Annoyance of industrial noise with tonal component at different

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Buenos Aires – 5 to 9 September 2016
st
Acoustics for the 21 Century…
PROCEEDINGS of the 22nd International Congress on Acoustics
Environmental Acoustics & Community Noise: FIA2016-26
Annoyance of industrial noise with tonal component
at different frequencies
Matías Pace(a),*Florent Masson(b),Shin-ichi Sato(c)
(a)
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentine, [email protected]
(c)
(b)
Abstract
Several previous experiments about tonal noise found that the annoyance varies when the
frequency of the tone changes. In the present work a subjective test on the annoyance of
industrial noises with tonal components were performed. A non-tonal sound from a textile
factory has been used for the test and modified into 8 tonal noises in each octave band from 63
to 8000 Hz. In this work the definition of tonal noise from the standard ISO 1996-2 has been
used. This study conducts a paired comparison test and analysed the variation of annoyance for
these tonal noises. Each noise was set to an equivalent sound pressure level (SPL) of 85 dBA
for the subjective test. The results of the research showed that, regardless of frequency, the
presence of the tonal component makes the sound more annoying. Furthermore the greatest
annoyance occurs at 4 kHz, where the ears are the most sensitive.
Keywords: Tonal Noise, Annoyance, Industrial Noise, Work Environment.
X CONGRESO FIA
Buenos Aires,
5 al 9 de Setiembre de 2016
Acústica para el siglo 21...
Molestia del ruido industrial con componente tonal
para diferentes frecuencias
1 Introducción
La molestia provocada por un ruido tonal ya ha sido previamente medida y validada por varios
autores, demostrando que el ruido con característica tonal produce diferentes molestias para
distintas frecuencias emergentes. En particular, el trabajo de Berglund et al. (1996) [1] realiza
un resumen de los estudios anteriores y revela que el nivel de presión sonora equivalente
ponderado A (LeqA) y la sonoridad pueden no ser indicadores válidos de la molestia del ruido
para las bajas frecuencias. En su investigación Huang et al. [2] realizan un test de comparación
por pares para cotejar la molestia subjetiva entre nueve diferentes muestras de sonido con
diferentes características espectrales, en este caso todas son reproducidas a un mismo L eqA de
65 dBA. De los resultados, surge que más del 90% de los sujetos eligieron como "las más
molestas" las muestras de ruido tonal de frecuencias bajas. En otro estudio de comparación por
pares [3] los sujetos son consultados para juzgar cuál estimulo sonoro del par les resulta más
confortable acústicamente. Los resultados indican que ante un nivel similar en dBA los ruidos
con componentes tonales son más molestos que otros sin tonos, Incrementándose aún más la
molestia cuando el ruido contiene varios tonos. Por lo tanto, la conclusión señala que los
sonidos sin la componente de tonalidad son los preferidos por sobre los sonidos con
componentes tonales. Además, en ambos casos, con y sin componentes tonales, los sujetos
tienen una impresión más favorable de los sonidos que tienen mayor energía en las
frecuencias de 250 a 630 Hz.
En la investigación de Persson and Bjokman [4] los pares de ruidos tienen siempre el mismo
LeqA en dBA, y se los evalúa en el rango entre los 40 y los 70 dBA como se aprecia en la Figura
1. Se encontró que para altos niveles de presión, las muestras de ruido con el pico de
frecuencia localizado en las bajas frecuencias son las más molestas.
Fuente: (Persson and Bjokman, 1988)
Figura 1: Grados de molestia para los diferentes niveles del trabajo de Persson y Bjokman.
2
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Finalmente, en el trabajo de Alayrac et al. [5] se seleccionaron 30 estímulos ecualizados a 45
dBA. La investigación indicó que ante el mismo L eqA, la señal de ruido de un transformador con
la componente tonal en 100 Hz es la de menor molestia subjetiva. Como resultado surge que la
diferencia entre los niveles de presión sonora ponderados C y A (dBC-dBA) no es relevante
para predecir la molestia de ruido en bajas frecuencias.
De estos trabajos realizados en entornos muy diversos, se puede concluir que las frecuencias
bajas producen una mayor molestia que las altas a medida que aumenta el nivel de presión
sonora medido con ponderación A. En el presente trabajo se utiliza la definición por el método
simplificado de la ISO 1996-2 (2007) [6] que confirma la presencia de componentes tonales en
el ruido, cuando el nivel sonoro continuo equivalente en una banda de tercios de octava supera
al de ambas bandas adyacentes según el rango de frecuencias de:

15 dB en las bandas de tercio de octava de 25 a 125 Hz.

