Control de ruido
Emilio Castejón Vilella
Los textos e imágenes publicados en esta obra están sujetos –excepto que se indique lo contrario– a una licencia de
Índice
Introducción... 5
Objetivos... 7
1. Fuentes de ruido: características... 9
2. Propagación del ruido... 14
3. Estrategias de actuación para el control de ruido... 18
4. Actuaciones sobre las fuentes de ruido... 21
5. Acondicionamiento acústico de locales... 26
5.1. Absorción acústica de un material ... 26
5.2. Características absorbentes de un local ... 31
5.3. Nivel sonoro en un local ... 34
6. Transmisión del ruido... 40
6.1. Aislamiento de una pared simple ... 40
6.2. Paredes dobles ... 45
6.3. Paredes compuestas ... 45
6.4. Aislamiento entre locales ... 46
6.5. Cabinas acústicas ... 47
7. Pantallas acústicas... 51
Ejercicios de autoevaluación... 55
Solucionario... 58
Introducción
El artículo 4.1 del Real Decreto 286/2006 de 10 de marzo sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición al ruido, dispone que:
“Los riesgos derivados de la exposición al ruido deberán eliminarse en su origen o redu-cirse al nivel más bajo posible, teniendo en cuenta los avances técnicos y la disponibili-dad de medidas de control del riesgo en su origen”.
Artículo 4.1 del Real Decreto
Por lo tanto debe tenerse en cuenta que, como recuerda la guía técnica edita-da por el Instituto Nacional de Seguriedita-dad e Higiene en el Trabajo sobre dicho real decreto, las obligaciones establecidas en el mismo “no se limitan al cum-plimiento de los valores límite y valores de exposición que dan lugar a una acción”, sino que además debe previamente eliminarse el riesgo o reducirlo al nivel más bajo posible, un nivel que en todo caso deberá respetar los límites establecidos en el real decreto.
La reducción del riesgo deberá basarse en los principios generales de preven-ción que establece el artículo 15 de la Ley de Prevenpreven-ción de Riesgos Laborales y considerar especialmente los métodos de trabajo, la elección de equipos poco ruidosos, el mantenimiento adecuado de los mismos, la reducción de técnica del ruido, la concepción y disposición de los lugares de trabajo, la información y formación a los trabajadores, y la reducción del ruido mediante actuaciones en la organización del trabajo, en particular mediante reducciones en el tiem-po de extiem-posición.
En el presente módulo nos centraremos en las técnicas de reducción de la ex-posición al ruido orientadas a la actuación sobre la fuente de ruido y en la actuación sobre la propagación de este, de manera que llegue a la persona que trabaja lo más “debilitado” posible. Ello exige que dediquemos nuestra aten-ción, por un lado, a las fuentes de ruido, sus características y las posibilidades de minimizar sus emisiones y, por otro, a las posibles actuaciones en el proceso de propagación del ruido en su camino desde la fuente hacia el individuo, lo cual exigirá realizar actuaciones sobre el local en el que tiene lugar la propa-gación del ruido.
El control del ruido es un tema complejo, que requiere dominar la ingeniería acústica; por ello, un conocimiento profundo del tema cae fuera del campo de la higiene industrial. Sin embargo, los higienistas industriales necesitan tener unos conocimientos mínimos del tema a fin de estar capacitados para efectuar
Lectura recomendada Véase el documento siguien-te:
Objetivos
Con el estudio de este módulo se persiguen los objetivos siguientes:
1. Conocer los principios básicos de control del ruido.
2. Conocer las técnicas fundamentales de reducción del ruido.
3. Ser capaz de efectuar cálculos sencillos sobre la efectividad de las
1. Fuentes de ruido: características
La principal característica de una fuente de ruido es su
potencia�acús-tica, que es la energía emitida por unidad de tiempo, que se expresa
en vatios.
Para la mayoría de las aplicaciones de interés en higiene industrial, el vatio (W) es una unidad demasiado grande para medir la potencia acústica, por lo que esta se mide en decibelios�(dB) y en ese caso se habla del nivel�de�potencia (como siempre que una magnitud se mide en decibelios). El nivel de potencia acústica Lw se define como:
(1)
donde W es la potencia de la fuente en vatios y W0 es la
potencia�de�referen-cia, que por convención vale 10–12 vatios.
En la tabla 1 se dan algunos ejemplos de fuentes sonoras, el orden de magnitud de sus potencias acústicas habituales y su equivalencia en niveles de potencia.
Tabla 1. Valores típicos de potencia y nivel de potencia de fuentes sonoras comunes
Tipo�de�fuente Potencia�típica�(vatios) Nivel�de�potencia�(dB)
Voz humana en conversación
normal 10
–5 70
Voz humana gritando 10–3 90
Equipo de música doméstico a
pleno volumen 10
–2 100
Claxon de un camión 10–1 110
Motor de avión 1 120
Tubo de órgano a máximo
ni-vel 10 130
Avión cuatrimotor 100 140
Cohete espacial Saturno 30.000.000 195
Ejemplo
Cuando se pretende reducir el ruido, conocer la potencia acústica de una fuen-te es necesario, pero insuficienfuen-te; hace falta saber, además, cómo se distribuye dicha potencia entre las distintas bandas de frecuencia, para lo cual suelen emplearse las bandas�de�octava.
Dicha distribución es lo que se denomina espectro�de�frecuencias; a partir de este es posible determinar la potencia acústica de la fuente mediante las técnicas habituales de suma�de�decibelios. En la figura 1 se muestra un ejem-plo de espectro de potencia de una fuente sonora y el valor de su potencia acústica global.
Figura 1. Espectro de potencia de una fuente sonora con indicación de su nivel global de potencia (Lw)
Otro aspecto importante relativo al comportamiento de las fuentes sonoras es su directividad. En general las fuentes sonoras no emiten la energía sonora por igual en todas las direcciones del espacio, es decir, son direccionales.
La magnitud de la energía sonora emitida en una cierta dirección se llama intensidad�acústica, que se define como la cantidad de energía que atraviesa, por unidad de tiempo, una unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación del sonido.
La intensidad acústica se mide en vatios/m2 (W/m2).
Octava
Una octava es un intervalo de frecuencias tal que el extremo superior vale el doble que el inferior. Así, una octava va de 1.000 a 2.000 Hz, por ejem-plo. La frecuencia�central de la octava vale por definición la media geométrica de sus ex-tremos; en el ejemplo anterior la frecuencia central sería:
En algunos casos las fuentes sonoras se construyen de forma que la energía sonora emitida sea distribuida preferentemente en ciertas direcciones: es, por ejemplo, el caso de la mayoría de los altavoces, diseñados para emitir el sonido “hacia delante”. En la figura 2 se muestra la distribución espacial de la inten-sidad acústica de un altavoz, donde se ve que la energía se dirige preferente-mente hacia la parte delantera del mismo.
Figura 2. Distribución espacial de la intensidad acústica de un altavoz en el plano x-y.
La magnitud de la intensidad acústica en cada dirección viene dada por la distancia entre el origen y la curva gruesa
Si una fuente de potencia sonora W emite la misma intensidad sonora en todas las direcciones del espacio (fuente�isótropa), la intensidad acústica media (Im)
a una distancia r de la fuente valdrá:
(2)
donde 4πr2 es la superficie de la esfera de radio r centrada en la fuente. La directividad de una fuente de potencia acústica W en una determinada dirección θ a una distancia r se cuantifica mediante el llamado coeficiente o factor de directividad, Qθ,r, que se define como:
(3)
donde Iθ es la intensidad acústica a la distancia r en la dirección θ y Im es la
Puesto que en una fuente isótropa Iθ vale lo mismo para cualquier ángulo, para
cualquier distancia será Iθ = Im y por tanto, Q = 1:
el coeficiente de directividad de una fuente isótropa (que emite por igual en todas direcciones) vale la unidad.
Supongamos ahora una fuente isótropa colocada sobre el suelo (figura 3). Co-mo toda su potencia sonora será emitida hacia arriba, a una distancia r la in-tensidad acústica valdrá en cualquier dirección:
(4)
donde 2πr2 es la superficie de la semiesfera de radio r centrada en la fuente.
