CAPÍTULO 3: NORMATIVA DE APLICACIÓN PARA LAS MEDIDAS
3.1.- INTRODUCCIÓN
En este capítulo se pretende hacer un repaso de las normas necesarias para llevar a cabo las medidas que se han realizado en el presente proyecto.
Para cada una de ellas se destacarán, fundamentalmente, los elementos que son necesarios cumplir para poder afirmar que el cálculo de la potencia se ha llevado a cabo según la norma en cuestión, centrándonos siempre en las opciones que nosotros hemos escogido de entre las que la norma propone.
En primer lugar se comentará la norma ISO-3744, que describe un procedimiento para el cálculo de la potencia acústica mediante medidas de presión, del cual se obtiene un valor con grado de precisión 2 o grado de ingeniería.
Por último se comentará la norma ISO-9614 en la que se describe un método para el cálculo de la potencia acústica a partir de medidas de intensidad. Esta norma es la que más nos interesa, puesto que es la que implica la utilización del equipo bajo estudio en este proyecto: una sonda de intensimetría acústica. En ella se definen una serie de parámetros y unas condiciones para esos parámetros que nos determinan el grado de precisión de las medidas.
La citada norma tiene dos partes, según el método que se utilice para recorrer las superficies de medida. Se comentará la segunda parte que es la que nosotros hemos utilizado, y en la que se expone el método de medición por barrido.
Junto a la ISO-9614 se hará referencia también a la UNE-61043, en la que se describe el procedimiento para determinar algunos de los parámetros relacionados en la primera.
3.2.- CÁLCULO DE POTENCIA ACÚSTICA MEDIANTE MEDIDAS DE PRESIÓN. GRADO DE INGENIERÍA. NORMA ISO-3744.
Para la determinación de la potencia acústica de una fuente de ruido, existen varios procedimientos dependiendo del grado de precisión deseado y del entorno acústico que tengamos. Nosotros nos quedaremos con el grado de ingeniería o grado 2, aunque existen 3 grados de precisión que se muestran a continuación, junto con la norma que describe el procedimiento a seguir para cada uno de ellos, y la precisión que aseguran.
Grado 1 (Precisión) Grado 2 (Ingeniería) Grado 3 (Control)
Norma ISO-3745 ISO-3744 ISO-3746
Precisión σR≤1dB σR≤1,5dB σR≤3dB (si k2≤5dB)
σR≤4dB
(si 5dB≤k2≤7dB)
Donde:
σR= desviación típica de la reproducibilidad.
k2= coeficiente de corrección por entorno acústico.
Para el cálculo de potencia acústica mediante medidas de presión, se necesita un equipo de medida de presión acústica (sonómetro). La norma que estamos comentando, describe un método para la determinación de la potencia acústica que asegura un grado 2 de precisión (grado de ingeniería), como ya se ha comentado. Esto quiere decir que obtendremos el valor real del nivel de potencia acústica, con un grado de precisión de ± 1,5 dB.
Para conseguir esto la norma enumera una serie de restricciones en distintos parámetros que se muestran en la figura 3.2, incluida más abajo.
Los criterios más claramente restringidos son: el del entorno de ensayo, para el cual se impone un valor máximo de 2 dB en el parámetro que determina la corrección por entorno, según se define en esta misma norma; el del ruido de fondo, en el que se limita la diferencia entre el nivel de ruido con la fuente en funcionamiento y el nivel de ruido de fondo, a un mínimo de 6 dB; y el número de puntos de medida, que no debe ser, salvo circunstancias detalladas en la misma norma, menor de 9.
Fig. 3.1
Tal y como ya se ha dicho, siempre que se cumplan estas premisas, el grado de precisión será el grado de ingeniería, y el valor de potencia obtenido estará en un intervalo de ± 1,5 dB respecto del valor real.
Para llevar a cabo las medidas, es necesario definir primero una superficie de referencia que debe incluir a la fuente, excluyendo aquellos elementos protuberantes que no sean radiadores eficaces de energía acústica.
