, o grado de compresión del mensaje oral, sea óptima en todos sus puntos. Dicha inteligibilidad de la palabra dependerá del sonido directo y de todas aquellas reflexiones que lleguen inmediatamente después de éste, cuyo nivel energético sea lo suficientemente alto para que sumado al sonido directo contribuyan a un incremento del nivel sonoro en aquellas zonas de la audiencia que más lo necesitan, lo cual se refleja en la mejora de la inteligibilidad de la palabra. A aquellas reflexiones se les conoce como primeras reflexiones o reflexiones tempranas. Éstas a su vez depende de la forma de la sala, orientación y acabado superficial de las superficies de contorno y de la utilidad de las mismas para dirigir las primeras reflexiones hacia las zonas de la audiencia a las cuales el sonido directo que llega sea débil. Para ello se pretende representar de forma gráfica los aspectos relacionados directamente con el diseño acústico de aulas, mediante un análisis comparativo que permita mostrar el aporte energético de las primeras reflexiones en el comportamiento acústico de cada aula. Palabras claves Acústica, primeras reflexiones, inteligibilidad, acondicionamiento acústico, superficies de contorno, sonoridad, aporte energético y comportamiento acústico.

4 Índice INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVOS CAPÍTULO I PSICOACÚSTICA 1.1 Preámbulo 1.2 Umbrales auditivos 1.3 Nivel de sonoridad Curvas de ponderación 1.4 Tono 1.5 Timbre 1.6 Enmascaramiento I II II CAPÍTULO II ACÚSTICA ARQUITECTÓNICA 2.1 Preámbulo 2.2 Espacios destinados a la palabra Aulas Evolución histórica de la acústica de aulas 2.3 Elementos de la comunicación Emisor Canal de Transmisión Receptor CAPÍTULO III ACÚSTICA ESTADÍSTICA 3.1 Preámbulo 3.2 Eco 3.3 Campo directo y campo reverberado 3.4 Parámetros básicos Nivel de ruido de fondo Tiempo de reverberación Inteligibilidad de la palabra Resumen de valores recomendados

5 CAPÍTULO IV ACÚSTICA GEOMÉTRICA 4.1 Preámbulo Reflexión especular Reflexión difusa Primeras Reflexiones Forma Volumen CAPÍTULO V ANÁLISIS COMPARATIVO 5.1 Preámbulo 5.2 Datos generales 5.3 Área y superficie 5.4 Uso 5.5 Ocupación 5.6 Usuario 5.7 Materiales Coeficiente de absorción acústica Ubicación de los materiales en el interior del aula Relación de la primera reflexión y los materiales 5.8 Fuentes de ruido 5.9 Nivel de ruido de fondo 5.10 Tiempo de reverberación 5.11 Inteligibilidad de la palabra 5.12 Conclusiones Acústica estadística 5.13 Análisis de las primeras reflexiones Análisis de puntos aula CB Análisis de puntos aula tipo 5.14 Conclusiones Acústica geométrica CONCLUSIONES GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA 97 III V

6 Índice de figuras CAPÍTULO I PSICOACÚSTICA 1.1 Corte transversal del oído derecho 1.2 Umbrales de audición y molestia 1.3 Curvas de ponderación de los sonómetros 1.4 Dos ondas acústicas de igual tono pero diferente timbre CAPÍTULO II ACÚSTICA ARQUITECTÓNICA 2.1 Inteligibilidad según la intensidad de escucha 2.2 Superficies especulares próximas al escenario 2.3 Evolución temporal de la energía sonora correspondiente a la emisión de una vocal seguida de una consonante en un recinto cerrado. 2.4 Diagrama de direccionalidad de la palabra hablada 2.5 Elementos de la comunicación CAPÍTULO III ACÚSTICA ESTADÍSTICA 3.1 Superposición de sonidos con diferente retardos e impresión subjetiva asociada 3.2 Distancia crítica de acuerdo a la absorción de la sala 3.3 Curvas NC «Noise Criteria» 3.4 Valores recomendados de TR mid para aulas / salas de conferencia, en función del volumen del recinto CAPÍTULO IV ACÚSTICA GEOMÉTRICA 4.1 Reflexión especular 4.2 Reflexión difusa 4.3 Recorrido de un rayo sonoro en una sala rectangular 4.4 Ecograma asociado a un receptor con indicación del sonido directo, primeras reflexiones y la cola reverberante 4.5 Ejemplo de llegada del sonido directo y de las primeras reflexiones a un receptor

7 4.6 Primeras reflexiones de las paredes laterales de una sala 4.7 Primeras reflexiones de la pared frontal y pared de fondo 4.8 Primeras reflexiones de las superficies del techo y suelo 4.9 Reflexiones sobre una superficie curva 4.10 Reflexiones sobre una elipse y focalizaciones 4.11 Reflexiones sobre una parábola y focalizaciones CAPÍTULO V ANÁLISIS COMPARATIVO 5.1 Ubicación del aula CB -2 en la ETSAB 5.2 Medidas y área del aula CB Medidas y área del aula tipo 5.4 Secuencia de ocupación del aula CB Altura de la fuente y de los receptores 5.6 Porcentaje de materiales absorbentes y reflectantes aula CB Ubicación de materiales en planta y en sección del aula CB Porcentaje de materiales absorbentes y reflectantes del aula tipo 5.9 Ubicación de los materiales en planta y en sección del aula tipo 5.10 Aporte energético en db en función de los materiales de las superficies del techo y suelo del aula CB Aporte energético en db en función de los materiales de la pared frontal en planta y en sección del aula CB Aporte energético en db en función de los materiales de la pared de fondo en planta y en sección del aula CB Aporte energético en db en función de los materiales de la pared lateral del aula CB Aporte energético en db en función de los materiales de las superficies del techo y suelo del aula tipo 5.15 Aporte energético en db en función de los materiales de la pared frontal en planta y en sección del aula tipo 5.16 Aporte energético en db en función de los materiales de la pared de fondo en planta y en sección del aula tipo 5.17 Aporte energético en db en función de los materiales de la pared lateral del aula tipo

