Acustica introduccióN



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ACUSTICA




INTRODUCCIÓN


Aplicada a edificios, la acústica es la creación de condiciones necesarias para escuchar cómodamente y de los medios para controlar los ruidos. La acústica es arte y ciencia, porque el concepto de lo que es comodidad y lo que es ruido depende de la forma y la función del local que se está proyectando. Un sonido que para una persona no es demasiado fuerte, para otra puede ser molesto; lo que es confortable en una fábrica puede ser indeseable en una escuela; la música que disfruta un aficionado puede considerarse como ruido para un vecino que está tratando de dormir. El ruido es un sonido indeseable.
Los sonidos se caracterizan por el tono o frecuencia, intensidad o fuerza, y distribución espectral de energía o calidad. Una persona promedio puede escuchar de 20 a 20000 cps (ciclos o vibraciones por segundo). Los sonidos de alta frecuencia o de tono alto molestan más a la mayoría de las personas que los sonidos de tono bajo de la misma intensidad. Sin embargo, los sonidos de tono alto se atenúan más rápidamente en el aire que los de tono bajo.
La intensidad es una evaluación subjetiva de la presión del sonido o su nivel. Debido a que la respuesta humana a la fuerza del sonido varía con la frecuencia, cualquier medida de fuerza debe, de alguna manera, incluir la frecuencia así como la presión o la intensidad para que pueda ser importante en la acústica de las construcciones. Además, los cambios en la respuesta humana a la fuerza dependen de la relación de las intensidades del sonido. En la acústica, la relación 10:1 se llama bel. En la práctica, la unidad que se utiliza con mayor frecuencia es el decibel (dB), que es igual a 0.1 bel.
A continuación profundizaremos un poco más sobre lo que es la acústica, específicamente aplicada a la arquitectura, es decir, a los espacios habitables por el hombre.

OBJETIVOS


Muchas veces, en nuestra labor de arquitectos, no le damos a la acústica la importancia que tiene en la arquitectura. Podemos sacar fruto de muchos espacios arquitectónicos tomando en cuenta, planificando, y adecuando el espacio a la acústica. Para esto es necesario entenderla y dominarla.
Es muy importante conocer los efectos que se pueden alcanzar por medio de la acústica. En algunos lugares es más importante su aplicación que en otros y por lo tanto se trabaja de forma distinta. No es lo mismo la acústica para un auditórium, cine o teatro, que para una casa; sin embargo, para el hombre es importante sentirse cómodo dondequiera que esté y por eso hay que cuidar la acústica hasta en los lugares menos pensados.
La acústica involucra muchos temas que es necesario manejar también para poder entenderla a fondo. A continuación se explicarán detalladamente cada uno de ellos y se expondrán ejemplos que facilitarán su comprensión.
SONIDO

El sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, liquido o sólido. Cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, estamos hablando de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas variaciones de presión en el aire por encima y por debajo de un valor estático. Este valor estático nos lo da la presión atmosférica (alrededor de 100.000 pascals) el cual tiene unas variaciones pequeñas y de forma muy lenta, tal y como se puede comprobar en un barómetro.


¿Cómo son de pequeñas y de rápidas las variaciones de presión que causan el sonido?. Cuando las rápidas variaciones de presión se centran entre 20 y 20.000 veces por segundo (igual a una frecuencia de 20 Hz a 20 kHz) el sonido es potencialmente audible aunque las variaciones de presión puedan ser a veces tan pequeñas como la millonésima parte de un pascal. Los sonidos muy fuertes son causados por grandes variaciones de presión, por ejemplo una variación de 1 pascal se oiría como un sonido muy fuerte, siempre y cuando la mayoría de la energía de dicho sonido estuviera contenida en las frecuencias medias (1kHz - 4 kHz) que es donde el oído humano es más sensitivo. El sonido lo pueden producir diferentes fuentes, desde una persona hablando hasta un altavoz, que es una membrana móvil que comprime el aire generando ondas sonoras.
FRECUENCIA HZ

Como hemos visto el sonido se produce como consecuencia de las compresiones y expansiones de un medio elástico, o sea, de las vibraciones que se generan en él.


La frecuencia de una onda sonora se define como el número de pulsaciones (ciclos) que tiene por unidad de tiempo (segundo). La unidad correspondiente a un ciclo por segundo es el hertzio (Hz).
Las frecuencias más bajas se corresponden con lo que habitualmente llamamos sonidos "graves”, son sonidos de vibraciones lentas. Las frecuencias mas altas se corresponden con lo que llamamos "agudos" y son vibraciones muy rápidas.
El espectro de frecuencias audible varia según cada persona, edad etc. Sin embrago, como se mencionó anteriormente, normalmente se acepta como los intervalos entre 20 Hz y 20 kHz.
DECIBELIOS O dB

El decibelio es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar una cantidad con otra llamada de referencia. Normalmente el valor tomado como referencia es siempre el menor valor de la cantidad. En algunos casos puede ser un valor promediado aproximado.