Las distintas posiciones de los micrófonos se reparten en la superficie de medida, una superficie que envuelve tanto a la fuente como a la superficie de referencia.
Para la superficie de medida debe usarse una de las siguientes opciones:
- Una superficie semiesférica, o una parte de ella, de radio r;
- Un paralelepípedo rectangular paralelo a la superficie de referencia.
Fig. 3.2
Nosotros hemos escogido una superficie de medida paralelepipédica, por ser más fácil de construir unos elementos que nos la delimiten. Nuestra superficie de medida es, concretamente, un cubo de 0,6 m de lado.
El número de segmentos en que se divide la superficie debe ser mínimo, siendo cada uno de estos elementos de igual área, con una longitud máxima de lado de 3d; siendo d la distancia de medida, es decir, la distancia entre la superficie de referencia y la superficie de medida. Dicha distancia es para nosotros 18,5 cm, con lo cual, teniendo en cuenta lo mencionado antes, no es necesario dividir cada una de las caras de nuestro cubo, lo que implica que disponemos de 5 segmentos iguales para llevar a cabo los ensayos de medida de presión.
Para la determinación de las posiciones de los micrófonos, en el anexo C de la presente norma se dice: <<Las posiciones del micrófono estarán en el centro y en las esquinas de cada área parcial (salvo en los puntos de intersección con el/los plano/s reflectante/s)>>, por lo que nuestras posiciones de micrófono quedarán en cada cara como se ve en la figura de la izquierda.
Fig. 3.3
Fig. 3.4
Los puntos negros son cada una de las posiciones donde se realizarán las medidas con el sonómetro, y la zona rayada representa la superficie reflectante, que en nuestro caso es el suelo de la habitación donde se llevan a cabo los ensayos.
Respecto al período de observación durante el cual se determina el nivel de presión de nuestra fuente, en la norma se especifica que para bandas de frecuencia centradas en, o por debajo de 160Hz, el período de observación debe ser de, al menos 30s; y para bandas de frecuencia centradas en, o por encima de 200Hz, el período de observación debe ser de, al menos, 10s.
Nosotros hemos cogido por defecto 30s, cumpliendo así el criterio que se especifica sin tener que detenernos en determinar si bastaría, en nuestro caso, con un tiempo inferior.
Definidos ya estos parámetros, sólo resta llevar a cabo las medidas del nivel de presión en cada uno de los puntos, y proceder a determinar el nivel de potencia según las ecuaciones:
⋅
′ =
∑
=
⋅ ′ N
i
L PA
PAi
L N
1 1 ,
100
log 1 10
L′PA: es el nivel de presión acústica promediado sobre la superficie de medida, en dB, con la fuente bajo ensayo funcionando.
L′PAi: es el nivel de presión acústica medido en la posición i-ésima del micrófono, en dB.
⋅
′′ =
∑
=
⋅ ′′
N
i
L PA
PAi
L N
1 1 ,
100
log 1 10
L ′′PA: es el nivel de presión acústica del ruido de fondo promediado sobre la superficie de medida, en dB.
L ′′PAi: es el nivel de presión acústica del ruido de fondo medida en la posición i-ésima del micrófono, en dB.
N: es el número de posiciones del micrófono.
Una vez realizadas las medidas de los niveles de presión, sólo resta calcular, e introducir, las correcciones necesarias para contrarrestar los efectos del ruido de fondo y del entorno acústico.
La corrección para el ruido de fondo se lleva a cabo mediante la determinación del factor k1, que viene dado por la siguiente expresión:
(
LA)
k1A=−10⋅log1−10−0,1∆ , donde ∆LA =LPA′ −LPA′′ .
La norma que estamos describiendo, impone unos límites superior e inferior para el ruido de fondo. Si éste es superado en 15 decibelios por el nivel que se genera con la fuente en funcionamiento, no es necesario llevar a cabo ningún tipo de corrección. Si el nivel del ruido de fondo se encuentra a menos de 6 dB del nivel con la fuente en marcha, se verá reducida la precisión de los resultados, y será necesario indicar claramente que los resultados no cumplen los requisitos de la norma internacional que se está comentando aquí. En los casos en que la diferencia entre ambos niveles, se encuentre entre los dos valores comentados, tendremos que calcular el coeficiente para la corrección por ruido de fondo (k1).