8 5.18 Mapa de localización de fuentes de ruido en planta y en sección del aula CB Mapa de localización de fuentes de ruido en planta y en sección del aula tipo 5.20 Mapa que muestra los puntos de medición en el aula CB Valores medidos de ruido de fondo en el aula CB Gráfico que muestra la curva NC a la que pertenecen los datos medido de nivel de ruido de fondo en el aula CB Gráfico de valores calculados de tiempo de reverberación del aula CB 2 en función de la frecuencia 5.24 Gráfico que muestra el tiempo de reverberación recomendado en función del volumen (aula CB - 2) 5.25 Gráfico de valores calculados de tiempo de reverberación del aula tipo en función de la frecuencia 5.26 Identificación de la distancia crítica mediante comparación de mapas de sonido directo y de sonido total del aula CB Selección de puntos de análisis de acuerdo a los valores obtenido de D c y r para el aula CB Gráfico que permite obtener los valores de STI / RASTI solo con los valores de % ALCons 5.29 Identificación de la distancia crítica mediante comparación de mapas de sonido directo y de sonido total del aula tipo 5.30 Selección de puntos de análisis de acuerdo a los valores obtenido de D c y r para el aula tipo 5.31 Mapa que muestra el sonido directo que llega a cada uno de los puntos de análisis del aula CB Mapa que muestra solo el aporte energético de las primeras reflexiones en cada uno de los puntos del aula CB Mapa que muestra la energía total (sonido directo + primeras reflexiones) que llega acadaunodelospuntosde análisis del aula CB Diagrama polar del punto 1 (planta y sección) aula CB Diagrama polar del punto 2 (planta y sección) aula CB

9 5.36 Mapa que muestra el sonido directo que llega a cada uno de los puntos de análisis del aula tipo 5.37 Mapa que muestra solo el aporte energético de las primeras reflexiones en cada uno de los puntos del aula tipo 5.38 Mapa que muestra la energía total (sonido directo + primeras reflexiones) que llega acadaunodelospuntosde análisis del aula tipo 5.39 Diagrama polar del punto 1 (planta y sección) aula tipo 5.40 Diagrama polar del punto 2 (planta y sección) aula tipo Índice de tablas CAPÍTULO III ACÚSTICA ESTADÍSTICA Tabla Tabla Tabla 3.1 Curvas NC recomendadas y niveles de ruido de fondo equivalentes (en dba) 3.2 Márgenes de valores de TR mid en función del tipo de sala (recintos ocupados) 3.3 Valores recomendados para aulas y salas de conferencias CAPÍTULO V Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla ANÁLISIS COMPARATIVO 3.1 Superficie total de todas las superficies interiores del aula CB Superficie total de todas las superficies interiores del aula CB Promedio de horas diarias que permanece ocupada el aula CB Indica el volumen de aire por persona de acuerdo a su ocupación 5.5 Coeficientes de absorción acústica de cada uno de los materiales indicados 5.6 Ponderación del filtro A en db en función de la frecuencia 5.7 Curvas NC recomendadas de acuerdo al tipo de recinto y su equivalencia en db (A)

10 Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla 5.8 Cuadro de cálculo de tiempo de reverberación del aula CB Cuadro de cálculo de tiempo de reverberación del aula tipo 5.10 Valores recomendados de % ALCons y STI / RASTI y su valoración subjetiva 5.11 Cuadro resumen de valores calculados 5.12 Valores obtenidos de la representación gráfica de la primera reflexión

11 Introducción Aunque el diseño de espacios para el habla se viene realizando desde hace varios años atrás, es en los últimos 30 años en los cuales se ha realizado estudios sobre la Acústica Arquitectónica, intentando dar criterios de diseño para este tipo de espacios. El objetivo acústico fundamental que se pretende conseguir cuando se diseña un espacio para el habla es que la inteligibilidad de la palabra, o grado de comprensión del mensaje oral, sea óptima en todos sus puntos. Para lo cual se ha organizado el trabajo de forma tal que se puedan definir todos los conceptos necesarios relacionados con el tema. El trabajo se divide en dos partes; teoría y práctica. En la parte teórica se explica detenidamente el funcionamiento de nuestro sistema auditivo. Se definen también parámetros acústicos necesarios para entender el comportamiento acústico de espacios destinados a la palabra, y que servirán de referencia para la segunda parte. En la parte práctica se realizará un análisis comparativo de dos aulas, con geometrías distintas, para dicho análisis se utilizo el programa Radit2D como herramienta para la obtención de diagramas y mapas acústicos que se muestran en dicho capítulo. Por esta razón, a pesar de que, los conceptos acústicos relacionados con espacios para el habla están muy bien estudiados desde el punto de vista teórico y estadístico, es necesario también realizar una evaluación desde el punto de vista geométrico y su relación con las primeras reflexiones, para lograr entender el comportamiento acústico de dicho recinto. I

12 Planteamiento del problema En la actualidad siguen apareciendo casos como el profesor, orador o actor que se ven obligados a elevar el tono de su voz para que las personas ubicadas en los asientos más alejados logren escucharlos, esto ocurre en aulas, salas de conferencias o teatros de ópera, como respuesta a la falta de condiciones acústicas óptimas en dichos recintos El comportamiento acústico de un recinto depende de dos estudios: el estudio de la acústica estadística y el de la acústica geométrica. Es este último el que contribuye a mejorar el nivel sonoro dentro de un recinto. Cuando el sonido emitido es un mensaje oral, las primeras reflexiones contribuyen a mejorar la inteligibilidad o comprensión del mensaje y, al mismo tiempo, producen un aumento de sonoridad (o sensación de amplitud del sonido). El presente trabajo pretende estudiar las primeras reflexiones, mediante su representación gráfica y su contribución dentro del comportamiento acústico de un recinto. Se utilizarán como casos de estudio dos aulas de características y comportamientos acústicos similares. Por un lado, al ser estas consideradas como espacios destinados a la palabra, se recurrirá a la acústica estadística como herramienta, en la cual se consideran fórmulas y métodos para el cálculo de la inteligibilidad de la palabra, con el fin de entender dicho comportamiento. Objetivos Analizar la importancia de la representación gráfica de la Primera Reflexión para entender el comportamiento acústico de espacios destinados a la palabra «el aula». Determinar la contribución de la Primera Reflexión en espacios destinados a la palabra mediante el análisis comparativo de dos aulas de características y comportamientos acústicos similares. II

