CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE CENTROS DOCENTES

Transcripción

JORNADA SOBRE
“CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE CENTROS
DOCENTES”
PARTE 2ª
El Ruido y los Edificios:
CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE
CENTROS DOCENTES
Vitoria, 12 de Mayo de 2.001
STEE – EILAS
ornada
Jo rnada Criterios Acústicos en el Diseño de Centros Docentes
INDICE
1.-
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................3
2.-
CONDICIONES ACÚSTICAS DE UN RECINTO .................................................................................6
3.-
NIVELES SONOROS ACEPTABLES EN INTERIORES DE RECINTOS ...................................7
Rango de niveles NC...........................................................................................................................................7
4.-
DISTRIBUCIÓN DEL SONIDO EN UN RECINTO..............................................................................8
Reflexión............................................................................................................................................................. 10
Difusión.............................................................................................................................................................. 11
Difracción.......................................................................................................................................................... 11
Reflectores cóncavos........................................................................................................................................ 21
5.-
COMPORTAMIENTO DEL SONIDO DENTRO DE UN RECINTO ........................................... 37
R=10 LOG W I/WT...................................................................................................................................................54
TL=20· LOG (M· F) - 42 ...........................................................................................................................................55
Criterios acústicos en el diseño de centros docentes
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1 .-
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INTRODUCCIÓN
La influencia de la acústica en la proyección de edificios se puede observar a lo
largo de los tiempos, desde los anfiteatros romanos hasta las modernas casas
o edificios en los que pasamos nuestras horas de trabajo y ocio. La gran
diferencia, sin embargo, entre la vida de la antigua Roma y la vida en nuestras
ciudades modernas es la presencia de ruido procedente de un número cada
vez mayor de fuentes: vecinos, tráfico, industria….
En consecuencia, la ciencia de la acústica de edificios ya no está limitada al
diseño acústico de teatros, sino que ha aumentado su ámbito para cubrir el
control y la reducción del ruido en todo tipo de edificios.
En general, no es fácil especificar en que consiste la “ b u e n a a c ú s t i c a ”. En
primer lugar, todo depende de la utilidad que se quiera dar al recinto. Los
requerimientos acústicos no son los mismos para una sala de conciertos y
representaciones teatrales o una sala de conferencias, y cuando se quiere
utilizar la misma sala para conciertos y representaciones teatrales, se debe
llegar a un término medio. En segundo lugar, depende de cómo se defina la
acústica del recinto. Un técnico en acústica tratará del t i e m p o
de
r e v e r b e r a c i ó n , d i s t r i b u c i ó n s o n o r a , a b s o r c i ó, etc.,
n en otras palabras,
p a r á m e t r o s o b j e t i v o sque es posible medir. Un músico o alguien que escucha
una charla en una sala describirá la acústica en términos de definición, claridad
d e t o n o , c a l o r, etc., en otras palabras p a r á m e t r o s q u e s o n s u b j e t i v oosdifíciles
de medir. De hecho, el concepto de “buena acústica” consiste en una
combinación de la mayoría de estos parámetros, tanto objetivos como
subjetivos, considerados de una manera global.
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Pero cuando hablamos de condiciones acústicas de un local, no sólo nos
referimos a auditorios, salas de conferencias, teatros, salas de músico; sino
que debemos englobar a todo recinto público (estación de autobuses,
terminales de aeropuerto, ferrocarriles, colegios, oficinas, restaurantes,
gimnasios…) los cuales van a necesitar de unas condiciones acústicas
determinadas.
Cuando una onda sonora choca con las superficies que forman un recinto
parte de su energía se refleja originando un incremento de los niveles sonoros
en el interior del recinto, parte es absorbida en el propio material desaparecido
su energía en forma de calor y el resto consigue traspasar la pared llegando al
recinto contiguo.
Según este principio básico podemos definir dos campos que frecuentemente
se suelen confundir:
•
El aislamiento acústico, y
•
El acondicionamiento acústico de un recinto.
El aislamiento acústico de un local es el responsable de evitar que la energía
sonora alcance los recintos adyacentes o que el sonido generado en el exterior
u otros recintos adyacentes no interfiera en la actividad del local.
El acondicionamiento acústico de un local mediante el tratamiento de algunas
de sus superficies con materiales absorbentes puede tener algunas de las
siguientes causas:
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•
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Aumentar el confort acústico interno, disminuyendo el ruido de fondo y
mejorando la intimidad.
•
Mejorar las condiciones acústicas de sonoridad de un local, a fin de
adecuarlo a unas necesidades específicas según su utilización.
•
Proyectar un local donde las condiciones acústicas sean fundamentales y
definitorias de la actividad, como el caso de un teatro, auditorio, estudio de
TV, etc.
Como se puede comprender, el alcance del tratamiento será distinto así como
el número de parámetros y consideraciones técnicas que deban ser apreciadas
en su desarrollo.
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C O N D I C I O N E S A C Ú ST I C A S D E U N R E C I N T O
Las condiciones acústicas de un recinto están definidas en base a:
!
N i v e l e s s o n o r o sexistentes en el interior del recinto provenientes de
fuentes sonoras interiores (cañerías, vecinos, máquinas…) o exteriores
(tráfico…) que penetran en el recinto por vía aérea o estructural.
!
Tiempos de reverberación.
!
Distribución delsonido.
!
I n t e l i g i b i l i d a d de la palabra.
Dependiendo del uso al que destine el recinto, unos de los factores anteriores
serán más prioritarios que otros. Por ejemplo, mientras que en un colegio es
fundamental la inteligibilidad de la palabra, en una sala de conciertos va a ser
más importante la distribución del sonido y los tiempos de reverberación.