La corrección por entorno acústico es muy parecida a la anterior;
también se basa en el cálculo de un factor, en este caso k2, que viene a corregir los errores que se puedan dar por realizar los ensayos en un entorno con muchas reflexiones.
La superficie de medida en un entorno de ensayo dado se considera satisfactoria, para medidas de acuerdo con la Norma Internacional ISO 3744, sólo si la corrección por entorno acústico de ensayo k2 es numéricamente igual o menor que 2dB. Si k2 excede 2dB, se debe repetir el procedimiento utilizando, o una superficie de medida menor, o un entorno acústico mejor.
Para el cálculo del citado índice nosotros hemos usado el método del tiempo de reverberación, en el cual se calcula este parámetro en el entorno donde se van a realizar las medidas. Esto se hace con el programa dBBATI, usando una fuente dodecaédrica y un micrófono para captar el sonido emitido que en un momento dado se corta, para permitirnos medir el tiempo que tarda el sonido en apagarse completamente, lo que constituye el tiempo de reverberación del entorno.
Una vez calculado el tiempo de reverberación de la sala, se calcula el área de absorción equivalente de la cámara a partir de la fórmula de Sabine:
= T A 0,16 V
donde
V: es el volumen de la cámara de ensayo en metros cúbicos;
T: es el tiempo de reverberación de la cámara, en segundos, para ponderación A o bandas de frecuencia.
Respecto al tiempo de reverberación, en nuestro caso es claro que vamos a usar medidas con ponderación A: las que nos da el sonómetro al medir. Por eso, y tal como se explica en la norma, usaremos el tiempo de reverberación correspondiente a la banda de frecuencias centrada en un 1kHz.
Sería posible también llevar a cabo los cálculos en bandas de octava o tercios de octava, para lo cual deberíamos usar un valor del tiempo de reverberación para cada banda tal y como nos lo ofrece el programa dBBATI.
Ahora ya podemos calcular el coeficiente de corrección por entorno acústico mediante la expresión:
A dB
k A S
+
⋅
=10 log 1
2
donde
S: es el área de la superficie de medida.
Una vez calculados los dos coeficientes de corrección, se calcula el nivel de presión acústica superficial, que no es más que el nivel medido con la fuente en funcionamiento, pero aplicando las dos correcciones que se han descrito arriba.
A A PA
PFA L k k
L = ′ − 1 − 2
Finalmente, se calcula el nivel de potencia acústica de nuestra fuente con la expresión:
S dB L S
L
o PFA
WA
⋅ +
= 10 log
donde
So: es la superficie de referencia que tiene un valor de 1m2.
3.3.- CÁLCULO DE POTENCIA ACÚSTICA MEDIANTE MEDIDAS DE INTENSIDAD. NORMA ISO-9614-2.
Existen dos métodos para el cálculo de la potencia acústica a través de la intensidad, dependiendo de la técnica que se use para las medidas.
Nosotros hemos usado la “técnica de barrido”, que se describe en la 2ª parte de la norma ISO-9614. Más adelante, en este apartado, se discutirá en que consiste esta técnica.
La señal emitida por la fuente bajo estudio, debe ser constante en el tiempo, lo cual en nuestro caso ocurre en todo momento.
La incertidumbre de la potencia acústica calculada según este método, para el grado de ingeniería, es 1,5dB para valores con la ponderación A.
Las superficies de referencia y de medida se definen aquí igual que en la norma ISO-3744, por lo que no se volverá a comentar ni las opciones válidas, ni la opción que en este proyecto se ha escogido.