Figura 3. Emisión sonora de una fuente isótropa colocada sobre el suelo
Combinando las expresiones (2) y (3) obtenemos el valor del coeficiente de directividad:
(5)
Figura 4. Emisión sonora de una fuente isótropa colocada sobre el suelo y en un rincón
2. Propagación del ruido
Cuando decimos que una fuente sonora “emite ruido”, queremos decir que al-gunas partes de dicha fuente vibran, lo que induce la vibración del aire inme-diatamente en contacto con ellas. Al ser el aire un medio elástico, la vibración se transmite a las moléculas vecinas de manera que la energía que hace vibrar la fuente acaba “viajando” por el local en forma de las llamadas ondas sonoras, que es el nombre que suele darse a la forma en la que se transmiten las vibra-ciones audibles en el aire. La zona del espacio en la que existen ondas sonoras procedentes de una fuente se denomina campo sonoro creado por la fuente. En la práctica se distinguen dos tipos de campos sonoros: campo libre o directo y campo difuso o reverberante.
1)�Campo�libre es aquel en el que las ondas sonoras pueden propagarse en
el aire sin limitaciones físicas, y por lo tanto, en un punto de ese campo solo existen las ondas sonoras que provienen directamente desde la fuente. Es el ti-po de camti-po normalmente existente en exteriores. También se pueden simu-lar las condiciones de propagación de campo libre en las cámaras anecoicas. Las cámaras�anecoicas son recintos con las paredes interiores recubiertas de materiales especiales que no reflejan las ondas sonoras, de forma que se cum-ple la condición de que las ondas que pasan por un punto del recinto solo son las que provienen directamente desde la fuente.
Figura 5. Emisión y recepción del sonido en un local
a los rayos de luz en un espejo, reflejándose y continuando su “viaje” hasta que alcanzan otro paramento, donde se repite el fenómeno (figura 6). En ca-da reflexión una parte de la energía de la onca-da sonora es absorbica-da por el pa-ramento (absorción), y otra parte atraviesa el papa-ramento (transmisión). La cantidad de energía absorbida o transmitida depende de las características del paramento, lo que estudiaremos con detalle más adelante.
Figura 6. Al llegar a un paramento, la energía sonora incidente se refleja en parte, en parte es absorbida y en parte transmitida
Es posible, sin embargo, que parte de la energía sonora emitida por la fuente alcance al receptor sin haber sufrido ninguna reflexión. Es lo que se llama
sonido�directo y que en la figura 5 se ha simbolizado por I. La figura 7 muestra
la misma idea en un entorno más industrial.
Figura�7.�Sonido�directo
La figura 8 muestra, en el mismo entorno, la coexistencia del sonido directo con el sonido�reflejado. Obviamente, el sonido reflejado llegará al individuo desde todas las direcciones del espacio, aunque en la figura ello se simboliza con una sola flecha.
2) Un campo�difuso o campo�reverberante se caracteriza porque las ondas
sonoras provenientes de una misma fuente se propagan en todas direcciones. Para lograr este resultado, la fuente sonora tiene que emitir el ruido en un recinto cerrado, de forma que el sonido existente en un punto está compuesto por las ondas que llegan directamente a él desde la fuente y las que se han reflejado en los límites del recinto. Para que el campo sea realmente difuso, es necesario que las ondas directas sean de magnitud despreciable, es decir, que la totalidad de la energía sonora que pasa por un punto sea debida a las ondas sonoras que ya han experimentado alguna reflexión en los límites del recinto.
Si la vibración de la fuente sonora es suficientemente intensa, esta podría llegar a transmitirse al pavimento en el que se apoya y la vibración transmitirse a otros puntos del local. El pavimento (o la propia estructura) puede convertirse así en una nueva fuente de ruido al transmitirse al aire su vibración. La figura 9 muestra gráficamente esta idea.
La transmisión del sonido a través de la estructura es virtualmente imposible de controlar y puede transmitirse a grandes distancias, por lo que debe evitar-se instalando adecuadamente la maquinaria de manera que las posibles vibra-ciones de esta no se transmitan a la estructura. Para ello suelen emplearse di-versos dispositivos antivibratorios (figura 10) y, cuando ello es necesario, co-mo puede ocurrir en el caso de equipos muy grandes o pesados, se recurre a ubicarlos sobre cimientos separados de los del resto del edificio. Puesto que una vibración excesiva suele ser un problema para los propios equipos poten-cialmente ruidosos, el control de las vibraciones suele tenerse en cuenta en el propio proceso de instalación del equipo, por lo que en este apartado lo daremos por solucionado.
Figura 10. Diversos tipos de soportes antivibratorios
Así pues, suponiendo que no hay transmisión por la estructura, el sonido que llega a una persona es la suma de dos componentes: el sonido�directo y el
sonido�reflejado. El primero depende de la potencia sonora de la fuente y de
la distancia existente entre la persona y la fuente sonora; el segundo depende básicamente de las características absorbentes del local, es decir, de en qué proporción el sonido, en cada reflexión, es absorbido.
De lo anterior se deduce que el ruido�percibido depende de las caracte-rísticas de la fuente, pero también de las caractecaracte-rísticas del local. Este es un aspecto importante a tener en cuenta, porque implica que el nivel
de�presión�acústica producido por una fuente será distinto en locales
distintos; lo que sí es característico de la fuente de ruido es su nivel�de
3. Estrategias de actuación para el control de ruido
Como en todo problema de higiene industrial, las soluciones pueden buscarse modificando la organización del trabajo (por ejemplo, actuando sobre el tiem-po de extiem-posición), mediante el recurso a la protección individual o mediante actuaciones técnicas que son las que consideramos en este apartado.
La primera actuación para el control de ruido debe dirigirse hacia el
foco�con-taminante, que en este caso es la fuente sonora. Una vez agotadas las
posibi-lidades de reducir la potencia sonora emitida deberemos concentrarnos en el
medio�de�transmisión, es decir, introducir “obstáculos” al ruido a fin de que
alcance lo más “debilitado” posible al trabajador al que pretendemos proteger. En este caso la actuación recomendada depende de si el individuo está “cer-ca” o “lejos” de la fuente de ruido. Obviamente más adelante describiremos con mayor detalle lo que significa “cerca” o “lejos”, pero por el momento nos mantendremos en el plano cualitativo.
1)�Si�el�individuo�está�cerca�de�la�fuente�de�ruido, caben tres opciones: a) La primera (figura 11) consiste en encerrar la máquina en un recinto que
impida que el ruido producido salga al exterior. Para ello se utilizan las llama-das cabinas acústicas, cuya principal limitación es que pierden gran parte de su eficacia si en ellas deben practicarse aberturas para asegurar el buen funcio-namiento del equipo (alimentación de materiales, ventilación, engrase, etc.). Un ejemplo de cabina acústica se muestra en la figura 12.
Figura 12. Cabina acústica
b) La segunda opción consiste (figura 13) en el encerramiento del trabajador
en una cabina acústica. Puesto que cada vez es más frecuente que los trabaja-dores desarrollen su trabajo en salas de control y solo ocasionalmente tengan que acceder físicamente a las inmediaciones de la fuente sonora, esta es una solución viable en un número creciente de situaciones.
Figura�13.�Encerramiento�del�trabajador
c) Cuando no es posible el encerramiento ni del equipo ruidoso ni del
trabaja-dor, puede recurrirse a las pantallas acústicas (figura 14). Las pantallas acústi-cas se utilizan frecuentemente para reducir el ruido producido por el tráfico de autopistas y otras vías rápidas, que puede ser muy molesto para quienes viven en las proximidades de las mismas (figura 15). Las pantallas acústicas consi-guen reducciones importantes en aplicaciones en el exterior pero son mucho menos eficaces en interiores, debido a la presencia del ruido que se refleja en los paramentos del edificio, que no existen al aire libre. Por ello, en interiores no son la mejor opción, aunque en ocasiones se recurre a ellas.