Aunque, en el fondo, todos estos parámetros están relacionados de alguna
manera.
Es obvia la necesidad de respetar unos límites sonoros del diseño si queremos
conseguir unas condiciones acústicas favorables.
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NIVELES SONOROSACEPTABLES EN INTERIORES
O RES DE RECINTOS
Los niveles sonoros de fondo existentes en un local serán función de los focos
sonoros exteriores al recinto y a su aislamiento acústico.
Dependiendo del uso al que se destine un local, es recomendable mantener
unos niveles sonoros de fondo determinados.
A continuación especificamos algunas de las recomendaciones a seguir en
cuanto a estos niveles sonoros en función del uso del local, en términos de las
curvas NC y en nivel sonoro global en dB(A).
R a n g o d e Nivel global
niveles NC d B ( A )
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R a n g o d e Nivel global
niveles NC d B ( A )
Salas de conciertos, ópera, estudios de grabación,
grandes iglesias, grandes salas de conferencias
< 20
< 30
Auditorios pequeños, teatros, clases para ensayo
de música, audiovisuales, oficinas de ejecutivos, 20 a 30
30 a 38
pequeñas iglesias, tribunales de justicia.
Dormitorios,
cuarteles
nocturnos,
hospitales,
residencias, apartamentos, hoteles (para dormir, 25 a 35
30 a 40
descansar, relajación).
Oficinas privadas, salas pequeñas de conferencias,
clases, bibliotecas.
Grandes oficinas, áreas de recepción, almacenes y
tiendas, cafeterías, restaurantes, gimnasios.
Laboratorios,
salas
de
técnicos,
áreas
de
secretarias, (moderadas condiciones de escucha)
Cocinas,
tiendas
industriales,
salas
de
ordenadores (moderadas condiciones de escucha)
30 a 35
38 a 42
35 a 40
42 a 47
40 a 45
47 a 52
45 a 55
52 a 61
Estos niveles considerados aceptables serán garantizados mediante el diseño
adecuado del aislamiento del recinto, que deberá ser contemplado en fase de
proyecto.
4 .-
D I S T R I B U C I Ó N D E L S O N I D O E N U N R E C I N TO
La distribución del sonido dentro de un recinto va a depender de:
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!
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Foco sonoro:
Potencia
Localización
Directividad
!
Forma del recinto
!
Disposición de los elementos absorbentes y reflectantes
En todo caso serán fundamentalmente los fenómenos de reflexión, junto con la
difusión y difracción los encargados de distribuir el sonido dentro del recinto.
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Reflexión
La reflexión es el rebote de una onda sonora al chocar con una superficie. Si
las dimensiones de la superficie x es mayor que dos a cuatros veces la longitud
de onda de la onda sonora, el ángulo de incidencia será igual al ángulo de
reflexión.
Un reflector sonoro efectivo tiene una superficie dura, tal como la escayola,
tablero aglomerado de madera, plástico y posee las dimensiones adecuadas
para reflectar las frecuencias deseadas.
Estos reflectores proporcionan un refuerzo al sonido directo y previenen ecos
del techo.
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Difusión
La difusión es la disposición de una distribución aleatoria de la onda sonora
desde una superficie. Ocurre cuando las profundidades de los materiales duros
son comparables a la longitud de onda del sonido. La difusión no absorbe
sonido. Sin embargo, la dirección del sonido incidente cambia cuando choca
con un material dispersivo. La difusión es una características fundamental en
recintos usados como salas de práctica de música. Cuando se obtiene una
difusión satisfactoria, la audiencia tendrá la sensación de que sonido viene de
todas direcciones con igual nivel.
Difracción
La difracción es el flujo o el acto de bordear un objeto o a través de una
abertura. Por ejemplo, un camión detrás de un edificio puede ser oído porque
el sonido bordea las esquinas. En auditorios, los paneles suspendidos deben
ser diseñados con sumo cuidado para ser suficientemente largos (ancho y
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largo) para reflejar las ondas deseadas porque el sonido puede ser difractado
alrededor de ellos.
Estos fenómenos que aparecen en todo recinto, debido a la presencia de
elementos como paredes y techos, van a crear un campo reverberante (a
diferencia con los teatros al aire libre donde no existen elementos que reflejen
el sonido) que en todo momento va a acompañar al sonido directo.
Una vez que el sonido directo llega al receptor, este vendrá seguido de las
primeras reflexiones (provenientes de las paredes más próximas) que serán las
responsables de aportar por ejemplo, definición y claridad en la música. El
tiempo transcurrido entre la llegada del sonido directo y las primeras
reflexiones deberá ser menor de 30 ms. para unas buenas condiciones de
escucha; en caso contrario las reflexiones se oirán como repetición del sonido
directo creando lo que se denomina “ e c o ”.
”
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Diagrama de rayos
Los análisis basados en diagramas de rayos pueden ser utilizados para
estudiar el efecto de la forma de la sala en la distribución del sonido y para
identificar las superficies que pueden producir ecos.
El diagrama de rayos es una analogía acústica con la reflexión especular de la
luz donde el ángulo de incidencia del sonido incidente es igual al reflejado. Es
decir, el sonido es reflejado de la misma forma que unas bolas de billar.
Debido a esto, pequeños espejos o papel de plata puede utilizarse con dibujos
arquitecturales (o modelos a pequeña escala) en un recinto oscuro para reflejar
la luz desde una fuente puntual. El modelo de la luz reflejada demuestra,
durante el proceso de diseño, el efecto de la forma de la sala en la distribución
del sonido.