13 Psicoacústica CAPÍTULO I

14 Capítulo I. Psicoacústica 1.1. Preámbulo El órgano que representa el mecanismo auditivo humano es el oído, considerado el más complicado y eficiente de los receptores. Este a su vez se compone de tres partes: El oído externo, el cual consta del pabellón y el canal auditivo, debido a su forma y dimensiones posee una resonancia cuya frecuencia está en las proximidades de los 3000Hz, esta resonancia incide en la respuesta del oído. Así, las ondas sonoras que recoge el pabellón son conducidas por el canal auditivo hasta llegar al tímpano. El oído medio, conformado por el tímpano, los huesecillos y la trompa de Eustaquio, recibe las ondas sonoras en forma de vibraciones. Los huesecillos (martillo, yunque y estribo) conducen hacia el oído interno las vibraciones sonoras que llegaron al tímpano. El oído interno, constituido por el laberinto, cavidad ósea que contiene a los canales semicirculares, el vestíbulo, y el caracol, transforma los impulsos mecánicos en excitaciones nerviosas que llegan al cerebro a través de las neuronas, el cual reconoce la información recibida en función de las referencias previas del sistema de memorias. 1.1 Corte transversal del oído derecho. El oído transforma la onda acústica en sensación de sonido. Para ello es necesario que la frecuencia de estas variaciones de presión (onda acústica) esté comprendida en una determinada banda y que la amplitud de onda sea superior a un determinado valor para cada frecuencia. Por tanto, en la audición de sonidos va a influir, tanto la amplitud como la frecuencia con que se producen. 3

15 Representación gráfica de la Primera Reflexión 1.2. Umbrales Auditivos El oído humano, al igual que todo receptor sonoro, depende de la frecuencia y de unos límites superiores e inferiores que limitan su ancho de banda de trabajo. El umbral de audición es el nivel de presión mínima capaz de provocar una sensación auditiva. Dicho umbral varía con la frecuencia y con el individuo. El oído humano es más sensible a frecuencias altas comprendidas entre 2000 Hz y 5000 Hz. No obstante, dicha sensibilidad se pierde conforme se incrementa la edad de la persona. Tomando de referencia la frecuencia de 1000 Hz, el umbral de audición asciende de forma regular con el decrecimiento de la frecuencia, esto para frecuencias inferiores a 1000 Hz y, para frecuencias superiores a 5000 Hz el crecimiento del umbral es mucho más brusco. La zona de máxima sensibilidad se encuentra próxima a los 3000 Hz. db Umbral de molestia MÚSICA PALABRA Umbral de audición Hz 1.2 Umbrales de audición y molestia [14]. El umbral de molestia, se encuentra próximo a los 120 db, este se da cuando las presiones sonoras crecen, en consecuencia también crece la sonoridad hasta producir una sensación de molestia. Dicho umbral es prácticamente independiente de la frecuencia aunque varía según personas. Cabe indicar, que cuando se llega a 140 db se produce sensación de dolor pudiendo ocasionar daño permanente en la audición si la exposición es prolongada. Sin embargo, los daños son inmediatos y permanentes cuando se alcanzan los 160 db. Enlafigura 1.2 se representan los umbrales de audición y molestia, así como la zona del espectro donde se producen la mayoría de los sonidos musicales y hablados. 4

16 Capítulo I. Psicoacústica 1.3. Nivel de Sonoridad La sonoridad S (Speech sound level) o sensación de intensidad, es propia de la presión acústica, cuanto más alta es la presión, más intenso parece el sonido, por lo cual, es indicativa del grado de amplificación que produce un recinto sobre un mensaje oral emitido. Pese a ello, no depende sólo de su intensidad, sino también de su frecuencia Curvas de Ponderación Existen aparatos que miden con gran precisión niveles de presión acústica, pero sólo con alguna aproximación de sonoridad, dichos aparatos deben tener una variación de sensibilidad en función de la frecuencia similar a la del oído humano. Los sonómetros tienen unos filtros de ponderación para acomodarse a la sensibilidad del oído, donde el filtro A es para sonidos débiles, el B para sonidos medios y el C para sonidos intensos, aunque realmente el único que se utiliza es el filtro A por ser este el complementario del umbral de audición. El db (A) es la unidad con la que se expresa un nivel de presión acústica cuando se ha sometido a la ponderación del filtro (A) de los sonómetros. db 10 0 C B A Hz 1.3 Curvas de ponderación de los sonómetros. 5

17 Representación gráfica de la Primera Reflexión 1.4. Tono El tono es la sensación auditiva que caracteriza a los sonidos como más graves o más agudos en función de su frecuencia. No obstante, el tono no sólo depende de la frecuencia sino también, aunque en menor medida, de la presión. Nuestro oído asigna a un sonido una única altura. Así, los sonidos de frecuencia más alta se perciben como más agudos, y los de frecuencias más baja, como más graves. Por ejemplo, cada vez que se sube un sonido de 100 Hz a 200 Hz, el tono que se percibe es una octava más agudo. El oído humano puede percibir sonidos que este comprendidos entre las frecuencias de 20 Hz y Hz en edades comprendidas entre 18 y 25 años, este margen varia de acuerdo a la edad. Se descompone en tres gamas: 20 3º60 Hz Frecuencias graves o bajas Hz Frecuencias medias Hz Frecuencias agudas o altas 1.5. Timbre El timbre de un sonido es la característica subjetiva que permite distinguir entre dos sonidos de igual tono, frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes. Depende de gran manera de la envolvente (materiales, tamaño, forma y diseño) y de la frecuencia, y varía de acuerdo al tiempo. El timbre de un sonido está en función de la forma de la onda. A cada forma de onda le corresponde un timbre distinto. Cada forma de onda tienen su origen en la mezcla de armónicos, los que a su vez se deben a la vibración fraccionada de los cuerpos. 1.4 Dos ondas acústicas de igual tono pero diferente timbre. 6