Figura 15. Pantallas acústicas en una autopista
2)�Cuando�el�individuo�está�lejos�de�la�fuente�de�ruido la mejor opción es
aumentar la capacidad de absorción del local recubriendo los paramentos del mismo con materiales de gran capacidad de absorción, lo que puede permitir reducciones importantes en el nivel de presión acústica, pero solo lejos de la fuente de ruido. Si el individuo a proteger está cerca de aquella, la reducción conseguida puede ser inapreciable a pesar de que se hayan invertido cantida-des importantes de dinero en mejorar la absorción del local. Cuando la su-perficie de paramentos en los que pueden colocarse materiales absorbentes es insuficiente para lograr la reducción deseada se recurre, a veces, a colgar del techo un gran número de paneles absorbentes, lo que permite lograr reduc-ciones importantes de ruido (figura 16a). Este tipo de solución se emplea tam-bién a menudo en entornos no propiamente laborales para mejorar el confort acústico; este sería el caso de la cafetería que se muestra en la figura 16b, en
la que se han montado absorbentes en forma de cilindro, más satisfactorios estéticamente que los paneles que se muestran en la figura 16a, aunque su objetivo y resultados son parecidos si se colocan en la cantidad apropiada.
Figura 16
4. Actuaciones sobre las fuentes de ruido
En general reducir el ruido emitido por una fuente sonora, como una máquina o equipo de trabajo, actuando directamente sobre la misma, es una tarea que solo está al alcance del fabricante de la misma y, en muchos casos, en el curso del proceso de fabricación. Modificar una máquina u otra fuente ruidosa ya construida con el objetivo de reducir la potencia sonora emitida es, a menu-do, una tarea extremadamente costosa debido a que los cambios que deben introducirse pueden ser sustanciales o incluso imposibles de realizar.
En resumen, es mucho más económico comprar equipos poco ruidosos que reducir el ruido después de adquirirlos.
Al comprar una máquina o equipo de trabajo que podría dar lugar a un problema de ruido, en las especificaciones de compra deberían incluirse unas especificaciones�de�ruido y verificarse su cumplimiento con igual exigencia que la de cualquier otro parámetro directamente productivo.
Muy a menudo los fabricantes de máquinas están en condiciones de ofrecer varias alternativas de distinto nivel de potencia sonora para un mismo equipo o máquina, aunque usualmente a un precio superior si emite menos ruido.
Sierras de carpintería de distintos niveles de potencia
Un ejemplo lo encontramos en las sierras circulares de carpintería: el ruido producido por la hoja al serrar puede disminuirse si se realizan en ella unas “muescas” apropiadas cuyo efecto es modificar sus características vibratorias. La figura 17 muestra un ejemplo de este tipo de hoja con las que pueden conseguirse reducciones del nivel de ruido en el puesto del operador de hasta 10 dB.
Figura 17. Dos ejemplos de hoja de sierra circular con muescas para la reducción del ruido
Real Decreto 1644/2008, de 10 de octubre
requisitos esenciales de seguridad y de salud relativos al diseño y la fabricación de las máquinas, establece (apartado 1.5.8) que:
“la máquina se debe diseñar y fabricar de manera que los riesgos que resulten de la emi-sión del ruido aéreo producido se reduzcan al nivel más bajo posible, teniendo en cuenta el progreso técnico y la disponibilidad de medios de reducción del ruido, especialmente en su fuente”.
Asimismo, en el preceptivo manual de instrucciones deberán incluirse:
“Las instrucciones relativas a la instalación y al montaje, dirigidas a reducir el ruido y las vibraciones”.
Además, el fabricante deberá proporcionar las siguientes indicaciones sobre el ruido aéreo emitido:
• El nivel de presión acústica de emisión ponderado A en los puestos de trabajo, cuando supere 70 dB(A); si este nivel fuera inferior o igual a 70 dB(A), deberá mencionarse este hecho.
• El valor máximo de la presión acústica instantánea ponderado C en los puestos de trabajo, cuando supere 63 Pa (130 dB con relación a 20 μPa).
• El nivel de potencia acústica ponderado A emitido por la máquina, si el nivel de presión acústica de emisión ponderado A supera, en los puestos de trabajo, 80 dB(A). Estos valores se medirán realmente en la máquina considerada, o bien se establecerán a partir de mediciones efectuadas en una máquina técnicamente comparable y represen-tativa de la máquina a fabricar. Cuando la máquina sea de muy grandes dimensiones, la indicación del nivel de potencia acústica ponderado A podrá sustituirse por la indicación de los niveles de presión acústica de emisión ponderados A en lugares especificados en torno a la máquina.
Cuando no se apliquen las normas armonizadas, los datos acústicos se medirán utilizando el código de medición que mejor se adapte a la máquina. Cuando se indiquen los valores de emisión de ruido, se especificará la incertidumbre asociada a dichos valores. Deberán describirse las condiciones de funcionamiento de la máquina durante la medición, así como los métodos utilizados para esta.
Cuando el o los puestos de trabajo no estén definidos o no puedan definirse, la medición del nivel de presión acústica ponderado A se efectuará a 1 m de la superficie de la máquina y a una altura de 1,6 metros por encima del suelo o de la plataforma de acceso. Se indicará la posición y el valor de la presión acústica máxima.
Cuando existan directivas comunitarias específicas que prevean otros requisitos para me-dir el nivel de presión acústica o el nivel de potencia acústica, se aplicarán estas me-directivas y no se aplicarán los requisitos anteriores.
Para el conjunto de los equipos de trabajo, el Real Decreto 1215/1997 en su anexo I dedicado a definir las disposiciones mínimas aplicables a dichos equipos establece (punto 17) que:
“Todo equipo de trabajo que entrañe riesgos por ruido, vibraciones o radiaciones deberá disponer de las protecciones o dispositivos adecuados para limitar, en la medida de lo posible, la generación y propagación de estos agentes físicos”.
Lo anterior no significa que una observación atenta de los focos de ruido exis-tentes en un local no pueda sugerir modificaciones que pueden contribuir a reducir notablemente el nivel sonoro, que siempre deben ser compatibles con el proceso concreto que se realiza.
dBA al utilizar una amoladora de 10 cm de diámetro, y 108 dBA al emplear una de 22,5 cm. Si en lugar de utilizar la amoladora más próxima disponible se establece la norma de que debe emplearse siempre la amoladora de menor tamaño compatible con el trabajo a realizar, es posible que la dosis de ruido recibida por los operarios disminuya.
Operaciones ruidosas y no ruidosas
En la figura 18 se muestran algunos ejemplos de operaciones ruidosas que pueden ser sustituidas por otras equivalentes menos ruidosas:
Figura 18. Ejemplos de operaciones ruidosas y no ruidosas
a) unir con tornillos es menos ruidoso que remachar;
b) cortar con un soplete es menos ruidoso que utilizar un medio mecánico;
c) doblar una plancha metálica con un cilindro hidráulico es menos ruidoso que
efec-tuarlo golpeando;
d) cortar con una herramienta de corte progresivo produce menos ruido que hacerlo con
otra que produzca un corte total instantáneo;
e) las correas múltiples producen menos ruido que las que son de una sola pieza; f) los contenedores utilizados en muchas industrias para almacenar las piezas que se van
produciendo producen más ruido al colocar en ellos las piezas si sus paredes son macizas que si son de rejilla metálica;
g) un embudo en el que caen las pequeñas piezas producidas por una máquina golpeando
cada una de ellas su pared, hará menos ruido si se forra exteriormente con un material apropiado (por ejemplo, caucho) que si sus paredes son de simple chapa metálica;
h) finalmente, este mismo “truco” puede emplearse para reducir el ruido producido al
Una fuente de ruido habitual en muchas industrias la constituye el aire com-primido que se utiliza en múltiples equipos con fines de mando: válvulas, fi-nes de carrera y muchos otros elementos gobernados neumáticamente (figura 19), que producen un ruido considerable cuando dejan escapar el aire compri-mido. Este ruido puede reducirse drásticamente utilizando silenciadores, que esencialmente utilizan algún tipo de elemento (por ejemplo, una espuma de plástico) para reducir la velocidad del aire comprimido en el escape (figura 20). No debe olvidarse, sin embargo, que los silenciadores, como cualquier otro equipo, tienen una vida limitada y, por tanto, han de repararse o sustituirse cuando pierdan eficacia.