8 dB en las bandas de 160 a 400 Hz.

5 dB en las bandas de 500 a 10 000 Hz.
Esta definición práctica fue recientemente adoptada en la normativa argentina IRAM 4062
(2015) [7] para la medición de ruidos molestos al vecindario, por sobre otras definiciones
adoptadas en otros países [8-10]. Las regulaciones y normativas argentinas de higiene y
seguridad [11-13], así como muchas de sus similares internacionales [14-15] para el caso de
actividades laborales, no establecen sanción alguna para los ruidos con característica tonal.
En la actualidad, en los entornos de trabajo, es muy común encontrar fuentes de ruido con
piezas giratorias tales como motores, cajas de engranajes, ventiladores y bombas, que
producen ruidos tonales.
Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es la búsqueda de las variaciones producidas en la
molestia percibida ante un ruido tonal. Para el análisis, una señal de ruido grabada en una
industria es modificada para obtener distintas señales con componentes tonales para diferentes
frecuencias de acuerdo a la norma ISO descripta anteriormente. Estas señales están todas
ajustadas a un LeqA de 85 dBA, este valor está relacionado con el máximo admisible en el
entorno de trabajo establecido en las leyes y los reglamentos de higiene y seguridad, antes
mencionados para una jornada de trabajo de 8 horas. Estas distintas señales son comparadas
entre sí a través de un test de comparación por pares para evaluar su grado de molestia.
2 Procedimiento
La investigación metodológica se desarrolla a través de tres etapas, la realización de las
señales a utilizarse, la calibración del sistema de reproducción y el desarrollo de los test
subjetivos.
2.1
Señales de Prueba
Las evaluaciones de la molestia están hechas con un método de comparación por pares. La
señal original proviene de un sonido de librería, éste es un ambiente industrial de una fábrica
textil que fue seleccionado por tener una densidad espectral de potencia relativamente
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constante, por lo que no se lo considera tonal para ninguna frecuencia. Para poder evaluar un
amplio espectro, nueve frecuencias fueron seleccionadas y procesadas con filtros pasa-banda
muy selectivos de Q=100. Se usó éste alto factor de selectividad para asegurar que las
frecuencias superen la mínima diferencia necesaria con las bandas adyacentes para ser
consideradas tonales de acuerdo a la norma [6]. Estas frecuencias seleccionadas
corresponden a todas las frecuencias centrales de las bandas de octava desde 63 Hz hasta 8
kHz, dando un total de ocho señales.
El espectro de la señal por bandas de tercios de octava con ponderación Z se muestra en la
Figura 2.
Figura 2: Espectro de la Señal 1, ambiente de una fábrica de telas en tercios de octava con
ponderación Z.
A continuación, cuatro de las ocho señales adicionales que fueron modificadas para ser
consideradas tonales según ISO 1996-2 (2007) se muestran en las Figuras 3(a) a 3(d).
Considerando la señal original, el test cuenta con un total de nueve señales.
(a)
(b)
4
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(c)
(d)
Figura 3: Espectro de las señales modificadas en la banda de un tercio de octava para obtener la
característica tonal a los 63 Hz(a), 125 Hz (b), 250Hz(c) y a 4kHz (d).
Fuente: (Terrace, 2013) [16]
Figura 4: Evolución de los contornos de igual sonoridad a través de los años.
Considerando que las normas nacionales e internacionales indican que la medición del ruido
debe hacerse con ponderación A, las señales fueron ajustadas para ser escuchadas a un L eqA
de 85 dBA. Las diferentes curvas de sensibilidad del oído que se observan en la Figura 4 se
han ido modificando a través de los años, a pesar de ello las curvas de ponderación A, B y C
se han mantenido constantes a lo largo de los años [16,17].
2.2
Calibración del sistema
Antes de comenzar la prueba, se simularon las condiciones de uso y escucha de los
auriculares con una cabeza artificial. Mediante un medidor de nivel de presión sonora de clase
1 y con una señal de tono puro de 1 kHz se calibró el nivel de salida del amplificador para que
el nivel de emisión de los auriculares sea de 85dBA en los oídos de los sujetos durante la
reproducción. La Figura 5 muestra la respuesta en frecuencia de los auriculares utilizados en
este estudio medidos específicamente para este trabajo.
5
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Figura 5: Respuesta en frecuencia del canal izquierdo del auricular ATH-D40FS usado en el test.
2.3
Procedimiento del ensayo subjetivo
El estudio se llevó a cabo mediante un algoritmo que genera una secuencia de orden aleatorio
con el fin de evitar que los sujetos sean condicionados por el orden de secuencia de los pares.