18 Capítulo I. Psicoacústica 1.6. Enmascaramiento Se habla de enmascaramiento cuando un sonido impide la percepción de otro, es decir, lo enmascara. Un tono enmascara señales de frecuencias superiores a las de él, pero no inferiores. Así, un sonido intenso y grave puede enmascarar un sonido débil y agudo, pero lo contrario no sucede. Cuando se oyen simultáneamente dos tonos puros, el menos intenso puede resultar inaudible aunque su nivel de intensidad esté por encima del umbral de audición. El efecto de enmascaramiento es más notorio en frecuencias cercanas al sonido enmascarador. Dicho sonido aumenta nuestro umbral de audición, es decir incrementa la intensidad que tiene que tener el sonido para que lo podamos oír. El fenómeno del enmascaramiento puede ser en algunas ocasiones beneficioso y en otras perjudicial. 7

19 CAPÍTULO II Acústica Arquitectónica

20 Capítulo II. Acústica Arquitectónica 2.1. Preámbulo Un buen planteamiento acústico lleva consigo toda una serie de factores que afectan al aislamiento, generación, transmisión, absorción, reflexión, difusión y finalmente a la escucha del sonido. Al hablar de acústica arquitectónica se hace referencia al acondicionamiento acústico, cuyo objetivo es proporcionar la máxima calidad acústica posible al mensaje sonoro emitido en una sala. Dicha calidad dependerá de ciertos parámetros según sea el tipo de mensaje sonoro, ya sea para la música o para la palabra. Sea el caso de estudio, espacios destinados a la palabra, es imprescindible que el mensaje sonoro sea lo suficientemente claro y tenga la intensidad necesaria para asegurar una correcta compresión del mismo Espacios destinados a la palabra Las salas de conferencias, aulas, teatros y templos son los principales locales destinados a la audición de la voz, donde evidentemente el mensaje hablado es la herramienta principal, se debe conseguir que las condiciones arquitectónicas sean tales que: Protejan de los ruidos intrusivos. Amplifiquen y distribuyan equilibradamente la energía sonora del mensaje sonoro emitido, con el uso adecuado de las reflexiones, sin dejar que estas interfieran en el mensaje original. En pocas palabra, que se creen lugares que inviten y favorezcan la conversación. La obtención de una correcta inteligibilidad de la palabra será imprescindible para la comprensión del mensaje oral en los espacios destinados a la palabra (aulas, salas de conferencias, teatros, etc.). Las frecuencias primordiales para la inteligibilidad están comprendidas entre los 500 a 3000 Hz. En este caso interesa principalmente la audición de los agudos por su mayor direccionalidad. Por otra parte la inteligibilidad de la palabra depende de la intensidad con que se escuchen, por lo cual las superficies deben estar orientadas a contribuir en el aporte energético en los lugares mas desfavorecidos, por ello, será válido y adecuado el estudio acústico geométrico por rayos. 11

21 Representación gráfica de la Primera Reflexión 2.1 Inteligibilidad según la intensidad de escucha [20]. El volumen por plaza de esta clase de locales ha de ser más bien reducido, para que la disipación de la energía sonora sea mínima. En el caso de las salas de conferencias y teatros debe ser de 3,50 a 4 m 3. Y el nivel de ruido de fondo debe ser inferior a 40 db. Por cuestiones acústicas, la movilidad en la situación de las fuentes es de gran importancia, sea el caso de las salas de conferencias, donde el orador permanece fijo en un lugar determinado, como en el teatro, donde los actores se mueven constantemente. Por ello, la escena, tarima, o simplemente el lugar donde se ubique la fuente sonora merece un tratamiento especial, por ser el lugar de emisión de la voz. Lo cual supone la utilización de superficies reflectantes, indispensables además para el adecuado refuerzo del sonido por reflexión. En cuanto a los materiales, no debe haber una excesiva absorción de los agudos. El teatro difiere de los demás espacios destinados a la palabra por el aspecto artístico que entraña. Por lo cual, el contacto directo y personal del actor con los espectadores es importante en este caso. Telón Las superficies laterales cercanas al escenario serán también superficies especulares convenientemente dirigidas. El tornavoz es el elemento más eficaz utilizado para dirigir las reflexiones al público, esta superficies también será reflectante. Resalto Tornavoz Telón de fondo 2.2 Superficies especulares próximas al escenario [20]. 12

22 Capítulo II. Acústica Arquitectónica Aulas Son espacios destinados a la enseñanza, deben estar diseñados para permitir un correcto aprendizaje de las diferentes enseñanzas que se impartan en el mismo, bien sean de enseñanza primaria, media o universitaria. En todos los casos, debe crearse un ambiente de confort, que facilite la labor docente, teniendo en cuenta el elevado número de horas que los alumnos permanecen en estos locales. El diseño de un recinto y edificación, sea cualquiera el caso, esta condicionado al uso principal del mismo, dejando como secundario otros aspectos del edificio. Por lo cual, si se diseña un centro escolar, donde la labor del docente se apoya en la transmisión de mensajes verbales, es necesario que esta función se pueda realizar de forma óptima. La transmisión de estos mensajes se dan de forma verbal ya sea de alumno profesor ó alumno alumno. Por ello, si este mensaje sufre distorsiones en su canalización, el receptor no podría interpretarlo correctamente, y así se perdería la razón de ser del aula, como lugar propicio para la comunicación y como canal de transmisión. El aislamiento acústico en un aula evitará que los ruidos provenientes del exterior no interfieran en la comprensión del mensaje en el interior del aula, corriendo el riesgo de enmascaramiento. Y su acondicionamiento acústico, permite por un lado, controlar el tiempo de reverberación para lograr una máxima inteligibilidad de la palabra, y por otro, analizar la forma de las aulas para una mejor uniformidad en la recepción del mensaje, especialmente en aulas que superan los 500 m Evolución histórica de la acústica de Aulas La escuela occidental en los siglos XIX y XX Aproximadamente en el siglo XIX surge el nacimiento de la escuela como edificio, sin embargo, estas eran más o menos una adaptación de otras formas de arquitectura y se dejaba de lado las necesidades de enseñanza. Tras la propugnación de la instrucción popular, florecen las iniciativas disciplinares y se da la construcción de nuevas escuelas, sobre todo en las ciudades pre-industriales, en los cuales se había incrementado la inmigración. 13