El diagrama de rayos es una buena herramienta para diseño de la forma
óptima de la sala.
Basado en este principio existen modelos informáticos que en fase de diseño
te permiten conocer la distribución del sonido dentro del recinto en función de
la geometría, colocación de la fuente y disposición de los elementos
absorbentes con sus características acústicas de absorción. Esta es una
herramienta muy utilizada hoy en día por los diseñadores acústicos de salas.
Además, ofrecen la posibilidad de cálculo de tiempos de reverberación para
diferentes condiciones de la sala y otra serie de análisis acústicos útiles en el
diseño acústico.
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Podemos utilizar un diagrama de rayos para estimar en un auditorio los
tiempos entre la llegada del sonido directo y las sucesivas reflexiones. Así, por
ejemplo, en la figura siguiente podemos ver como al receptor le llegará,
después del sonido directo, la reflexión proveniente de la pared lateral, en
segundo lugar la proveniente del techo y la tercera proveniente de la parte
trasera del escenario, y así sucesivamente.
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En base al camino recorrido por el rayo según las leyes de reflexión, y
conociendo la velocidad del sonido en el aire, se puede calcular el tiempo que
tardan en llegar las distintas reflexiones al receptor y plasmarlo en el siguiente
diagrama.
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Es importante la localización y prevención de ecos y formación de ondas
estacionarias.
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ECOS
Un eco es la repetición de un sonido original suficientemente alto para ser
escuchado claramente por encima de la reverberación y el ruido de fondo. Para
la palabra hablada, los ecos pueden ser percibidos cuando los intervalos de
tiempo entre el sonido directo y reflejado son mayores de 60 ms. Las
superficies potenciales productoras de ecos deben ser tratadas con materiales
absorbentes o confromadas de forma adecuada según se muestra en el
esquema: la parte frontal del techo es rebajada para reducir las reflexiones
tardías y reorientada para proporcionar reflexiones útiles a la parte trasera de
la audiencia.
La pared del fondo puede producir ecos o reflexiones no queridas en salas
medianas y grandes. Debajo mostramos tres soluciones para controlar los
ecos: superficies perforadas altamente transparentes a las ondas sonoras
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pueden utilizarse para proporcionar tratamiento absorbente, o tratamiento
difusor de sonido (superficies curvas).
ONDAS ESTACIONARIAS
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Es otro de los fenómenos junto con el eco originado por la continua repetición
del sonido entre paredes paralelas o cóncavas reflectantes.
Puede ser prevenido cambiando la forma de la pared o colocando material
absorbente.
También, a veces aparece con paredes no paralelas como en el dibujo
siguiente.
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FORMA DEL RECINTO
Los teatros griegos (construidos hace muchos años) estaban construidos en
zonas tranquilas (colinas). Eran espacios al aire libre donde la audiencia se
distribuía de forma circular en torno al escenario. De esta forma estaban lo
más próximo posible al foco sonoro y por tanto, la reducción de la energía
sonora con la distancia era mínima.
Al mismo tiempo, los asientos se disponían en gradas para tener buena
visibilidad del escenario alejadas del foco sonoro.
Este efecto se puede paliar mediante el diseño adecuado de paredes y techos u
otros tipos de elementos que mediante la reflexión, dispersión o difracción
distribuyan el sonido hacia la audiencia de manera uniforme.
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Modelos de sonido reflejado
Podemos observar en los dibujos la efectividad en reflejar sonido de
superficies cóncavas, planas y convexas. La sombra indica el modelo de
distribución de la energía reflejada para reflactores de longitud equivalente.
Reflectores cóncavos
Los reflectores cóncavos tal como techos en forma de cúpula, bóvedas en
iglesias, paredes curvas en auditorios, pueden concentrar el sonido, causando
ecos en el área de audiencia y enmascaramiento. Son pobres distribuidores del
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sonido y por tanto deben ser evitados donde se requiera superficies para
reflectar sonido (cerca del escenario, u otras localizaciones).
Los techos cóncavos (cúpulas) y paredes cóncavas generalmente requieren de
tratamiento para evitar las reflexiones de sonido que producen una falta de
inteligibilidad del sonido directo. Estas formas cóncavas originan una
concentración del sonido en ciertas áreas o a veces dan lugar a sonido
reflejado a través de ciertas superficies cóncavas con lo que se consigue el
efecto de que niveles bajos de voz pueden ser escuchados en distancias
grandes del recinto (““ e f e c t o d e g a l e r í a s u s u r r a n t e).”
Debajo podemos observar algunos problemas y sus respectivas soluciones. La
concentración de energía es más efectiva en frecuencias bajas debido a que la
mayoría de materiales son más absorbentes en altas frecuencias.
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Techos
La forma del techo y la altura dependerán en cada caso del fin de la sala. Por
ejemplo, el techo plano totalmente reflectante mostrado debajo ofrece
reflexiones sonoras que cubren totalmente el área de la audiencia en la sala de
conferencias. Las reflexiones sonoras útiles para discursos son aquellas que
vienen de la misma dirección de la fuente con un retraso menor de 30 ms. Sin
embargo, reorientando cuidadosamente el techo, según se muestra en la
ilustración, las reflexiones pueden aumentar de forma que la mitad trasera de
los asientos reciban reflexiones de ambos paneles del techo.
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Para salas de conciertos donde se necesitan tiempos de reverberación altos, se
prefieren techos altos y las paredes deberán ser reflectantes.
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Paredes laterales
Las plantas semicirculares con forma de abanico no proporcionan reflexiones
laterales tempranas fuertes porque las paredes laterales están demasiado
lejos. A menos que se utilicen reflectores en el techo, la música sonará distante
y fuera de tono. La forma en abanico invertida puede proporcionar mejores
resultados.