Figura 19. Ejemplos de equipos que utilizan aire comprimido como elemento de mando
Figura 20. Ejemplos de silenciadores mostrando la sección de un modelo
euros/Nm3, una boquilla comercial puede amortizarse rápidamente teniendo solo en cuenta el ahorro en aire comprimido; y, además, producen menos rui-do.
Figura 21. Dos boquillas de aire comprimido: comercial a la derecha y de
5. Acondicionamiento acústico de locales
Acondicionar acústicamente un local significa actuar sobre los límites físicos del mismo (techo, suelo y paredes) modificando sus características a fin de que los niveles de ruido en el interior de aquel se encuentren dentro de los límites que se consideren apropiados en cada caso.
5.1. Absorción acústica de un material
Cuando una onda sonora incide en una superficie, una parte de la energía sonora es absorbida por el material, y la onda reflejada tiene menos energía que la incidente. La relación entre la cantidad de energía absorbida y la incidente se denomina coeficiente�de�absorción�del�material, y se suele representar con la letra α.
(6)
donde Eabs es la energía absorbida y Einc la energía incidente.
La absorción acústica es una característica de cada material. Los materiales de construcción usuales (ladrillo, cemento, vidrio, metales, etc.) tienen coeficien-tes de absorción muy bajos (α < 0,05), mientras que los materiales porosos o blandos (textiles, aglomerados de fibras, etc.) presentan valores del orden de 0,5 y los materiales especialmente fabricados como absorbentes acústicos (pa-neles, losetas para techos, ...) pueden tener valores próximos a la unidad. La absorción de un material también depende de la frecuencia del sonido. Para los materiales porosos el coeficiente de absorción suele aumentar con la frecuencia. Ello es debido a que para estos materiales la absorción se produce por la transformación de la energía del movimiento del aire en calor a causa del rozamiento que se establece entre el aire en movimiento y las paredes de los poros. A frecuencias altas, la energía disipada es mayor porque la velocidad a la que oscilan las partículas del aire es más alta que a bajas frecuencia y, por ello, también lo es el rozamiento.
coefi-ciente de absorción α, sino el producto de este por la superficie S en metros cuadrados. Por eso el valor que se indica en la tabla 2 en estos casos (S · α) se expresa en metros cuadrados, ya que α no tiene dimensiones.
Tabla 2. Coeficiente de absorción acústica de distintos materiales
Material Frecuencia (Hz)
125 250 500 1.000 2.000 4.000
Ladrillo visto 0,03 0,03 0,03 0,04 0,05 0,07
Hormigón, terrazo 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02
Mármol 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02
Bloques de hormigón pintados 0,01 0,05 0,06 0,07 0,09 0,08
Id sin pintar 0,36 0,44 0,31 0,29 0,39 0,25
Enlucido de yeso 0,12 0,09 0,07 0,05 0,05 0,04
Vidrio en ventana 0,35 0,25 0,18 0,12 0,07 0,04
Parquet de madera sobre hormigón 0,04 0,04 0,07 0,06 0,06 0,07
Cortinas 340 g/m2 0,03 0,04 0,11 0,17 0,24 0,35 Cortinas 475 g/m2 0,07 0,31 0,49 0,75 0,70 0,60 Fibra de vidrio 50 kg/m3 • espesor 25 mm 0,08 0,25 0,65 0,85 0,80 0,75 • espesor 50 mm 0,17 0,50 0,75 0,90 0,85 0,80 Moqueta de 4 mm 0,02 0,03 0,06 0,15 0,23 0,47 Moqueta de 10 mm 0,03 0,08 0,20 0,28 0,37 0,45 Agua en piscina 0,008 0,008 0,013 0,015 0,02 0,025 Ventana abierta 1 1 1 1 1 1 Persona sentada (m2) 0,21 0,35 0,46 0,45 0,50 0,35 Sillas de madera (m2) 0,01 0,02 0,02 Sillón acolchado (m2) 0,19 0,28 0,28
En ocasiones es útil disponer de un único número que valore la capacidad global de absorción de un material; para ello, algunos fabricantes de materiales absorbentes suelen utilizar el coeficiente de reducción de ruido (NRC1), que se
define como el promedio de los coeficientes de absorción a 250, 500, 1.000 y 2.000 Hz.
(7)
donde los distintos αi son los valores del coeficiente de absorción a la
frecuen-cia i.
El NRC da solo una indicación aproximada de la calidad absorbente de un material, pues no indica las diferencias de coeficiente de absorción entre las diversas frecuencias.
Ejemplo 1
Determinar el NRC de una fibra de vidrio de 50 kg/m3 y 25 mm de espesor.
En la tabla 2 leemos los coeficientes de absorción, que a 250 Hz, 500 Hz, 1.000 Hz y 2.000 Hz valen, respectivamente, 0,25, 0,65, 0,85 y 0,8. El coeficiente de reducción de ruido valdrá por tanto:
(8)
Los valores del coeficiente de absorción acústica de un material que se dan en la tabla 2 o en otras similares disponibles en la bibliografía son el resultado de una medición realizada según un ensayo normalizado. En la práctica, sin embargo, el coeficiente de absorción real depende no solo de los datos de en-sayo del material, sino de ciertos parámetros adicionales relacionados con la forma en la que se monta.
Figura 23. Coeficiente de absorción de dos paneles de material poroso de distintos espesores
Figura 24. Coeficiente de absorción de dos paneles de madera de distintos espesores montados a 5 cm de la pared
Figura 25. Coeficiente de absorción de un panel de madera perforada montado con un absorbente poroso en la parte posterior. A: 11% de área perforada. B: 16,5% de área perforada
En resumen, pues, las características básicas de absorción de un material absorbente pueden modificarse en buena medida según la forma en la que se monta, lo cual permite lograr las características necesarias para cada aplicación.
5.2. Características absorbentes de un local
En general, los distintos paramentos de un local (techo, paredes, suelo y ocu-pantes) no tienen el mismo coeficiente de absorción. De ahí que se defina el
coeficiente�de�absorción�medio como:
(9)
donde α1, α2, α3,... son los coeficientes de absorción de los paramentos cuyas
Cuando en el local existen personas o muebles, el valor de αiSi para ellas se
tiene en cuenta en el numerador de la expresión (9) (recuérdese que dicho valor está disponible en la tabla 2 u otras similares), pero el correspondiente valor de Si no se incluye en el denominador, pues los valores de Si no pueden
estimarse.
Otro parámetro acústico de interés es la llamada constante del local (R), que se define como:
(10)
Obsérvese que R tiene dimensiones de superficie y, por tanto, se mide en me-tros cuadrados.
A la expresión se la denomina absorción acústica del local y se la re-presenta por A. Es una medida de la absorción acústica de un local y tiene dimensiones de superficie. Si un local tiene una absorción acústica de x m2, es que absorbe tanta energía sonora como una superficie de x m2 de un material que no reflejase el ruido (α = 1).
Cuando una fuente sonora actúa en un local cerrado, y cesa de emitir, el nivel sonoro en el local no cesa de forma brusca, sino que decrece de forma progre-siva debido a la existencia de ondas reflejadas en las paredes que siguen pro-pagándose en el interior del local aunque haya cesado la emisión.
Se define como tiempo�de�reverberación el tiempo necesario para que el nivel sonoro disminuya 60 dB, medido a partir del instante en que la fuente de ruido cesa de emitir.
Es una medida de la capacidad del local para absorber las ondas sonoras. Cuan-to mayor sea la absorción, menor será el tiempo de reverberación. El tiempo de reverberación de un local suele medirse provocando un sonido corto e intenso mediante una pistola de fogueo o un artefacto similar y midiendo mediante un equipo especial el tiempo que tarda en reducirse el ruido 60 dB (figura 26). El tiempo de reverberación es la medida básica de la calidad acústica de un local. En general, para locales destinados a la comunicación (aulas, salas de conferencias, oficinas, etc.) interesa tener tiempos de reverberación bajos por-que se aumenta la inteligibilidad de las palabras, mientras por-que para salas de audición de música, el tiempo de reverberación puede ser más elevado para lograr “llenar de sonido” el local.