23 Representación gráfica de la Primera Reflexión Dichas escuelas en sus inicios constaban de una gran sala, donde se ubicaban los alumnos sin distinción de sexo ni edad, y la instrucción era impartida por un maestro y algún ayudante, cuando el grupo era numeroso. Tiempo después se fueron añadiendo nuevas salas, debido al incremento de alumnado, estas salas eran de menor tamaño (aulas), ubicadas alrededor del espacio central original y separadas de este mediante cortinas o puertas correderas. Los arquitectos de aquella época, se limitaban a enfatizar la forma y el estilo, y no prestaban atención al aspecto funcional. Esto debido a una falta de definición clara de lo que debía ser una escuela, de conceptos pedagógicos y urbanísticos. A mediados del siglo XIX, Louis Sullivan, enuncia un principio fundamental de la arquitectura moderna: form follows function. Esta renovación de ideas en la arquitectura norteamericana da inició a la construcción de escuelas que ya no parecen palacios junto a su planificación por barrios, separación por grados y un sector administrativo para dicha escuela. Sin embargo, la aparición de un edificio escuela diseñado como tal en Europa, no se dará hasta 1925 aproximadamente. En las grandes ciudades americanas e inglesas, la planificación escolar fracaso, debido al crecimiento desenfrenado y caótico de las mismas. En algunas ocasiones por verse rodeadas de edificios y calles ruidosas, y en otras por condiciones higiénicas y lumínicas. Es en el caso de los alemanes, quienes desde su punto de vista más racional y ordenada le dan un nuevo enfoque al concepto de escuela, espacio y alumnado. A partir de entonces empieza a surgir la necesidad de organización de orden interno, lo cual significa la separación de sexos, el número de alumnos por superficie construida, el volumen de aire por alumno, temas de iluminación, etc. La arquitectura escolar evoluciona a la par de los avances urbanísticos de cada país y de su estabilidad política. El siglo XIX es un siglo de transición. Se pasa de una organización entorno a una gran sala central (hall), a una distribución con una sola fila de aulas. Poco a poco, el avance tecnológico da lugar a intercambios culturales más frecuentes y surge la necesidad de disponer de «mano de obra» intelectual por parte de la cultura de Occidente, debido a la industrialización. 14

24 Capítulo II. Acústica Arquitectónica A principios del siglo XX la arquitectura escolar atraviesa por un momento crítico en el cual los arquitectos no pueden solucionar las necesidades de las escuelas y su entorno, puesto que en muchos lugares la definición de escuela aun no se encuentra bien definido. Sin embargo, por otro lado surge la filosofía pedagógica de Maria Montessori, donde se recuerda el papel del maestro como educador. Esta tuvo gran influencia en los preceptos pedagógicos de esa época. Uno de los constantes problemas fundamentales era la falta de zonas exteriores (espacio natural, parques, jardines, etc.) dentro de la ciudad, con el fin de que las escuelas tengan contacto con este, a esto se le denominaba escuelas abiertas. Tras la primera guerra mundial, en Alemania surgen movimientos reformadores en la arquitectura de escuelas, tales como Schulhaus («casa escuela») o la Hallenschule, en la cual la escuela se organizaba entorno a un gran vestíbulo o aula magna con función pedagógica. Todo esto representa en Europa la piedra clave para interpretar la escuela actual. En la década de los 40, a excepción de España, se produce en el mundo occidental una arquitectura igualitaria, mucho más humana y que logra la inserción de la escuela dentro de la trama urbana, volviéndose zonas culturales y sociales, signos de progreso. La escuela en España En cuanto a España, es en el gobierno de Primo de Rivera donde la construcción escolar recibe un gran impulso y tuvo su punto álgido durante la II República en cuanto a la idea de educación popular (escuela pública). Se considera la época dorada, tanto por la calidad de los edificios como por el número de escuelas que se construyeron en todo el territorio español. Después de una serie de feroces luchas generacionales, donde los vanguardistas no pudieron demostrar sus postulados. En el gobierno de Franco se implanta la nueva escuela nacional por antonomasia: católica, humana, patriótica y religiosa. La Iglesia y las órdenes religiosas retoman el protagonismo y responsabilidad de la escuela y aparecen otro tipo de escuelas denominadas Patronatos y academias. 15

25 Representación gráfica de la Primera Reflexión Tras su promulgación de la Ley General de Educación y de la Reforma Educativa de Villar Palasí, aparecen conceptos arquitectónicos aplicables tanto para el caso de la Enseñanza General Básica, como para el Bachillerato Unificado y Polivalente. Sin embargo se continuó impartiendo enseñanza graduada en edificaciones que no estaban pensadas para ello por insuficiente financiación y falta de voluntad política, lo cual agravó el problema. En 1990 se pública la nueva Ley Orgánica de Ordenación General del Sistema Educativo, se construyen gran número de escuelas y se logra la escolarización total de la población española. De esta forma España intenta estar dentro de Europa para beneficiarse de las ayudas que se prevén por el «Programa sobre las construcciones escolares» de la OCDE. Se inicia una seria de cambios de política educativa y se organizan foros de discusión sobre temas educativos, lo cual resulta altamente beneficioso para el desarrollo de un nuevo modelo de escuela Elementos de la Comunicación El mensaje sonoro se transmite a través de una cadena de comunicación, compuesta por tres grandes elementos básicos: emisor, canal de transmisión y receptor. Por tanto, todo lugar destinado a la emisión y audición de dichos mensajes sonoros llevarán implícita la existencia de esta cadena Emisor El emisor estará constituido por la fuente sonora junto con los sonidos que emite. Es el encargado de codificar el mensaje y transmitirlo por medio de un canal de transmisión hasta el receptor, perceptor y/u observador. La palabra hablada consiste en una sucesión de sonidos que varía constantemente en intensidad y frecuencia. En las altas frecuencias es donde se desarrollan la mayoría de las consonantes, sonidos de corta duración y poca energía que proporcionan más información que las vocales a la hora de entender un mensaje hablado. Es por ello, que la comprensión de las consonantes es fundamental para la inteligibilidad de la palabra, de ahí que sea más importante la preservación de las altas frecuencias para la comprensión de mensajes hablados, que las bajas frecuencias. 16