Para la realización de las medidas, se mueve la sonda de intensidad continuamente a lo largo de trayectorias definidas (barrido), sobre cada segmento de la superficie de medida seleccionada. Se regula el instrumento de medida, para obtener la media temporal de la intensidad acústica y de la presión acústica, sobre la duración total T de un barrido sobre un segmento. Se efectúa la operación de barrido de manera que la trayectoria especificada de barrido sea seguida con precisión, que el eje de la sonda se mantenga perpendicular a la superficie de medida en todo momento, y que la velocidad de movimiento de la sonda sea uniforme. En el caso de barrido mecánico, es técnicamente posible satisfacer estas condiciones sobre cualquier forma de la superficie de medida.
En el caso de barrido manual, es virtualmente imposible satisfacer estas condiciones sobre superficies de medida irregulares o de doble curvatura. En consecuencia, son preferibles las superficies regulares y simples. El elemento básico de un barrido es una única línea recta. La trayectoria de barrido debe ser tal que proporcione una cobertura uniforme de cada segmento a una velocidad uniforme. El ejemplo citado en la norma, que se ha seguido también en la realización de los ensayos del presente proyecto, es el que se ve en la siguiente figura:
La distancia media entre líneas adyacentes debe ser igual y, sobre la superficie de medida inicial, no debe exceder de la distancia media del segmento a la superficie de la fuente. Además, para la realización manual, la velocidad de barrido debe estar en el intervalo comprendido entre 0,1 y 0,5m/s;
y la duración del barrido no debe ser inferior a 20s.
Es importante que durante el barrido manual, el operador no permanezca enfrente del segmento que está siendo barrido, sino a un lado de forma que su cuerpo no interfiera con la radiación del sonido desde la fuente.
Como es lógico no se puede pedir que estas condiciones se cumplan estrictamente, puesto que las medidas se deben realizar de forma manual; no obstante, el que la norma haga mención de estas condiciones en estos términos, nos debe hacer ver que realmente es importante cumplir con las especificaciones citadas, por lo que se debe tener sumo cuidado al realizar las medidas de forma manual.
La superficie de medida debe dividirse en al menos cuatro segmentos.
En los casos donde la fuente bajo ensayo tome la forma de superficies vibrantes extendidas, planas o curvas, la distancia media entre un segmento y la superficie de la fuente no debe ser inferior a 200mm. En los casos en los que la fuente sea más bien pequeña y compacta en su forma, esta distancia puede ser reducida a 100mm.
Para obtener el grado de precisión deseado, existen unos criterios que se deben cumplir sobre los llamados indicadores de campo. Para nosotros ese grado de precisión es el grado de ingeniería o grado 2, por lo que se deben cumplir los 3 criterios existentes:
Fig. 3.5
pl
D F
L > Criterio 1 dB
F+/− ≤3 Criterio 2 s
L Lw(1)− w(2)|≤
| Criterio 3
• Veamos como se interpreta el primer criterio:
LD: Índice de capacidad dinámica.
K LD =δplo −
El valor de K para el grado de precisión 2 es de 10, según se señala en la norma que estamos describiendo.
δplo: Índice de presión/intensidad residual
)
0 ( p I
pl = L −L
δ Se define este índice, según la norma ISO-9614, como la diferencia entre los valores de Lp y LI cuando la sonda se coloca de forma que la intensidad acústica sea 0, cosa que ocurre al colocar la sonda de forma que ambos micrófonos estén a la misma distancia de la fuente. De esta manera la presión a que sometemos cada uno de ellos será la misma y, puesto que la intensidad se mide en este tipo de equipos a partir de esta diferencia de presiones, entonces la intensidad que la sonda debe indicar, al menos teóricamente, es cero. Si la intensidad es cero, el valor del índice debe coincidir con el valor de presión medido en ese punto, pero esto no será así puesto que existen errores de fase en los micrófonos y errores debidos al cableado de los mismos, que influyen en que exista una intensidad residual que es la que se refleja en este índice que, por tanto, nos convendrá más cuanto mayor valor tenga. En la tabla 2 de la norma UNE-61043, se muestran los valores mínimos del índice de presión-intensidad residual en tercios de octava, valores que usaremos nosotros como propios para nuestra sonda, puesto que cumple escrupulosamente la citada norma según el fabricante.