Durante la prueba las repeticiones no estuvieron permitidas.
No fue necesario ningún entrenamiento previo, las respuestas de la prueba se escribieron en
papel y la pregunta fue: "¿Cuál es el sonido más molesto?". Con el propósito de que la señal de
prueba no se vea afectada (o mínimamente) por el entorno fueron elegidos auriculares Audio
Technica ATH-D40FS para realizar la reproducción. Para el entorno de prueba no se requería
demasiado control debido al alto nivel de la señal y a la atenuación que introducen los
auriculares al ruido exterior. No obstante, se aseguró tener un nivel de ruido de fondo en el
entorno de prueba que no supere un LeqA de 65 dBA.
Para llevar a cabo la experiencia fueron evaluadas un total de 40 personas con un rango de
edad entre 20 y 36 años. Todos los individuos examinados dieron su consentimiento y
declararon tener audición normal. En primer lugar, los sujetos completaron un breve
cuestionario con sus datos personales, se les explicó la prueba y se les proporcionó una
definición de molestia para evaluar los sonidos: "Perturbación del bienestar, genera
incomodidad y fatiga". La duración de cada señal fue de 4,5 s, y el intervalo de silencio entre
los estímulos fue de 1 s. Un total de 36 pares fueron evaluados por cada sujeto. Cada par de
estímulos tomó 10 s y el test duró entre 8 y 10 minutos para cada sujeto.
3 Resultados y análisis
En primer lugar, se utilizaron las pruebas de consistencia en busca de posibles errores
circulares [18]. Los resultados se analizaron con dos chi-cuadrado diferentes, para el común
0,05 y para una más exigente 0,01. En los exámenes que se corresponden con la prueba de
chi-cuadrado con una probabilidad de 0,05 fueron validados 28 sujetos (x2>x (df, 0,05) = 31,41).
En el caso de la probabilidad = 0,01 sólo 21 sujetos fueron admitidos (x 2>x (df, 0,01) = 37,57).
En tanto el grado de libertad en ambos era de 20,16.
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El test de "Agreement" entre los juicios de los sujetos fue probado [18]. Esta prueba analiza la
relevancia de los resultados, y también fue validada con la prueba de chi-cuadrado con una
probabilidad de 0,01. Además, los "Scale Value" (SV) se calcularon para las 9 señales [19] y el
"Goodness-of-fit" fue validado con el mismo chi-cuadrado anterior, presentando diferencias
significativas entre el SV observado y el re-calculado [20]. El rango de los valores de escala es
mayor que 0,68, lo que significa que la escala es fidedigna.
Por último, se realizó un análisis ANOVA de una vía para evaluar la importancia del efecto del
factor molestia con el mismo chi-cuadrado previo de 0,01. El índice de varianza del factor es
mucho mayor que el "F-value", 2,61 en este caso, que surge por la probabilidad y los grados de
libertad mostrados en la Tabla 1. Por lo tanto, el efecto del factor resulta significativo.
Tabla 1: Valores calculados del análisis de varianza.
Factor
Error
Total
Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio F-value
562,86
8
70,36
18,32
691,14
180
3,84
1254
188
Probabilidad
<0,01
La Figura 6 muestra en la barra de la derecha (roja) el SV calculado para los 28 sujetos
consistentes para chi-cuadrado igual a 0,05 de las diferentes señales. Además, en la barra
izquierda (azul) se muestra el SV de los 21 sujetos consistentes para 0,01.
Figura 6: Los "Scale value" de la molestia para las diferentes señales con Chi-cuadrado igual a
0,01 y 0,05.
De los resultados obtenidos en las escalas de valores está claro que, independientemente de la
frecuencia central de la tonalidad, la presencia de componentes tonales hace que el sonido sea
más molesto. Con una clara diferencia en la escala, los sonidos con el ruido tonal de 125 Hz y
4 kHz son los de mayor molestia. Cuando se incrementa la exigencia del Chi-cuadrado para
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una mayor consistencia, las diferencias entre el sonido original y cualquiera con componente
tonal se hacen más importantes. Además, la molestia de la señal tonal en 4 kHz crece
notablemente aún más.