26 Capítulo II. Acústica Arquitectónica Energía sonora Tiempo (S) 2.3 Evolución temporal de la energía sonora correspondiente a la emisión de una vocal seguida de una consonante en un recinto cerrado [7]. La energía del habla no se irradia uniformemente alrededor del orador, debido a la sombra acústica que produce la cabeza y cuerpo del mismo. Es el caso de las altas frecuencias, las cuales se irradian en un estrecho ángulo sólido frente al orador, a diferencia de las frecuencias bajas que son las que se irradian más uniformemente. De ahí que, un oyente situado al lado o detrás del orador tenga mayor dificultad en entender el sonido hablado, ya que faltan gran parte de las componentes de alta frecuencia del habla emitida. 270 º Sección horizontal Sección vertical 2.4 Diagrama de direccionalidad de la palabra hablada [14]. Se consideran niveles medios de presión acústica a 1 m de los labios en el caso de hombres de 64 db y en mujeres de 60 db. 17

27 Representación gráfica de la Primera Reflexión Canal de Transmisión El canal de transmisión está constituido por la sala, con sus características geométricas y físicas y las diversas vías de propagación del sonido emitido en ella. La energía que emite la fuente sonora en un recinto cerrado, se propaga en todas direcciones en forma de ondas esféricas, su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia recorrida (divergencia esférica). Sin embargo, cuando la onda llega a una de las superficies que componen dicho recinto se interrumpe, debido a que parte de la energía se transmite al cerramiento y parte se refleja. Así también, cuando dicha energía llega al oyente ubicado en un punto cualquiera del mismo de dos formas diferentes: una partedelaenergíallegadeformadirecta(sonido directo), mientras que la otra parte lo hace de forma indirecta (sonido reflejado). Evidentemente, mientras, cuanto mayor sea la distancia recorrida y más absorbentes sean los materiales empleados, menor será la energía asociada tanto al sonido directo como a las sucesivas reflexiones. Sonido Directo En un punto cualquiera del recinto, la energía correspondiente al sonido directo depende exclusivamente de la distancia a la fuente sonora. Este sonido llevará una atenuación debida a la divergencia esférica y a la absorción del aire. El aire absorbe más las altas frecuencias. Sonido Reflejado Los sonidos reflejados inciden sobre el receptor después de la llegada del sonido directo. Su atenuación se deberá a tres causas: Las dos primeras serán las mismas que afectan al sonido directo (la divergencia esférica y la absorción del aire), y la tercera se deberá a la absorción de los materiales que constituyen el acabado superficial de los cerramientos y a la frecuencia. Al analizar la evolución temporal del sonido reflejado en un punto cualquiera del recinto, se observa que la energía sonora disminuye poco a poco hasta que desaparece, después de un gran número de reflexiones. Distinguiendo dos zonas: la primera está compuesta por todas aquellas reflexiones que llegan inmediatamente después del sonido directo, recibiendo el nombre de primeras reflexiones o reflexiones tempranas, y la segunda zona formada por reflexiones tardías que constituyen las denominada cola reverberante. 18

28 Capítulo II. Acústica Arquitectónica El estudio de la cola reverberante se efectúa siempre mediante criterios basados en la denominada acústica estadística, a diferencia de las primeras reflexiones que se estudian basadas en la acústica geométrica Receptor El receptor está constituido por los oyentes, quienes son los que califican la calidad acústica de un local. Este juicio, depende del tipo de mensaje emitido según el uso de la sala. Existen algunos factores que condicionan la respuesta del receptor frente a la percepción de mensajes sonoros, estos dependerán del tipo de información de cada mensaje, sea el caso de la información semántica la cual es propia del mensaje oral, o de la información estética, propia del mensaje musical. Para la calificación de la percepción de mensajes orales, se considera criterio básico la inteligibilidad, es decir, dicho mensaje debe tener la intensidad suficiente para emerger del ruido de fondo y a la vez conseguir el equilibrio necesario entre la pérdida de claridad, debido al excesivo sonido reflejado y la pérdida de intensidad, debida a la excesiva absorción por parte de la sala. En los recintos dedicados a la audición de la palabra es importante que el espectro del sonido recibido sea lo más similar posible al espectro del sonido emitido. De ahí la importancias del sonido directo y las primeras reflexiones. Emisor Receptor Canal de Transmisión Sonido directo Primeras reflexiones 2.5 Elementos de la comunicación. 19