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TIEMPOS DE REVERBERACIÓN
Debajo mostramos algunos ejemplos de decaimiento de sonido en un recinto
pequeño y otro grande.
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Para determinar el tiempo de reverberación en un recinto se introduce una
fuente de ruido (bien ruido en banda ancha emitido por un altavoz, o bien un
ruido impulsivo como explotar un globo o un disparo de pistola) y se registra
el tiempo que tarda en caer 60 dB una vez la fuente a cesado.
Podemos representar gráficamente la caída en función del tiempo en cada
banda de frecuencia. Este sirve de gran ayuda al diseñador experimentado en
nociones de acústica. Por ejemplo, puntas en la curva de caída indican
presencia de ecos, pendientes dobles indican existencia de resonancias en el
recinto o recintos acoplados.
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Dependiendo del uso al que se destine el local, el tiempo de reverberación será
distinto: para música de órgano y coros se requiere tiempos de reverberación
largos; para ópera, comedias, música de cámara y sermones, tiempos de
reverberación medianos y para charlas o conferencias, estudios de grabación
se requieren tiempos de reverberación mucho más reducidos. En todo caso, los
tiempos de reverberación son mayores a medida que las dimensiones del
recinto aumentan (según la conocida fórmula de Sabine).
Una vez conocido el uso al que se destina el recinto, debemos adoptar como
nivel de diseño el tiempo de reverberación adecuado al mismo.
Para disminuir los tiempos de reverberación en un local se deberá introducir
material absorbente de forma que disminuyan las reflexiones y por tanto el
campo reverberante. Viceversa, para aumentar el tiempo de reverberación se
deberá evitar materiales absorbentes y colocar mayores reflectores sonoros.
Los cálculos de la cantidad de material absorbente necesaria para obtener un
tiempo de reverberación específico se pueden efectuar siguiendo las
ecuaciones tradicionales desarrolladas por Sabine, Eyring, etc., para cada caso
específico. Pero, estas ecuaciones, aunque te proporcionan la cantidad de
material necesaria, no estiman el beneficio obtenido con la diferente
colocación del material absorbente.
Por esto y más aún en los casos en que las salas no están construidas, se
tiende a utilizar cada vez más los métodos de cálculo informáticos basados en
trazado de rayos que muchas veces sustituyen a los clásicos modelos a escala
reducida que en muchas ocasiones suponen un coste elevado.
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Además de depender del volumen de la sala, los tiempos de reverberación
también dependen de la frecuencia, que a su vez dependerá de las
características absorbentes de los materiales empleados.
En el siguiente cuadro damos una referencia aproximada de la sensación
producida por reverberación excesivamente corta y excesivamente larga en
frecuencias bajas y altas.
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Sonido
ornada
Reverberación
Reverberación Sensación
F r e c u e n c i a s b a j a sf r e c u e n c i a s a l t a s
Palabra
Exc. Larga
Exc. Larga
Difusa,
difícil
de
Exc. Larga
Exc. Corta
Mate, apagada, pero se
entender
entiende
Exc. Corta
Exc. Larga
Estridente,
aguda,
a
veces
como un cuchicheo: se
entiende mal.
Exc. Corta
Exc. Corta
Seca, pero se entiende
bien
Música
Exc. Larga
Exc. Larga
Difusa
Exc. Larga
Exc. Corta
Demasiado confusa, a
veces temblona
Exc. Corta
Exc. Larga
Aguda
hasta
la
Exc. Corta
Seca, sin fuerza ni gracia
estridencia
Exc. Corta
INTELIGIBILIDAD
La palabra transmitida a través de una sala por una persona o un sistema de
megafonía nunca se recibe en la posición de escucha como una réplica exacta
de la señal original. No sólo se añade ruido de fondo, sino que la señal está
también distorsionada por las propiedades reflectantes y reverberantes de la
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sala. A menudo, una consecuencia directa de estas distorsiones es una
reducción de la inteligibilidad de la palabra.
Para mejorar la inteligibilidad, las personas que hablan suelen adaptar su
discurso de forma apropiada para la sala, hablando despacio en una sala muy
reverberante, o en voz alta en una sala muy absorbente. Sin embargo, en
algunas situaciones, como cuando se hace un anuncio por un sistema de
megafonía, los oradores no pueden ajustar su discurso. El resultado, es a
menudo, un anuncio ininteligible.
Cuantificando la inteligibilidad de la palabra y midiéndola en una sala se
conoce el grado de tratamiento acústico que se requiere para solventar tales
problemas. Los remedios típicos para mejorar la claridad de la palabra
incluyen:
!
Refuerzo del sonido en los auditorios
!
Reducción de los tiempos de reverberación
!
Prevención de ecos
!
Optimización de sistemas de megafonía
!
Atenuando del ruido de fondo
La inteligibilidad es una respuesta
subjetiva, por lo que se puede
medir examinando el número de
palabras, fonéticamente
P á g . 3 2 d sin
e 6sentido,
2
correctamente anotadas por un
equipo de oyentes previamente
d
d
l d
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Debido a los inconvenientes de este método por la necesidad de contar con
personas adiestradas y disponibles, el tiempo necesario, la subjetividad de
resultados, etc., se ha intentado mejorar este sistema de evaluar la
inteligibilidad.
A lo largo de los tiempos se han venido desarrollando diferentes índices más o
menos objetivos para definir la inteligibilidad. Entre ellos está el Psil, STI y el
más reciente y utilizado RASTI.