El tiempo de reverberación de un local está relacionado con las características de este por la fórmula�de�Norris-Eyring:
(11)
donde T es el tiempo de reverberación en segundos, V el volumen del local en metros cúbicos, S la superficie total del conjunto de los paramentos en metros cuadrados, y αm es el coeficiente de absorción medio.
Puesto que el tiempo de reverberación puede medirse y los parámetros V y S son relativamente fáciles de medir, la medición del tiempo de reverberación se utiliza en ocasiones para calcular el valor del coeficiente de absorción medio. A partir de este resultado, combinando las expresiones (9) y (10) es posible calcular R, lo que puede resultar de gran utilidad en casos de locales complejos, con un gran número de paramentos.
Obsérvese que el tiempo de reverberación depende de la frecuencia, pues es función del coeficiente de absorción medio, αm, que varía con esta.
El tiempo�de�reverberación es un parámetro muy importante para la “calidad acústica” de un local, es decir, para que la audiencia perciba correctamente la información, ya sea esta música, palabras, etc. (tabla 3).
Tabla 3. Valores recomendados para el tiempo de reverberación
Uso del local Tiempo óptimo de
reverbera-ción (segundos) a 500-1.000 Hz
Cine
Concierto de música rock Conferencia Teatro Ópera Música sinfónica Música coral Música de órgano 0,4-1,0 0,8-1,1 0,8-1,2 1,0-1,2 1,3-1,7 1,5-2,2 1,7-2,5 2,0-3,0
El tiempo de reverberación óptimo depende de las actividades que se realizan en el local. Por ello es importante elegir el volumen del local y las característi-cas absorbentes de los materiales de las superficies del mismo adecuadamente, a fin de que el tiempo de reverberación sea el adecuado al uso que tendrá el local. Donde existen fuentes de ruido es importante tener tiempos de reverbe-ración tan bajos como sea posible.
Para las frecuencias bajas (125 Hz), el tiempo de reverberación debe ser hasta el 50% mayor.
Tiempos de reverberación óptimos
Ejemplo 2
Se ha medido el tiempo de reverberación de un local a 500 Hz, habiéndose obtenido un valor de 1,2 segundos. Si el local tiene un volumen de 1.000 m3 y una superficie total de
600 m2, calcular el valor de R a 500 Hz. De la fórmula (11) se deduce fácilmente que:
(12)
y sustituyendo se obtiene:
(13)
Por otra parte, de la fórmula (9) se deduce que:
(14)
Y sustituyendo en (10) se obtiene:
(15)
Pero como es la superficie total del local, que es un dato, tendremos:
(16)
5.3. Nivel sonoro en un local
Cuando una fuente sonora isótropa de potencia Lw a una determinada
fre-cuencia se encuentra en unas condiciones tales que la propagación se realiza en un campo�libre (es decir, sin reflexiones), el nivel de presión acústica Lp a
una distancia r viene dado por la expresión:
Ejemplo 3
Supongamos una fuente sonora que a 1.000 Hz emite una potencia sonora de 90 dB. Se trata de una máquina colocada sobre el pavimento en un patio exterior, por lo que su coeficiente de directividad valdrá Q = 2 y podemos suponer que la propagación se realiza en un campo libre. ¿Cuál será el nivel de presión acústica a 1.000 Hz a 10 y 20 m de distancia?
A 10 m tendremos, aplicando la expresión (17):
(18)
Y a 20 m:
(19) En el ejemplo anterior hemos encontrado que al doblar la distancia a la fuente (de 10 a 20 metros) el nivel de ruido se ha reducido en 6 dB.
Esta es una regla general en campo libre: al doblar la distancia a la fuen-te, el nivel de ruido se reduce en 6 decibelios, como puede demostrarse fácilmente a partir de la expresión (10).
Cuando el sonido se transmite a grandes distancias, el propio aire actúa como absorbente, un efecto que es imperceptible a distancias pequeñas. A 20 °C la atenuación debida a este efecto vale:
(20)
donde Aex es la atenuación provocada por el aire en dB, f es la frecuencia del
sonido en Hz, r la distancia a la fuente en metros y Hr la humedad relativa
en porcentaje.
La expresión (20) indica que la atenuación es proporcional a la distancia, cosa lógica, y que las frecuencias altas son mucho más atenuadas que las bajas. Ello explica, por ejemplo, por qué las sirenas de los barcos, cuyo objetivo es comunicar su presencia a grandes distancias, emplean frecuencias bajas. En el fenómeno interviene también la humedad del aire, que contribuye a reducir la atenuación: a igualdad de frecuencia, el sonido es menos atenuado en días húmedos que en secos, como bien saben quienes viven en las cercanías de un aeropuerto o un puerto.
Cuando la fuente sonora se encuentra en un local�cerrado, las ondas sono-ras que emite se reflejan (y son parcialmente absorbidas) en los distintos pa-ramentos del local. En tales condiciones el nivel de presión acústica vale:
Nota
Obsérvese que aunque tanto el nivel de potencia Lw como
el de presión acústica Lp se
(21)
que indica que el nivel de presión acústica en un punto situado a una distancia
r de la fuente sonora depende del nivel de potencia de la fuente sonora Lw,
de la directividad de la fuente, Q, y de las características absorbentes del local definidas a través de la constante del local, R.
El término Q/4πr2 representa la aportación del sonido� directo, por lo cual disminuye a medida que crece r, es decir, nos alejamos de la fuente y el tér-mino 4/R representa la aportación del sonido�reflejado, que, si el campo es totalmente difuso (una hipótesis razonable en la mayoría de los problemas de ruido), no depende de la distancia a la fuente, siendo constante en cualquier punto del local.
La figura 27 muestra cómo evolucionan el sonido directo y el sonido reflejado al alejarnos de la fuente sonora. Puesto que cerca de la fuente r es pequeño, el valor de Q/4πr2 es grande y supera el de 4/R, que es constante: el sonido directo es mayor que el reflejado. Cuando r es grande, lejos de la fuente, sucede al revés. Por tanto, en algún punto ambos valores deben coincidir.
La distancia a la que ello ocurre se llama distancia�crítica y representa el punto en el que la contribución del sonido directo y la del reflejado son iguales.
De la expresión (21) se deduce fácilmente que la distancia crítica rc vale:
(22)
Para el caso más habitual de una fuente sonora colocada en el suelo, con Q = 2, resulta:
(23)
Figura 27. Distancia crítica
Puesto que a distancias de la fuente inferiores a la crítica la energía sonora recibida procede fundamentalmente del sonido directo, en esa zona aumentar la absorción del local no reduce apenas el nivel sonoro. En cambio, a distan-cias superiores a la crítica, donde la energía sonora recibida es básicamente reflejada, aumentar la absorción contribuye a reducir el nivel sonoro.
Por ello, la colocación de materiales absorbentes es ineficaz como mé-todo de reducción del ruido en puntos próximos a la fuente de ruido; en cambio, es un buen método en puntos alejados de ella. La distancia
crítica señala una frontera aproximada entre ambas situaciones.
Ejemplo 4
En un local de 20 × 12 × 5 metros dedicado al pintado de pequeñas piezas metálicas en una cabina, se han medido los niveles sonoros y los tiempos de reverberación que se indican en la tabla 4. Estimar la reducción del nivel sonoro que se logrará al colocar en el techo unos paneles colgantes absorbentes de ruido (superficie de los paneles 300 m2). Se indican en la misma tabla los valores del coeficiente de absorción acústica de los paneles. En el local trabajan dos personas, un pintor y un ayudante. Suponer que la única fuente de ruido es la maquinaria asociada a la cabina de pintura (ventilador y bomba de circulación del agua). No se dispone de datos relativos a la potencia sonora de las fuentes de ruido. Se puede considerar Q = 2.
Tabla 4
Frecuencia�bandas�de�octava�(Hz) 125 250 500 1.000 2.000 4.000 Nivel�global
Nivel sonoro en pintor (dB) 93 95 86 80 75 71 97,6
Nivel sonoro en ayudante (dB) 88 92 81 74 69 64 93,8
Coeficiente de absorción del panel 0,17 0,5 0,75 0,9 0,85 0,8
-Tiempo de reverberación (s) 2,4 4,8 3 2 1,6 1,2
-A partir de los datos geométricos del local se obtiene que su volumen vale 20 · 12 · 5 = 1.200 m3 y su superficie es la suma de la del techo (20 · 12) más la del suelo, que es
idéntica, más la de las paredes laterales, que vale 2(20 + 12) · 5, totalizando 800 m2. El orden de los cálculos, que se muestran en la tabla 5, es el siguiente:
1) Se calcula el coeficiente de absorción medio con la fórmula: .