29 Acústica Estadística CAPÍTULO III

30 Capítulo III. Acústica Estadística 3.1. Preámbulo Cuando una fuente sonora comienza a emitir, la energía se propaga libremente por todo el recinto. Después de un cierto tiempo, llega el sonido reflejado por las superficies de contorno, superponiéndose al sonido directo. Este proceso se va repitiendo, y a la vez el nivel sonoro en dicho recinto se va incrementando indefinidamente si no fuera por la absorción de energía acústica por parte de los materiales que recubren dichas superficies de contorno. Sin embargo, existen casos en los cuales cuando la fuente sonora deja de emitir, el sonido reflejado no desaparece inmediatamente, a este fenómeno se le denomina Reverberación. Esta persistencia de sonido es a veces beneficiosa, pues puede reforzarlo y prolongarlo (como es el caso de los sonidos musicales), pero en otras ocasiones puede ser perjudicial al enmascarar unos sonidos con otros (pérdida de inteligibilidad en los sonidos hablados). Por tanto, la reverberación tendrá gran importancia en el comportamiento acústico de recintos cerrados destinados a la música o a la palabra. Las leyes de reverberación según la acústica estadística, solo pueden formularse en el estudio de salas que posean una distribución de energía sonora uniforme (campo difuso). Entonces, se cumple que a mayor difusión le corresponde mayor reverberación, y viceversa. No obstante, esto dependerá de la absorción de los materiales, puesto que, cuanto más difusamente se refleje el sonido y cuanto menor sea la absorción, mayor será la difusión obtenida. Sin embargo, la mayoría de salas no cumplen esta condición, debido a la falta de uniformidad en la distribución de la energía sonora, así como de irregularidades en el campo sonoro Eco Como se explicó en el primer capítulo de Psicoacústica, el sistema auditivo humano tiene un tiempo de respuesta de unos 50 ms. Es decir cuando las reflexiones llegan al oyente con un desfase temporal inferior a 50 ms, éstas juntamente con el sonido directo, contribuyen con el aumento de sonoridad en dicho punto, puesto que se perciben como una señal única. Sin embargo, cuando aparece en un punto de escucha una reflexión de nivel elevado con un retardo superior a los 50 ms, se produce eco. Lo cual afecta directamente a la inteligibilidad de la palabra, ya que dicha señal es percibida como una repetición del sonido directo. 23

31 Representación gráfica de la Primera Reflexión Efecto físico Impresión subjetiva Retardo hasta 50 ms: Se oye un único sonido con un nivel más elevado 0 30 Tiempo (ms) Tiempo (ms) Retardo superior a 50 ms: Se percibe claramente un eco 0 60 Tiempo (ms) Tiempo (ms) 3.1 Superposición de sonidos con diferentes retardos e impresión subjetiva asociada [7]. Para que un eco pueda ser escuchado en el interior de un recinto, deben coincidir varios aspectos, los cuales se nombran a continuación: Según Henry en el año 1854, quien introdujo el término de límite de perceptibilidad se comprueba que: Δl = c t = = 17 m Para ello se tuvo en cuenta que la velocidad de propagación del sonido en el aire es de 340 m/s yseconsideraparalapalabraunδt =50ms, en consecuencia, le corresponde una diferencia de longitud de camino de Δl =17m, lo cual indica que si la diferencia de recorridos entre el sonido directo y el reflejado es mayor de 17 m, el sonido reflejado llegará cuando el sonido directo ya haya acabado de ser percibido por el oído del oyente, percibiéndose entonces dos sonidos distintos, que es la sensación de eco. La segunda condición para la aparición de eco, es que las superficies que lo originan tengan un coeficiente de absorción alto o que la que lo produce sea una superficie cóncava, en ambos casos, la reflexión que llegue al observador será lo suficientemente potente para competir con los otros impulsos sonoros que llegan al mismo tiempo. Para evitar el riesgo de eco en recintos cerrados, se recubrirán con material absorbente las superficies que puedan dar reflexiones a alguna zona de la sala, con un retardo mayor a 50 ms, respecto al sonido directo. Y evitando el origen de focalizaciones por el uso de superficies cóncavas. 24

32 Capítulo III. Acústica Estadística 3.3. Campo Directo y Campo Reverberado El campo directo (L D ) es el campo acústico que se genera cerca de la fuente sonora, este se caracteriza por su potencia. Cuando la fuente se ubica en un espacio abierto, solo se da la presencia del campo directo. Cuando la fuente se ubica en el interior de un recinto cerrado, alrededor de este campo directo, se crea el campo reverberado (L R ), como superposición del campo directo debido al conjunto de reflexiones originadas por las superficies de contorno. En el caso de espacios destinados a la palabra, es necesario que el nivel de campo reverberante L R sea bajo, con el fin de conseguir un buen confort acústico y una correcta inteligibilidad de la palabra. La distancia a la cual ambos campos, tanto el directo como el reverberado, se igualan, se le denomina distancia crítica. Esta distancia depende de la geometría y la absorción del recinto., D c Q R = distancia crítica. = factor directividad de fuente sonora (Q = 2 para la voz humana). = constante de la sala (en m 2 ). Cuando la distancia crítica es pequeña, la absorción de dicha sala es también pequeña (salas reflectantes), por lo cual apenas te alejes de la fuente, predomina el campo reverberado y la inteligibilidad no será buena. Cuando la distancia crítica es grande, la absorción también es grande (salas absorbentes), predominando en casi toda la sala el campo directo. Salas reflectantes Salas absorbentes 3.2 Distancia crítica de acuerdo a la absorción de la sala [7]. 25

33 Representación gráfica de la Primera Reflexión 3.4. Parámetros Básicos A continuación se definirán los parámetros acústicos básicos necesarios para evaluar la calidad de audición verbal de una sala, tomando como objeto de estudio el AULA Nivel de Ruido de Fondo El ruido de fondo es todo aquel ruido que se percibe en un espacio cerrado (por ejemplo, aula, sala de concierto, teatro, etc.) en el cual no se realiza ninguna actividad. Dicho ruido tiene dos componentes: la primera es debida al ruido por el sistema de climatización y demás instalaciones eléctricas y/o hidráulicas, así como al ruido proveniente del exterior (por ejemplo, el ruido de tráfico), mientras que la segunda va asociada al nivel de campo reverberante (o sonido reverberante) existente en la sala. En cuanto a la primera, el nivel máximo recomendado de ruido de fondo se fija mediante la curva NC ( Noise Criteria ), mientras que la segunda depende del volumen del recinto y de los materiales utilizados como revestimiento de sus superficies internas. Las curvas NC son utilizadas para establecer los niveles de ruido máximos recomendables dentro de un recinto. Así, un recinto cumple con una determinada NC, cuando los niveles de ruido de fondo de un recinto, medidos en cada una de las bandas de octava, se encuentran por debajo de la curva NC correspondiente. Nivel de presión sonora SPL (db) Frecuencia (Hz) 3.3 Curvas NC «Noise Criteria» [7]. 26