4 Discusión
Hay una diferencia significativa en el SV entre 125 Hz y las señales adyacentes. Esto contrasta
de alguna manera con trabajos utilizados como base para esta investigación. En trabajos
anteriores como el de Persson y Bjokman [4] se muestra que para los más altos niveles de
presión la mayor molestia ocurre en las más bajas frecuencias analizadas, luego decayendo
para 250 y 500 Hz y repuntando un poco en los 1000 Hz. Al contrario de este tipo de test en el
que se da la opción de 80 Hz, en el presente trabajo se analizaron 63 y 125 Hz, encontrando
un pico pronunciado en los 125 Hz. En lo que se refiere a la hipótesis inicial de la investigación,
la correlación entre la presencia de componente tonal y una mayor molestia percibida se
verifica en los resultados. La molestia en frecuencias superiores a 2 kHz no había sido
investigada en los estudios previos mencionados anteriormente.
Es bien conocido el debate sobre si la ponderación A atenúa en exceso las bajas frecuencias y
por lo tanto no es un descriptor preciso del ruido cuando se evalúan altos niveles de presión
sonora [16]. La respuesta en frecuencia del auricular mostrada en la Figura 5 fue medida luego
de realizar el test para poder contextualizar los resultados obtenidos. Los auriculares pueden
ser en parte la respuesta a la caída en el valor de la escala que corresponde a la molestia de la
señal a 250 Hz. Además, la respuesta presenta otra depresión aún más pronunciada a 4 kHz,
pero en este caso, a pesar de esta atenuación, los sujetos eligieron a esta señal como la más
molesta.
No se analizó la influencia de los otros parámetros acústicos intrínsecos de la señal en la
percepción de la molestia de los sonidos. Por ejemplo, algunos estudios muestran una relación
entre la función auto-correlación y la evaluación de parámetros subjetivos del ruido [21-23]. Un
mayor número de sujetos podría colaborar en lograr mejores resultados, ya que casi la mitad
de los sujetos fueron descartados debido a la exigencia de la prueba de consistencia.
5 Conclusiones
Las pruebas de consistencia, "agreement" y "goodness-of-fit" se llevaron a cabo y todas fueron
completamente validadas. Fue posible realizar una escala subjetiva de la molestia causada por
un ruido de un entorno industrial con característica tonal. Se demostró que el ruido sin
componente tonal es el menos molesto y que la mayor molestia surge a los 4 kHz, ésta última
se puede relacionar con el área de mayor sensibilidad del oído [17]. La combinación entre la
pronunciada depresión en la respuesta en frecuencia del auricular y el máximo de molestia
encontrado, ambos en la zona de los 4 kHz, pueden ser indicativos de que es aún mayor la
diferencia en la molestia entre la señal tonal a 4 kHz y las demás señales en análisis.
La molestia en las frecuencias bajas es muy irregular; allí se encuentra uno de los sonidos más
molestos y ambos adyacentes a éste son los sonidos tonales de menor molestia. Esta mayor
molestia a 125 Hz se puede correlacionar con los resultados de estudios anteriores para altos
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niveles de presión sonora, donde se encontró que las frecuencias bajas son las más molestas
[4]. Por lo tanto, no está determinada completamente la influencia de las depresiones en la
respuesta de frecuencia de los auriculares en la percepción de la molestia en este trabajo.
Comparando los resultados obtenidos para los diferentes chi-cuadrado; se puede observar la
profundización de las diferencias entre los valores de la escala, especialmente en la molestia
máxima encontrada en 4 kHz y la mínima proveniente de la señal original sin característica
tonal.
6 Trabajos futuros
Los auriculares utilizados para esta prueba influyen en la reproducción de la señal por su
respuesta en frecuencia. Por lo tanto con el fin de corroborar estos resultados sería apropiado
ecualizar las señales reproducidas con una respuesta inversa a la que se muestra en la Figura
5, y así contrarrestar el efecto propio del sistema de reproducción.
Además, sería interesante repetir la prueba con otros sonidos de diferentes características
intrínsecas y comparar si la molestia tiene las mismas proporciones que en esta prueba, o si las
relaciones de molestia también dependen del contenido espectral y otros parámetros.
Otro posible trabajo futuro, podría estar relacionado con la posibilidad de obtener una escala
cuantitativa de la diferencia entre las molestias causadas por los diferentes sonidos tonales.
Con respecto a esto, una escala de estas características puede ser útil para aplicar sanciones
diferenciadas de acuerdo a la frecuencia del tono emergente, lo cual no es tomado en cuenta
en las legislaciones que penalizan en la actualidad el ruido tonal.
Agradecimientos
Este trabajo es presentado gracias a la combinación de los apoyos de la “FIA-IUPAP
Attendance Scholarship” y de la Universidad Nacional de Tres de Febrero. Por último pero no
menos importante está el reconocimiento a los sujetos de prueba que aportaron su
indispensable subjetividad para esta investigación.
Referencias
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10

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