2) Se calcula el valor inicial de que vale αmS siendo S la superficie total del local
(fórmula (3)).
3) Se calcula el valor inicial de R (fórmula (10)).
4) Se calcula el valor final de teniendo en cuenta que es igual al inicial más el producto αS de los paneles que se cuelgan del techo, y por tanto se añaden a las superficies ya existentes.
5) Se calcula valor final del coeficiente de absorción medio con el valor obtenido para
el nuevo y teniendo en cuenta que la superficie del local ha aumentado en 300 m2 al colgar los paneles.
6) Se calcula el valor final de R.
7) Utilizando la fórmula (21) se calcula la diferencia entre el nivel de presión acústica
del pintor suponiendo que trabaja a un metro de la fuente sonora. Téngase en cuenta que, aunque no se conoce el nivel de potencia de la fuente, Lw, al efectuar la resta este
valor desaparece.
8) Idem para el ayudante suponiendo que trabaja a 5 metros.
9) A continuación, con la fórmula (23) calculamos la distancia crítica antes y después de
instalar los paneles. Vemos que se sitúa alrededor de 2 metros antes de la modificación y de 5 metros después, lo que explica que la disminución del nivel de presión acústica sea muy pequeña para el pintor y bastante superior para el ayudante.
10) Finalmente, calcularemos los niveles globales de ruido para el pintor y el ayudante,
que serán los que había inicialmente menos lo que han disminuido. Se observa que para el pintor el nivel global ha disminuido alrededor de 1 dB, mientras para el ayudante el descenso ha sido de más de 5 dB.
11) Si se aplica la corrección del filtro A, el pintor ha pasado de 89,2 dBA a 88,1 dBA y
el ayudante de 85,2 dBA a 80,2 dBA. Tabla 5
Frecuencia bandas de octava (Hz) 125 250 500 1.000 2.000 4.000 Global
Coeficiente de absorción medio antes del tratamiento 0,10 0,05 0,08 0,11 0,14 0,18
Valor inicial de 76,58 39,25 61,88 91,00 112,08 145,83
R inicial 84,69 41,28 67,06 102,67 130,34 178,34
Valor final de 127,58 189,25 286,88 361,00 367,08 385,83
Coeficiente de absorción medio después del tratamiento 0,12 0,17 0,26 0,33 0,33 0,35
Frecuencia bandas de octava (Hz) 125 250 500 1.000 2.000 4.000 Global
Diferencia Lp pintor a 1 m –0,35 –1,52 –1,02 –0,66 –0,48 –0,30
Diferencia Lp ayudante –1,53 –5,75 –5,12 –4,15 –3,32 –2,36
Distancia crítica antes 1,84 1,28 1,64 2,03 2,28 2,67
Distancia crítica después 2,05 2,58 3,36 3,95 4,00 4,16
Lp final pintor 92,65 93,48 84,98 79,34 74,52 70,70 96,5
Lp final ayudante 86,47 86,25 75,88 69,85 65,68 61,64 89,6
Tabla 6. Resumen de resultados
Pintor Ayudante
Nivel�global,�dB Nivel�dB�A Nivel�global,�dB Nivel�dB�A
Antes 97,6 89,2 93,8 85,2
6. Transmisión del ruido
Muy a menudo, para lograr la reducción del ruido en un punto determinado (en nuestro caso, un puesto de trabajo) se recurre a interponer entre el mismo y la fuente de ruido una partición sólida, como una pared. En ese caso se define el índice�de�aislamiento de la pared (IA), como la diferencia entre los niveles de presión acústica existentes a ambos lados de la pared:
IA = Lp1 – Lp2
donde Lp1 y Lp2 son, respectivamente, los niveles de presión acústica a uno y
otro lado de la pared. IA se mide pues en decibelios, que son las unidades de Lp1
y Lp2. Los materiales que muestran índices de aislamiento elevados son densos
y sin poros, en contraste con los materiales ligeros y porosos habitualmente empleados para absorber el ruido.
6.1. Aislamiento de una pared simple
El índice de aislamiento de una pared depende de los materiales de los que está construida y de la frecuencia del sonido. En la figura 28 se muestra el aspecto general de la relación entre el índice de aislamiento de una pared simple (cons-truida de un solo material) y la frecuencia. Se observan tres zonas o regiones.
Figura 28. Variación del índice de aislamiento de una pared con la frecuencia
En higiene industrial esta zona no tiene interés porque normalmente no se extiende más allá de 100 Hz y esas frecuencias, al ser muy penalizadas por el filtro A, carecen de interés.
Para frecuencias�intermedias se encuentra la llamada región�controlada�por
la�masa, en la que el índice de aislamiento aumenta a razón de 6 decibelios por
octava, es decir, cada vez que se dobla la frecuencia. En esa zona el índice de aislamiento en dB viene dado por la expresión conocida como ley�de�la�masa:
(24)
donde f es la frecuencia en Hz, y ms es la masa superficial del material en kg/
m2. La masa superficial es la masa de un metro cuadrado de pared, que como es obvio vale:
ms = dt
donde d es la densidad del material expresada en kg/m3 y t su espesor en me-tros.
La ley de la masa muestra que el índice de aislamiento a una frecuencia dada aumenta al aumentar la masa superficial de la pared, de manera que cada vez que dobla esta, el índice de aislamiento aumenta en 6 dB. De ahí el nombre de ley de la masa: a más masa, más aislamiento.
El crecimiento regular del índice de aislamiento en 6 dB cada vez que se dobla la frecuencia, termina de forma relativamente brusca cuando se entra en la tercera región: la región�controlada�por�la�coincidencia. Cuando se alcan-za una determinada frecuencia cuyo valor depende del material del que está construida la pared y del espesor de la misma, el índice de aislamiento sufre una brusca caída de la que se va recuperando lentamente para frecuencias su-periores a la de coincidencia.
En el caso de la pared, lo que hace que esta tenga más o menos aislamiento es la capacidad de las ondas sonoras para hacerla vibrar: cuanta más vibración, menos aislamiento, y viceversa. Aunque en la pared no existen agujeros, su comportamiento es tal que las ondas sonoras de frecuencia inferior a un valor dado no son capaces de inducir en ella una vibración importante, pero a partir de un cierto valor (la�frecuencia�de�coincidencia) esta capacidad aumenta bruscamente y se mantiene en buena medida para todas las frecuencias supe-riores.
Para valores de la frecuencia iguales o superiores a la frecuencia de coinciden-cia, el índice de aislamiento viene dado en dB por la siguiente expresión:
(25) donde fc es la frecuencia crítica del material y h es el llamado factor de pérdidas
del material.
El factor�de�pérdidas es una medida del rozamiento interno del mate-rial, que produce disipación de energía cuando este vibra.
Como muestra la expresión (25), cuanto mayor sea el factor de pérdidas, mayor será el índice de aislamiento. Igualmente, de la expresión (23) se deduce que,
por�encima�de�la�frecuencia�de�coincidencia, al doblar la frecuencia el índice
de aislamiento aumenta en 10 dB. La frecuencia de coincidencia vale:
donde k es una constante que depende el material y t es el espesor de la pared. Habitualmente, los manuales dan el valor de k expresado en Hz · m o Hz · mm. En la tabla 7 se dan los valores de la densidad, el factor de pérdidas y k para algunos materiales comunes.