El índice RASTI es un índice rápido de transmisión de la palabra que se basa en
un sistema transmisor-receptor. El transmisor RASTI genera ruido rosa en las
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bandas de octava de 500 y 2000 Hz. para simular el espectro de un discurso
largo. Este ruido está modulado sinusoidalmente por varias frecuencias
simultáneamente, representando las modulaciones que se encuentran en la
conversión normal. Este transmisor emite con las características de
direccionalidad que se medirán a 1m. de la boca de la persona que habla.
El receptor RASTI recoge la señal transmitida mediante un micrófono y es
analizada por el mismo receptor. El índice RASTI (entre 0 y 1) aparece en poco
tiempo en el display del receptor.
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El método RASTI identifica áreas de poca inteligibilidad en un recinto con la
ventaja de ser bastante rápido, pudiéndose representar gráficamente
contornos de igual inteligibilidad o contornos iso-RASTI.
Las aplicaciones de este método de evaluación de inteligibilidad son:
!
Estudios de grabación
!
Salas de conferencias
!
Teatros
!
Iglesias
!
Colegios
!
Aviones
!
Coches
!
Habitaciones
!
Aeropuertos
!
Vehículos militares
!
Instalaciones industriales
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!
Polideportivos, gimnasios…
!
Oficinas
!
Restaurantes
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C O M P O R T A M I E N T O DE L S O N I D O D E N T R O D EUN RECINTO
Cuando las ondas sonoras chocan con las paredes de una habitación, parte de
la energía se absorbe y transmite y parte se refleja y vuelve a la habitación.
Los niveles sonoros en una habitación pueden reducirse mediante el uso de un
tratamiento de absorción acústica, tal como alfombras, cortinas, techos
absorbentes.
En la habitación mostrada debajo sin tratamiento acústico, los trabajadores
oyen directamente la energía sonora proveniente de los ordenadores, así como
la energía sonora reflejada proveniente de las paredes, techo, …, etc. Si
colocamos material absorbente en la habitación, los trabajadores oirán menos
ruido porque la energía sonora reflejada ha sido reducida. Sin embargo, el
nivel sonoro cerca del ordenador permanecerá inalterable debido a que es
primordialmente sonido directo.
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ATENUACIÓN SONORA EN EXTERIORES Y EN INTERIORES
Campo libre
Condiciones de campo libre aparecen cuando las ondas sonoras están fuera de
la influencia de superficies reflectantes (áreas abiertas de campo, cámara
anecoica). Bajo condiciones de campo libre, la energía sonora proveniente de
fuentes puntuales (sirenas, tubos de escape) se propagan esféricamente y
disminuyen 6 dB al doblar la distancia. Las fuentes lineales, como por ejemplo
una carretera, consisten en un conjunto de fuentes puntuales. La energía
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sonora de fuentes lineales se propaga cilíndricamente, no esféricamente, y
disminuye sólo 3 dB cada vez que doblamos la distancia al foco sonoro.
Campo Reverberante
En recintos cerrados, la energía sonora disminuye según las condiciones de
campo libre sólo cerca de la fuente.
Debido a que las superficies de la
habitación reflejan el sonido, existirá pequeña reducción sonora con la
distancia (llamado campo reverberante). Cuando mayor absorción haya en la
habitación, menor será el incremento de energía en el campo reverberante.
Según se ve en el gráfico siguiente, el incremento de energía será mayor para
el CASO 2 que para el CASO 1 debido a la gran cantidad de absorción.
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EFECTO DE AÑADIR TRATAMIENTO ABSORBENTA
E UNA SALA
El colocar absorción acústica en el techo de una sala pequeña (menor de 150
m2) puede reducir los niveles del campo reverberante en 10 dB según se
muestra en la figura. Sin embargo, cerca de la fuente, la reducción será
únicamente del orden de 3 dB. Si el techo y todas las paredes son tratadas con
material absorbente, el nivel sonoro disminuirá en el campo reverberante una
cantidad adicional de 6 dB, pero los niveles cerca de la fuente no estarán
afectados. Debemos notar que no se obtiene ninguna reducción adicional al
añadir más tratamiento absorbente. En este ejemplo, la habitación estaba
rodeada de material totalmente reflectante en un principio y tenía pocos
objetos para absorber el sonido. Por tanto, una reducción de 6 dB a 8 dB en la
sala reverberante es el límite superior para espacios amueblados de
comparable tamaño.
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COEFICIENTE DE ABSORCIÓN SONORA
La efectividad de un material acústico ante la absorción viene expresado por su
c o e f i c i e n t e d e a b s o r c i ó ndenominado como α. Este coeficiente describe la
fracción de energía sonora incidente que ese material absorbe. Teóricamente,
este coeficiente puede variar desde 0 (no se absorbe nada de energía) hasta 1
(toda la energía sonora incidente es absorbida). Estos coeficientes se obtienen
mediante test en laboratorios o se estiman a partir de medidas en salas
terminadas.
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L a a b s o r c i ó n t o t a lde una habitación se puede encontrar a partir de la
expresión:
a = Σ S ii · α ii
donde:
a es la absorción total de la sala (sabins)
S ii es el área de cada superficie de la sala
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α ii
es el coeficiente de absorción de cada superficie a una
frecuencia determinada
La unidad de absorción, S a b i n m é t r i c o, representa una superficie capaz de
absorber sonido igual que una superficie de 1 m 2 perfectamente absorbente,
por ejemplo, una ventana abierta.
El coeficiente de absorción depende no solamente del material, sino también
de la frecuencia y del ángulo de incidencia.
Generalmente se presenta en tablas o en forma de gráfico. El coeficiente de
absorción que hacen referencia normalmente los catálogos comerciales es el
medido en cámaras reverberantes.