Fpl: Indicador de presión-intensidad en la superficie.
[ ]
dBS L S
L
Fpl p w
+
−
=
0
lg 10
[Lp] es el nivel de presión acústica promediado en la superficie, es decir, lo que hemos llamado L′PA, y el resto equivale a la intensidad promediada en la superficie, por lo que podemos definir este parámetro como la diferencia entre el nivel de presión y el de intensidad medidos por nuestro equipo.
Teniendo en cuenta todo lo expuesto hasta ahora, podemos reescribir la expresión para el primer criterio como:
I p sid
I
p L L L
L − )−10> −
( Re .
Debemos comprobar, por tanto, que el nivel de intensidad medido, supera en más de 10 unidades el valor del nivel de intensidad residual. Con esto se puede descartar en nuestros resultados la influencia de la intensidad residual. La comprobación debe hacerse en bandas o tercios de octava, puesto que los valores del índice vienen en tercios de octava en la tabla 2 que se incluye a continuación como figura 3.6.
En nuestro caso, debemos escoger los valores para una sonda de clase 1, según nos aconseja el fabricante. Hay que comprobar banda por banda que se cumple el criterio 1, restándole 10 al índice correspondiente a cada una y
Fig. 3.6
comparándolo con el valor de Fpl. Debemos tener presente que los valores de los índices mostrados en la tabla, son los indicados para instrumentos con una separación entre micrófonos de 25 mm, y que para otra separación distinta, hay que tener en cuenta lo que aparece al pie de la figura 3.6. Puesto que el programa nos permite mostrar en pantalla el parámetro Fpl en cada banda de tercio de octava, sólo hay que cuidar que este valor no pase del límite obtenido al restar 10 unidades al valor del índice de presión-intensidad para esa banda.
• Veamos ahora el segundo criterio:
F+/-: Indicador de potencia parcial negativa. Debemos evaluar también este indicador para todas las bandas de frecuencia de medida, e introducir los valores en la fórmula que se detalla a continuación.
P dB F P
i i
Σ
= Σ
− +
| lg |
/ 10 Donde Pi es la potencia acústica para un segmento de la superficie de medida.
Como se puede ver en la expresión anterior, estamos midiendo aquí como de importante es la potencia negativa, es decir, la energía del sonido que entra al volumen delimitado por la superficie de medida. De esta forma, si existen una cantidad de reflexiones tan elevada que pueda poner en tela de juicio la precisión de nuestro ensayo, al hacerse más pequeño el denominador del argumento del logaritmo, el indicador será mayor, sobrepasando para esa banda el valor de 3 especificado como máximo en el criterio 2, y tendremos que tomar alguna de las medidas que se exponen en la tabla B de la norma ISO- 9614 y que se incluye a continuación como figura 3.7, para conseguir el grado de precisión deseado.
• Por último vamos a considerar el significado del criterio 3.
Este criterio hace referencia a la repetibilidad del cálculo de potencia.
Para demostrar esta repetibilidad, se realizan dos barridos en cada uno de los segmentos de la superficie de medida y se registran, para cada banda, los valores de los niveles de potencia acústica parcial. Los dos barridos deben ser ortogonales siempre que sea posible, es decir, se hace un barrido y para llevar a cabo el segundo, se hace un giro de 90º en la trayectoria seguida. Una vez obtenidos, estos valores de nivel de potencia de cada segmento se introducen en la ecuación vista arriba, de manera que cada par de ellos deben cumplir el criterio señalado.
Si, en cualquier banda de frecuencia, se estima que la suma de las potencias acústicas parciales que pasan a través de los segmentos sobre los que no se satisface el criterio 3, es inferior en más de 10 dB a la potencia acústica de la fuente determinada a partir de las potencias parciales restantes que atraviesan los segmentos para los cuales se satisface el criterio 3, puede hacerse una determinación de la potencia acústica de la fuente de acuerdo con esta parte de la Norma ISO 9614.
Fig. 3.7