Tabla 7. Propiedades relevantes de algunos materiales en relación con su aislamiento acústico
Material Densidad (kg/m3) k (mm · Hz) Factor de pérdidas
Aluminio 2.700 13.000 0,001
Ladrillo macizo 2.200 16.000- 26.000 0,01
Hormigón macizo 2.300 18.500 0,01
Cemento (5 cm) a ambos lados de una tabla 1.500 32.500 0,01
Ladrillo hueco (15 cm) 750 31.000 0,01
Material Densidad (kg/m3) k (mm · Hz) Factor de pérdidas
Id. relleno de arena 1.700 25.000
Madera de abeto 550 9.000 0,04 Madera contrachapada 600 21.000 0,03 Madera aglomerada 750 97.500 0,02 Vidrio 2.500 15.200 0,01 Acero 7.700 12.500 0,001 Plomo 11.000 55.000 0,015
En la práctica el índice de aislamiento se calcula solo para las frecuencias cen-trales de las octavas normalizadas y se atribuye el valor calculado a la totalidad de las frecuencias contenidas en la octava.
La expresión (25) se empieza a aplicar para la octava que contiene la fre-cuencia de coincidencia y se aplica a ella misma y a todas las superiores.
A tal efecto es conveniente recordar que una octava cuya frecuencia central
es fCentral se extiende desde hasta Así, la octava cuya
Ejemplo 5
Calcular el índice de aislamiento de un panel de acero de 3 mm de espesor, y de un panel de madera aglomerada de 19 mm de espesor.
Tabla 8
Acero Madera�aglomerada
Masa�superficial 7.700 × 0,003 = 23,1 kg/m2 750 × 0,019 = 14,25 kg/m2
Frecuencia�de�coincidencia 12.500/3 = 4.167 Hz 97.500/19 = 5.132 Hz La fórmula (25) se aplicará en el caso del acero a partir de la octava cuya frecuencia central es 4.000 Hz, ya que la frecuencia crítica de 4.167 Hz está comprendida en dicha octava, con lo que se obtienen los resultados de la tabla 9.
Tabla 9
Frecuencia (Hz) 125 250 500 1.000 2.000 4.000 8.000
Acero (3 mm) 22 28 34 40 46 21 31
Igualmente, en el caso de la madera la fórmula (25) se aplicará a partir de la octava de 4.000 Hz, ya que su frecuencia crítica está comprendida en la misma.
Tabla 10
Frecuencia (Hz) 125 250 500 1.000 2.000 4.000 8.000
Acero (3 mm) 18 24 30 36 42 29 39
Una de las razones para ello es que las fórmulas (24) y (25) presuponen que el sonido se transmite de un lado a otro de la pared exclusivamente a�través de la misma. En la práctica ello solo sería cierto para una pared de tamaño infinito. En las situaciones reales la transmisión se produce también a través de las paredes limítrofes (figura 29) dando lugar a transmisiones parásitas que se añaden a la directa, que es el valor que se obtiene con las fórmulas (24) y (25). Dada la dificultad de calcular las transmisiones parásitas, los resultados obtenidos con dichas fórmulas deben considerarse simplemente como buenas aproximaciones al resultado real.
Figura 29. Transmisión directa y transmisión parásita
Nota
6.2. Paredes dobles
Un tipo de construcción muy utilizado (por ejemplo, en ventanas) es el de una pared doble con una separación intermedia de aire. En este caso el aislamien-to global conseguido depende del índice de aislamienaislamien-to de cada uno de los paneles, así como del comportamiento de la capa de aire intermedia.
El comportamiento del conjunto depende de la frecuencia. Para frecuencias bajas se aplica la ley de la masa al conjunto de ambas placas (funcionan como una sola); en este caso, pues, se aplica la ecuación (24) tomando como masa superficial la suma de las masas superficiales de ambas placas.
Frecuencias�ba-jas significa frecuencias inferiores al valor f0 que viene dado por la expresión:
(27)
donde c = velocidad del sonido en el aire en m/s, ρ = densidad del aire en kg/ m3, ms1 y ms2 densidades superficiales respectivas en kg/m2 y d = separación
entre las placas en m.
Para frecuencias intermedias, entre f0 y c/2πd, el índice de aislamiento vale:
IA = IA1 + IA2 + 20 log (4πfd/c)
donde IA1 y IA2 son los aislamientos individuales de cada una de las dos placas.
Finalmente, cuando f es mayor que c/2πd el índice de aislamiento del conjunto vale:
(28)
donde α es el coeficiente de absorción de las placas (supuestas iguales).
6.3. Paredes compuestas
Habitualmente las paredes no están compuestas de un solo material, sino de varios: en ellas hay puertas, ventanas y aberturas diversas, cada una fabricada de un material distinto. La energía total transmitida a través de la pared es la suma de las energías transmitidas por cada uno de los componentes elementa-les, cada uno de los cuales tiene un índice de aislamiento (IAi) y una superficie
(Si). En esas condiciones el índice de aislamiento global de la pared (IAG) vale:
Ejemplo 6
A una pared que tiene un índice de aislamiento de 20 dB se le practica un orificio que ocupa el 10% de su superficie. Calcular el nuevo índice de aislamiento.
Si la superficie original de la pared era S, ahora se ha convertido en una pared compuesta en la que el material original ocupa 0,9S y el agujero, 0,1S. Por otra parte, un agujero tiene un índice de aislamiento igual a cero, pues deja pasar toda la energía que le llega. Aplicando la fórmula (29) tendremos:
(30)
Se observa pues que un agujero relativamente pequeño reduce notablemente el índice de aislamiento.
Cuando se pretende aislar el ruido mediante una pared, es muy impor-tante que en esta no existan orificios, grietas, juntas, etc. a través de las cuales pueda “colarse” el ruido, pues su presencia, incluso en pequeña proporción, disminuye mucho el índice de aislamiento.
6.4. Aislamiento entre locales
Supongamos (figura 30) un local 1 (a la izquierda de la figura) en el que existe una fuente de ruido que emite una potencia sonora Lw que está a una distancia
r1 de una pared que separa el local de otro contiguo (local 2). La constante de
ese local vale R1.
Figura 30. Aislamiento entre locales
Parte del ruido emitido por la fuente sonora se transmitirá al local 2 a través de la pared; el otro local (a la derecha en el dibujo) tiene unas características absorbentes conocidas, siendo la constante del local R2. La pared de separación
En esas condiciones, y sin considerar la transmisión parásita, el nivel de pre-sión acústica en un punto del local 2 situado a una distancia r2 a la pared vale:
Lp2 = Lw – 10 log R1 + 10 log (1 + 4Sw/R2) – IA + 0,1
para r2 < (Sw/2π)1/2.
Para distancias superiores, Lp2 viene dado por:
Lp3 = Lw – 10log R1 + 10log [(Sw/2πr2) + (4Sw/R2)] – IA + 0,1
Para reducir el ruido en el local de la derecha, el diseñador tiene varias opcio-nes:
a) Aumentar la absorción en el local 1, donde se encuentra la fuente sonora;
de esta forma aumentará su constante R1. Ello hará disminuir el nivel de ruido
en el local receptor 2, al aumentar el valor del término –10 log R1. Un aumento
del coeficiente de absorción medio de 0,1 a 0,2, por ejemplo, aumentará R1
en un factor 2,25 lo que disminuirá el nivel de presión acústica en el local 2 en unos 3,5 dB.
b) Aumentar la constante del local 2, R2 tratando acústicamente sus
superfi-cies, por ejemplo. Si el resto de los factores permanecen iguales, aumentar el coeficiente de absorción medio de 0,1 a 0,2 en el local 2 aumentará la constan-te del local en un factor 2,25 y disminuirá el nivel de ruido aproximadamenconstan-te 1,5 dB cerca de la pared de separación y unos 3,5 dB lejos de ella.
c) Aumentar el índice de aislamiento de la pared de separación entre ambos
locales. En muchas situaciones, esta es la solución que aporta una reducción de ruido más significativa. Por ejemplo, si se dobla el espesor de la pared, la pérdida por transmisión se incrementará en 6 dB (a frecuencias en las que sea válida la ley de la masa) y el nivel de ruido en el local 2 disminuirá en 6 dB.
d) El nivel de ruido en el local 2 puede reducirse también reduciendo la
po-tencia sonora de la fuente colocada en el local 1, si bien ello puede no ser de posible realización.
6.5. Cabinas acústicas
En este caso, la variable que mejor define la eficacia de la cabina no es su aislamiento sino la pérdida�por�inserción�(IL2), que se define como
la diferencia de los niveles sonoros antes y después de instalar la cabina o cerramiento (figura 31).