Este método está perfectamente
especificado en normas. Hay que recalcar que los niveles de coeficientes de
absorción obtenidos con diferentes técnicas, también son diferentes.
Los coeficientes de absorción de los materiales de construcción habitualmente
utilizados varían desde 0,01 hasta 0,99. Sin embargo, los tests de laboratorio
algunas veces obtienen coeficientes mayores de la unidad. Esta aparente
imposibilidad puede ocurrir debido a las peculiaridades de los métodos de
ensayo y difracción de la energía sonora.
Los materiales con coeficientes de absorción medios y altos (> 0,5) se
denominan absorbentes; cuando el coeficiente de absorción es bajo (< 0,2) se
denominan reflectantes.
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APLICACIONES DE LOS MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS
Control de Reverberación
Los materiales absorbentes sonoros pueden ser utilizados para controlar la
reverberación de forma que la palabra no sea ininteligible. Cuanto mayor sea
el volumen de la habitación, mayor será la reverberación porque las ondas
sonoras encontrarán superficies con las que chocar menos frecuentemente que
en recintos pequeños. Cada vez que doblamos la cantidad total de absorción
en una habitación, el tiempo de reverberación se reduce a la mitad.
La
absorción sonora puede hacer que el sonido parezca venir directamente de la
fuente sonora en vez de venir de cualquier lugar de la habitación. Por ejemplo,
en sitios de recreo, es importante que las instrucciones y señales de aviso sean
identificadas del lugar donde provienen.
Reducción Sonora en Salas
Cuando se utiliza correctamente, los materiales absorbentes pueden ser
efectivos controlando el ruido en el interior de la sala. Sin embargo, tiene una
limitada aplicación para el control de ruido y no es la panacea para todos los
problemas acústicos. Por ejemplo, cada vez que se dobla la cantidad de
absorción en una sala, el nivel de ruido se reduce a 3 dB.
Control de Eco
Los materiales absorbentes pueden ser utilizados para controlar ecos
(usualmente simultáneamente con el control de reverberación).
Ecos son
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reflexiones distintas de suficiente nivel sonoro para ser oídas con claridad por
encima de la reverberación general como una repetición del sonido original.
DISTRIBUCIÓN SONORA Y REDUCCIÓN DEL RUIDO EN UNA SALA
Cuando una fuente sonora omnidireccional emite en condiciones de campo
libre, el nivel de presión sonora creado varía según la L e y d e l i n v e r s o d e l o s
c u a d r a d o s.
s
Pero, si bien es cierto que esta ley es de suma importancia en la práctica, serán
muchas las ocasiones en las que la fuente sonora estará encerrada en un
recinto.
En estos casos, sabemos que podemos dividir el campo sonoro en campo
próximo, donde se debe evitar hacer medidas pues las relaciones entre presión
e intensidad no son simples, y el campo lejano que puede ser descompuesto
en campo libre (donde se cumple la ley del inverso de los cuadrados) y campo
reverberante (donde predominará la energía sonora procedente de las
múltiples reflexiones).
Matemáticamente, el nivel de presión sonora producido por una fuente sonora
omnidireccional en un recinto con coeficiente de absorción promedio α, está
dado por la ecuación:
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L
p
1
4
= Lw + 10 Log 
+ 
2
r
 4π r
donde:
Lp es el nivel de presión sonora en un punto
Lw es el nivel de potencia sonora del foco
r representa la distancia entre la fuente y el punto donde se calcula el L p
R = S· α/(1-α) siendo S la superficie total del cuarto y α el coeficiente
medio calculado como la suma de cada superficie por su coeficiente de
absorción y dividido entre la superficie total del recinto.
La permanencia de sonido en un recinto cerrado es debido a las repetidas
reflexiones del sonido con las paredes de la sala.
Este nivel de sonido
reverberante está afectado por el tamaño de la sala y la cantidad de absorción
dentro de la habitación.
La diferencia en dB en los niveles sonoros
reverberantes, o reducción sonora, bajo dos condiciones de absorción acústica
puede ser obtenido como sigue:
NR
a2
= 10 Log  
 a1 
donde:
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NR es la reducción sonora en dB
a2 es la absorción total después del tratamiento
a1 es la absorción total antes del tratamiento
La carta presentada abajo también puede ser utilizada para determinar la
reducción del nivel sonoro reverberante dentro de un recinto cerrado debido al
cambio de absorción total.
Por ejemplo, si la cantidad total de absorción en un recinto se incrementa de
700 a 2100 sabins, la reducción en el campo reverberante NR será de unos 5
dB. Ya que las eficacias de absorción varían con la frecuencia, el valor NR
puede ser calculado para todas las frecuencias para las cuales el coeficiente de
absorción es conocido.
Reducción en el nivel sonoro reverberante (dB)
R e l a c i ó n e n t r e l a a b s o r c i ó n t o t a l (22a/ a 11 )
El valor NR es la reducción en el n i v e l s o n o r o r e v e r b e r a n t .e Esto no afecta el
nivel sonoro muy cerca del foco sonoro dentro del recinto. También, según se
indicó en la carta, una reducción en el nivel reverberante de 10 dB (un
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incremento en la absorción de mayor de 10 veces el valor inicial antes del
tratamiento) es el límite superior para la mayoría de las situaciones.
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FUNDAMENTOS DEL AISLAMIENTO DEL SONIDO
Podemos demostrar de una manera sencilla los principios del aislamiento del
sonido utilizando un ejemplo con el timbre que aparece en el esquema
siguiente.