34 Capítulo III. Acústica Estadística Tipos de Salas Curva NC recomendada Equivalencia en db (A) Salas de conferencias / Aulas Despachos de oficinas / Bibliotecas Hoteles (vestíbulos y pasillos) Restaurantes Tabla 3.1 Curvas NC recomendadas y niveles de ruido de fondo equivalentes (en db A) [7]. La curva NC recomendada para aulas es la NC - 20, si bien también se llega a admitir hasta la NC En el caso específico de espacios destinados a la palabra (aulas, salas de conferencias, teatros, etc.), hay que ser más exigentes con los requerimientos de ruido de fondo, en comparación con la música, puesto que este influye de gran manera en la inteligibilidad de la palabra Tiempo de Reverberación El tiempo de reverberación (TR) se define como el tiempo que transcurre desde el instante en que la fuente sonora ha dejado de emitir, hasta que el nivel de presión sonora disminuye en 60 db, esto a una determinada frecuencia. El tiempo de reverberación es indicativo del grado de reverberación o viveza de una sala. El volumen y los materiales utilizados como revestimiento de las superficies internas de un recinto influyen directamente en el tiempo de reverberación, y en consecuencia, también en la inteligibilidad de la palabra. Por lo general, el tiempo de reverberación (TR) varía con la frecuencia, tendiendo a disminuir a medida que ésta aumenta. Por ese motivo, es conveniente que el TR se mantenga lo más constante posible con la frecuencia, ya que a cualquier aumento a baja frecuencia el grado de inteligibilidad de la palabra empeora. Cabe resaltar que, en frecuencias altas, los valores del TR disminuyen, debido a la absorción de los materiales y a la producida por el aire. Dicha disminución es especialmente notoria cuando se trata de recintos con gran volumen. 27

35 Representación gráfica de la Primera Reflexión Cuando se establece un único valor recomendado de TR para un recinto dado, se suele hacer referencia al TR mid, el cual es obtenido como media aritmética de los valores correspondientes a las bandas de 500 Hz y 1000 Hz. Cuando los valores promediados de TR mid, se hallen dentro de los márgenes representados en la figura 3.4, considerando un elevado nivel de ocupación del recinto, el nivel de campo reverberante será bajo y la inteligibilidad de la palabra será buena. 1,4 Tiempo de Reverberación RT mid (s) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, Volumen (m 3 ) 3.4 Valores recomendados de Tr mid para aulas / salas de conferencia, en función del volumen del recinto [7]. Considerando volúmenes entre 100 y m 3, se recomienda que el valor promediado TR mid para aulas sea bajo, con objeto de conseguir una buena inteligibilidad, dicho valor debe estar comprendido, aproximadamente, entre: 0.7 s TR mid 1 s Dado el caso de una aula con volumen de m 3,elTR mid =0.85s. Cabe resaltar que para la banda de octava centrada en 2000 Hz, existe disminución inevitable de los valores de TR debido a la absorción producida por el aire. una 28

36 Capítulo III. Acústica Estadística Tipos de Sala TR mid sala ocupada (en s) Salas de conferencias / Aulas 0,7 1,0 Cine 1,0 1,2 Teatro de ópera 1,2 1,5 Salas de conciertos (música de cámara) 1,3 1,7 Salas de conciertos (música sinfónica) 1,8 2,0 Tabla 3.2 Márgenes de valores recomendados de TR mid en función del tipo de sala (recintos ocupados) [7]. Fórmula de Sabine Sabine en 1898, tras una serie de pruebas descubrió la fórmula que lleva su nombre, la cual establece que el tiempo de reverberación de una sala depende directamente del volumen V (en m 3 ) de la sala y el área de absorción equivalente total A (en m 2 ). Además, sólo puede basarse en consideraciones estadísticas., TR V A tot = Tiempo de reverberación (en segundos). = Volumen del recinto (en m 3 ). = Absorción total del recinto. En cuanto a la absorción A de un material cualquiera, se obtiene multiplicando su coeficiente de absorción α por su superficie S. Debido a que el recinto está constituido por distintas superficies recubiertas de materiales diversos, se define la absorción total A tot como la suma de todas y cada una de las absorciones individuales, es decir: De la fórmula de Sabine se desprende que el tiempo de reverberación: No varía, es el mismo sobre cualquier punto de la sala. Es independiente de la forma y geometría de la sala. Es independiente de la ubicación de la fuente. Es independiente de la distribución de los materiales. 29

37 Representación gráfica de la Primera Reflexión En ocasiones, los datos obtenidos del tiempo de reverberación suelen ser más alto que los reales. Uno de esos casos es una sala totalmente absorbente (campo abierto), la cual debería de tener un tiempo de reverberación nulo, sin embargo al usar la fórmula de Sabine, los datos nunca se aproximan a ese resultado. Cabe resaltar que esa fórmula se basa en requerimientos de campo difuso. Efecto de absorción del aire La absorción del aire produce un efecto atenuante sobre la energía acústica. En locales pequeños esta atenuación es despreciable. En cambio, en locales grandes, el tiempo de reverberación es mayor, por consiguiente la influencia de la absorción del aire es notable a partir de la frecuencia de 2000 Hz. Dicha atenuación depende de la frecuencia del sonido. Materiales Uno de los aspectos importantes para la audición verbal es la preservación de las altas frecuencias, las cuales son determinantes para la obtención de una adecuada inteligibilidad de la palabra, lo que obliga a elegir materiales que absorban poco en estas bandas de frecuencias. Además, la zona ocupada por los ejecutantes (escenario o plataforma) deberá estar recubierta de materiales reflectantes, y la zona ocupada por la audiencia, de materiales absorbentes. El grado de absorción del sonido de un material se representa mediante el llamado coeficiente de absorción α, el cual se define como la relación entre la energía absorbida por dicho material y la energía incidente sobre el mismo. Área de absorción equivalente Pese a que el volumen de un recinto controla directamente el tiempo de reverberación, se podría cambiar los valores de tiempo de reverberación conservando el volumen, obteniendo un margen bastante amplio. El problema principal es la cantidad de energía absorbida por las superficies S de contorno de un recinto, la cual varía según su área, y sus materiales de acabado, los cuales determinan el valor de coeficiente de absorción sonora α. Por tanto se puede caracterizar la absorción equivalente total por el producto: A= α S 30