Figura 31. Cabina acústica y pérdida por inserción
Para cabinas� relativamente� grandes en las que se cumpla la condición
f(Vo)1/3/c > 1 donde f es la frecuencia, Vo el volumen de aire en el interior de
la cabina en metros cúbicos y c la velocidad del sonido en m/s, la relación entre la pérdida por inserción y el aislamiento específico del panel con el que se construye la cabina, viene dada por la expresión:
IL = IA + 10 log αm
siendo IL la pérdida por inserción (dB), IA el índice de aislamiento de los pa-neles con los que está construida la cabina (dB) y αm el coeficiente de absorción
acústica medio del interior del cerramiento.
Puesto que el valor máximo de αm es la unidad y el logaritmo de uno es cero,
de la expresión anterior se deduce que cuando el interior de la cabina sea in-finitamente absorbente (αm = 1), la pérdida por inserción igualará el índice de
aislamiento de las paredes de la cabina. En todos los demás casos, en los que αm < 1, log αm será negativo y ello implicará que la pérdida por inserción será
inferior al índice de aislamiento de la cabina. Puesto que el logaritmo de un
número positivo próximo a cero es negativo y muy grande, para valores de αm
muy pequeños, la pérdida por inserción podría teóricamente llegar a ser nega-tiva, es decir haber más ruido en el exterior que antes de instalar la cabina.
Así pues, para que un cerramiento proporcione una disminución impor-tante del nivel sonoro, es imprescindible que tenga una absorción acús-tica interna muy elevada; en caso contrario su eficacia puede ser muy baja (IL pequeño), aunque el panel tenga un aislamiento muy elevado.
La explicación cualitativa de este hecho es simple; al colocar el cerramiento, el nivel sonoro en las proximidades de la fuente aumentará, ya que se coloca en un local de reducidas dimensiones, y el aislamiento del panel actúa sobre el nivel sonoro incrementado, no sobre el nivel sonoro existente antes de colocar el cerramiento. La necesidad de que los cerramientos aislantes dispongan de una buena absorción de sonido es la causa de que se llame a estos cerramientos
cabinas�insonorizadas.
Ejemplo 7
La tabla 11 ilustra el cálculo que debe realizarse para determinar el nivel sonoro que existirá en las proximidades de una máquina conociendo el nivel sonoro inicial, el ais-lamiento específico del cerramiento y la absorción acústica del interior del mismo. Los cálculos deben realizarse en cada banda de octava y posteriormente adicionar los niveles en cada banda para calcular el nivel global.
Tabla 11
Frecuencia central banda de octava 125 250 500 1.000 2.000 4.000 8.000 Global
Nivel inicial (dato) Le (dB) 82 85 89 91 95 83 75 98 dB
Ponderación A (dB) –16 –9 –3 0 +1 +1 –1
Nivel ponderado A 66 76 86 91 96 84 74 97 dBA
Índice de aislamiento del panel (dato) IA (dB) 31 41 46 59 64 56 58
Superficie del cerramiento (dato) S (m2) 18 18 18 18 18 18 18
Coeficiente de absorción medio del interior (dato) am 0,44 0,56 0,67 0,89 0,94 0,94 0,89
IL = IA + 10 log (am) 27 38 44 58 63 55 57
Nivel sonoro final Lr = Le – IL 55 47 45 33 32 28 18 56 dB
Nivel ponderado con la escala A 39 38 42 33 33 29 17 42 dBA
Reducción del nivel sonoro en dBA = 97 – 42 = 55 dBA.
Para solucionar este problema se instalan silenciadores de absorción en todos los conductos de comunicación entre el interior de la cabina y el exterior. Un silenciador de absorción (figura 32) tiene el aspecto de un tramo de conducto en el que la superficie interior se ha forrado con un material absorbente de sonido (normalmente materiales porosos tales como fibra de vidrio o espuma de poliuretano).
Figura 32. Esquema típico de un conducto de ventilación en una cabina acústica
7. Pantallas acústicas
Las pantallas o barreras acústicas se usan habitualmente con una eficacia con-siderable para controlar el ruido en exteriores, en la vecindad de fuentes de ruido asociadas al tráfico de automóviles, trenes o aviones. Las reducciones de ruido que se consiguen pueden ser del orden de 5 a 20 dB, según las cir-cunstancias. En la figura 33 se dan, a título de ejemplo, los datos de reducción de ruido en un receptor situado a 100 metros de la fuente cuando se instala una barrera equidistante de ambos (supuestos situados a la misma altura), en función de la altura de la barrera.
Figura 33. Valores típicos de atenuación de una barrera al aire libre
Figura 34. Reflexiones en una barrera situada en el interior
Cuando las barreras están colocadas en interiores, su atenuación depende de las características absorbentes del local (coeficiente de absorción medio), del índice de aislamiento de la propia barrera, del coeficiente de absorción de la superficie de la barrera y de su ubicación respecto a la fuente y el receptor. Las fórmulas para el cálculo se han recogido en la expresión siguiente y los parámetros geométricos de referencia en la figura 35.
Figura 35. Cálculo del efecto de una barrera en un local cerrado
(31)
En primer lugar se calcula el parámetro Rb, que representa la constante del
local modificada al introducir la barrera. En su cálculo interviene el coeficiente medio de absorción del local αm, los coeficientes de absorción de ambos lados
de la barrera, α1 y α2 (que pueden ser iguales o distintos), la superficie total del
local S0 y la superficie de la barrera, Sb.
A continuación se calcula N, un parámetro llamado número de Fresnel, que está relacionado con la geometría de la ubicación de la barrera (A, B y d), la frecuencia del sonido y la velocidad del sonido, c. En función de si N es mayor o menor que 12,7, se utiliza una u otra de las fórmulas indicadas para calcular el valor del parámetro intermedio ab. Para el cálculo de ab es necesario calcular
la función tangente hiperbólica (tanh), que se encuentra en las calculadoras científicas o en las hojas de cálculo.
A continuación se calcula el parámetro intermedio at, relacionado con el
ín-dice de aislamiento IA de la barrera, que se calcula en función del material de que está construida con los métodos que ya hemos visto.
Finalmente se calcula el valor de la presión acústica Lp en el punto donde se
ubica el receptor, empleando la fórmula de la parte inferior de la figura 35, en la que interviene, lógicamente, el nivel de potencia de la fuente sonora.
Ejemplo 8
Una máquina tiene un nivel de potencia de 109 dB en la banda de octava de 1.000 Hz. Se encuentra situada en un local de 30 × 30 metros de base y 5 metros de altura, cuyo coeficiente de absorción medio vale 0,35. El coeficiente de directividad vale 2, y el ope-rario está situado a 3 metros de la máquina. Se desea reducir el nivel sonoro percibido por el operario instalando una barrera de 5 metros de largo por 3 de alto situada a 1 metro de la máquina (figura 37). Tanto el centro de la máquina como el oído del operario se encuentran a 1,5 metros del suelo. El índice de aislamiento de la barrera en la octava de 1.000 Hz vale 31 dB, y su coeficiente de absorción en el lado más próximo al operario vale 0,9, y en el otro lado, 0,2.
Figura 37. Disposición de la barrera del ejemplo
Comenzaremos determinando el área del local:
La constante del local antes de instalar la barrera vale, según la fórmula (10): R = (0,35 · 2.400)/(1 – 0,35) = 1.292 m2
El nivel de presión acústica en el punto donde se encuentra el operario antes de instalar la barrera valdrá según la fórmula (20):
(32)
A continuación calcularemos Rb:
(33)
Las distancias a tener en cuenta valen, según cálculos geométricos elementales: A = (12 + 1,52)1/2 = 1,8028 m
B = (22 + 1,52)1/2 = 2,5000 m
A + B – d = 1,8028 + 2,5000 – 3 = 1,3028 m
El número de Fresnel valdrá, considerando que la velocidad del sonido vale 347 m/s: N = 2 · 1.000 · 1,3028/347 = 7,509
Como este valor es inferior a 12,7, para el cálculo de ab tendremos:
(34)
Ahora calcularemos at:
at = 10–31/10 = 0,000794
Con lo que ya podemos calcular el nivel de presión acústica tras la instalación de la barrera:
(35)