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Sin ningún tipo de aislamiento, el timbre origina 70 dB a unos metros de
distancia.
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Si bordeamos el timbre con un material de baja densidad tipo fibra de vidrio, el
ruido transmitido se reduce en 3 dB. Los absorbentes porosos son unos
aislantes muy pobres pues las moléculas de aire pueden pasar a través de él.
Por sí solos, actúan como esponjas: absorben el sonido pero no evitan su
transmisión.
Cuando encapsulamos el timbre con un contrachapado de madera de un cierto
espesor con un sellado adecuado de los bordes, el ruido se reduce en 28 dB,
de 78 dB en el interior (donde existe un incremento de 8 dB debido a las
reflexiones del sonido con las paredes) a 50 dB en el exterior del
encapsulamiento. Este es un cambio tremendo en el nivel sonoro.
Este
encapsulamiento a base de contrachapado de madera es un aislante eficaz
porque es sólido, tiene suficiente masa y presenta los bordes sellados
adecuadamente. El sellado de juntas es esencial porque incluso una pequeña
abertura puede incrementar de forma notoria el sonido transmitido.
Si, además, en el interior de encapsulamiento colocamos un material
absorbente como el primero (fibra de vidrio), el ruido se reduce en 29 dB. Sin
embargo el ruido en el exterior es de 43 dB porque el material absorbente
colocado en el interior del encapsulamiento evita reflexiones en el interior y
por tanto reduce el nivel interior en 6 dB respecto a la situación anterior.
Vibración de Elementos Constructivos
Cuando una onda sonora choca contra un elemento constructivo, tal como una
pared, techo o suelo, produce un movimiento de vaivén. La magnitud de este
movimiento o vibración depende del peso (masa) del elemento: cuanto mayor
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sea la masa mayor será la resistencia al movimiento y menor será la energía
sonora transmitida.
Además del peso, existen otros factores que afectan al movimiento de la
pared. Por ejemplo, pueden aparecer ciertas frecuencias naturales (también
llamadas “ f r e c u e n c i a s f a v o r i t a s”) para las ondas de flexión dependiendo de la
rigidez de la construcción.
Las ondas de flexión son similares al movimiento ondulatorio en una cuerda
cuando es agitada por un extremo.
Cuando estas ondas son excitadas por la energía sonora que incide en la
pared, la resistencia a la transmisión se reduce de forma muy importante,
fenómeno denominado e f e c t o d e c o i n c i d e n c i a.
Efectos de la rigidez en la pérdida por transmisión
La rigidez del elemento constructivo influye de una manera importante, al igual
que la masa, en su comportamiento ante la onda sonora. Por ejemplo, si
presentamos en el gráfico la pérdida por transmisión de dos elementos de
igual masa, según la ley de masa, la curva del aislamiento por transmisión
debiera ser idéntica. Sin embargo, el elemento con las ranuras, que posee
menos rigidez, tiene un aislamiento mucho mayor, especialmente en medias y
altas frecuencias.
Según se observa en este gráfico, el efecto de coincidencia puede causar
disminuciones mayores de 15 dB en materiales rígidos causado por la
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alteración de las ondas de flexión que han sido excitadas por la energía
sonora.
Pérdida por transmisión de dos elementos con igual masa pero diferente
rigidez.
INDICE DE REDUCCIÓN SONORA DE UN ELEMENTO CONSTRUCTIVO
El aislamiento sonoro aéreo proporcionado por una pared se expresa en
términos del I n d i c e d e R e d u c c i ó n S o n o r a R
o también designado como Pérdida
p o r T r a n s m i s i ó n T L(transmisión loss) que es la relación en dB de la potencia
sonora incidente en la pared y la potencia sonora transmitida a través de la
pared.
El índice de reducción sonora depende de la frecuencia y del ángulo de
incidencia del sonido emitido. Este índice se utiliza en medidas de laboratorio.
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R=10 log Wi/Wt
W i:
i Potencia Incidente sobre la pared.
W t : Potencia Transmitida a través de la pared.
τ = Wt/Wi es el coeficiente de transmisión.
Los materiales, según su comportamiento ante las ondas sonoras pueden
clasificarse en materiales rígidos y materiales flexibles.
Son materiales rígidos aquellos de densidad superior a la unidad,
impermeables al aire, normalmente homogéneos como el acero, plomo,
contrachapado, pared de obra de fábrica, de hormigón, etc.
Son materiales flexibles, porosos, absorbentes, aquellos de poca densidad
tales como paneles de fibra de vidrio, de roca, corcho, plásticos expandidos,
etc.
Los materiales rígidos siguen la ley teórica en cuanto a su comportamiento
aislante al sonido incidente, conocida por Ley de Masas.
El enunciado de la L e y d e M a s a s es:
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TL=20·log (M·f)- 42
Como conclusiones del análisis de esta ley podemos decir:
•
Al aumentar al doble la frecuencia de excitación del paramento se aumenta
en 6 dB el aislamiento.
•
Al aumentar al doble la masa superficial del paramento se aumenta en 6 dB
el aislamiento.
•
Esta ley se cumple sólo en un margen de frecuencias distinto para cada
material, y conocido como zona de masa controlada.
Pero, la determinación del aislamiento real de una partición es un factor mucho
más complejo que lo hasta aquí definido, y viene gobernado por una serie de
parámetros que actúan con base y magnitud diferente, función de multitud de
factores.
Los parámetros que mayor influencia tienen en el aislamiento de una partición
son la Masa, la Rigidez, las Resonancias, los efectos de Coincidencia y la
E s t a n q u e i d a d.
d
Para una pared sólida homogénea, la curva del índice de reducción sonora es
función de la frecuencia y se puede dividir en varias zonas según qué
propiedad de la pared tiene más influencia sobre la reducción sonora.
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La representación gráfica real de la Ley de Masas es algo semejante a lo que se
indica en la figura siguiente
El ancho de banda de respuesta de aislamiento según la Ley de Masas para una
partición se puede dividir en tres zonas más o menos rígidas en cuanto a su
separación e interpretación:
ZONA I:
El aislamiento es controlado por la rigidez de la partición y por
las resonancias de éstas.
ZONA II:
El aislamiento es controlado por la Ley de Masas. Esta zona está
comprendida entre las más altas frecuencias de resonancias del
panel y la frecuencia mitad de la frecuencia crítica del mismo
aproximadamente.
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ZONA III:
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El aislamiento está muy influenciado por el amortiguamiento
interno de la partición.
Paredes dobles
Una pared doble está constituida por dos paredes simples separadas por un
espacio relleno o no de un material absorbente.
El fenómeno de transmisión a través de esta estructura ocurre de la siguiente
manera:
Cuando un sonido incidente es paralelo a la pared sobre la que incide, el panel
se excitará con un movimiento idéntico de conjunto. Si el frente de ondas es
oblicuo, el panel es el centro de ondas de flexión. Esta pared transmite al aire
situado detrás una agitación periódica que ataca al segundo panel.
Este
segundo panel es también el centro de las ondas de flexión y transmite un
sonido al aire del medio receptor.
Si la frecuencia del sonido incidente con la frecuencia crítica de uno de los
paneles, éste resulta fuertemente agitado y la pared doble presenta un defecto
importante de aislamiento para esta frecuencia.
Si los dos paneles tienen frecuencias críticas diferentes, la curva da un TL de
debilitamiento en función de la frecuencia, presentando dos defectos; estos
defectos son menos importantes que en una pared simple ya que si un panel
no aisla, el otro sí aisla.
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Si los dos paneles poseen la misma frecuencia crítica, vibran al unísono y se
reproduce la resonancia acusándose mucho el defecto de aislamiento.
Por tanto, para conseguir un buen aislamiento acústico, será necesario utilizar
siempre dos materiales de masa y de rigidez diferentes, de tal forma que los
dos paneles tengan diferente frecuencia crítica.
El espacio vacío comprendido entre las dos paredes asegura una ligazón
elástica entre ellas, la cual será tanto más pequeña cuanto mayor es la
distancia entre éstas. Este sistema de pared doble tiene su analogía mecánica
en un sistema compuesto por dos masas unidas por un resorte.
Este sistema masas-muelle posee una frecuencia de resonancia función de las
masas, de la constante del resorte y de la distancia de separación entre ambas
paredes, fundamentalmente.
Si el espacio entre ambas paredes está o no relleno de material absorbente va
a influir fundamentalmente en la constante característica del hipotético muelle.
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La frecuencia de resonancia de la pared doble, para cámaras de aire vacías, es
decir, sin material absorbente viene dada por la expresión:
fo
=
840·
1  1
1 
· +

d  m1 m2 
donde d es la distancia entre paneles en cm. y
m1 y m2 es la masa superficial de cada uno de ellos en kg/m².
Cuando la cámara de aire está rellena de material absorbente la frecuencia de
resonancia del sistema puede estimarse aproximadamente en 0,85 f0 (según
Beraneck).
El comportamiento al aislamiento acústico de una pared doble es similar a la
respuesta de un sistema masa-resorte al ser excitado.
Para frecuencias inferiores a la frecuencia de resonancia de la pared doble f o, el
resorte prácticamente no tiene eficacia y ocurre todo como si hubiese una
ligazón rígida entre dos paneles, esto es, el aislamiento del conjunto es similar
al de una pared simple de masa suma de las dos masas de las paredes
simples.
Para una frecuencia de excitación igual a la frecuencia de la pared doble, el
aislamiento del conjunto es muy inferior al de una pared simple de la masa
suma de ambas paredes.
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Si la cavidad entre ambas paredes está rellena de material absorbente, la
desviación del aislamiento en esta zona es inferior, es decir, el defecto de
aislamiento en la zona de resonancia es muy reducido.
A partir de la frecuencia de resonancia el aislamiento de la pared doble
empieza a aumentar con una pendiente mayor que la de la pared simple a
razón de 12 dB/octava.
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La representación gráfica de lo expuesto se da en la figura siguiente.
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REFERENCIAS
[1]
M. David Egan: “Architectural Acoustics”. McGraw-Hill Book Company.
[2]
Pedro Flores Pereita: “Acústica Ruidos y Vibraciones”. Ediciones GYC.
[3]
Leo L. Beraneck: “Noise & Vibration Control”. Ed. McGraw Hill. 1988.
[4]
M. Recuero: “Ingeniería Acústica”. E.U.I.T. Telecomunicación. Madrid.
1990.
[5]
Lord, Gatley y Evensen. Noise Control for Engineers. Ed. Krieger. 1980.
[6]
Brüel & Kjaer: “Noise Control. Principles and Practice”.
[7]
Ford & Lord: “Problems of partition design”. J.A.S.A., 43. 1968, pp.
1.062-1.068.
[8]
Cyril M. Harris: “Handbook of noise and vibration control”. McGraw-Hill
Book Company.
[9]
A. Bakke: “Calculation method for the transmission loss of single double
and triple partitions”.
[10]
J.E. Moore: “Design for Good Acoustics and Noise Control”. Macmillan
Education LTD-1988.
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CRITERIOS ACUSTICOS EN EL DISEÑO DE CENTROS DOCENTES

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