En Acústica la mayoría de las veces el decibelio se utiliza para comparar la presión sonora, en el aire, con una presión de referencia. Este nivel de referencia tomado en Acústica, es una aproximación al nivel de presión mínimo que hace que nuestro oído sea capaz de percibirlo. El nivel de referencia varía lógicamente según el tipo de medida que estemos realizando. No es el mismo nivel de referencia para la presión acústica, que para la intensidad acústica o para la potencia acústica. A continuación se dan los valores de referencia.


  • Nivel de Referencia para la Presión Sonora (en el aire) = 0.00002 = 2E-5 Pa (rms)

  • Nivel de Referencia para la Intensidad Sonora (en el aire) = 0.000000000001 = 1E-12 w/m^2

  • Nivel de Referencia para la Potencia Sonora (en el aire) = 0.00000000001 = 1E-12 w

Como su nombre indica el decibelio es la décima parte del Bel. El Bel es el logaritmo en base 10 de la relación de dos potencias o intensidades. No obstante esta unidad resulta demasiado grande por lo que se ha normalizado el uso de la décima parte del Bel, siendo el decibel o decibelio. La formula para su aplicación es la siguiente, partiendo que la intensidad acústica en el campo lejano es proporcional al cuadrado de la presión acústica, se define el nivel de presión sonora como:


- Lp = 10log (p^2/pr) = 20 log p/pr
Siendo Lp = Nivel de Presión sonora; p la presión medida; pr la presión de referencia (2E-5 Pa)
Como es fácil ver el nivel de referencia siempre se corresponde con el nivel de 0 dB:
- Lp = 20log (0.00002/0.00002) = 20log(1) = 20 * 0 = 0 dB
Por la tanto en 0 dB tenemos el umbral de audición del oído humano, se supone que no es posible oír por debajo de este nivel, o sea variaciones de nivel en la presión del aire inferiores a 0,00002 pascal.
La razón por la que se utiliza el decibelio, es que si no, tendríamos que estar manejando números o muy pequeños o excesivamente grandes, llenos de ceros, con lo que la posibilidad de error seria muy grande al hacer cálculos. Además, también hay que tener en cuenta que el comportamiento del oído humano esta mas cerca de una función logarítmica que de una lineal, ya que no percibe la misma variación de nivel en las diferentes escalas de nivel, ni en las diferentes bandas de frecuencias.
SISTEMA DE NOTACIÓN DEL DECIBELIO

El uso del decibel (dB) es frecuente encontrarlo en trabajos de comunicación. La palabra decibel es originada de la palabra Bel, cuyo nombre que se le dio en honor a Alexander Graham Bell.


Esta notación permite la compresión de una escala o expansión de la misma tal como se requiere para la simplificación de cálculos en donde se involucran cantidades muy grandes.
Los sentidos de los seres humanos como el tacto, vista, oído, el sentido de lo pesado, etc., todas son funciones logarítmicas, esto es, la presencia de un cambio a un estímulo apenas perceptible es proporcional al estímulo ya existente (Ley de Weber-Frechner). Relaciones iguales humanamente percibidas parecen ser igual a los incrementos. Pero la sensibilidad de varios sentidos no son las mismas.
Las diferencias típicas son:
Sensibilidad a los cambios de la intensidad de la luz: 1% = 0.087 dB.

Sensibilidad al cambio de la longitud de una línea: 2% = 0.176 dB.

Sensibilidad al sentido de cambio de peso: 10% = 0.915 dB.

Sensibilidad a los cambios de sonoridad: 30% = 3dB.


La definición del Bel es: La relación logarítmica de base 10 de dos potencias.
Así, si P1 = 2 watts y P2 = 1 watts, la relación de potencias sería:

“Deci” significa 1/10; por lo que podemos escribir:


Es importante notificar que:

O dicho de otro modo:
3.01 dB sólo significa una relación de 2 a 1 pero no revela ningún valor de potencia. El oído humano escucha la misma diferencia en el incremento de 1 a 2 watts así como también entre 100 y 200 watts.


Incrementos de Potencia en Decibeles.




Incrementos de Potencia

Decibeles

x




2

3.01030

3

4.77121

4

6.02060

5

6.98970

6

7.78151

7

8.45098

8

9.03090

9

9.54243

10.00000

10.0000

100.0000

20.0000

1000.000

30.0000

10000.00

40.0000

100000.0

50.0000

1000000

60.0000

Una confusión común es el hecho de que al doblar el voltaje da como resultado un incremento de 6dB, mientras que si se dobla la potencia sólo resulta un incremento de 3dB.

La siguiente figura muestra lo que pasa con el voltaje y potencia en el circuito cuando doblamos el voltaje.

Note que para el incremento del doble en el voltaje, la potencia se incrementa 4 veces.
Sin embargo al verificar, al verificar los incrementos notamos lo siguiente:


o también podemos escribir:

Con esto podemos afirmar también que el mismo incremento en decibeles para el voltaje corresponde al mismo incremento en potencia en decibeles.
El nivel de intensidad NI de un sonido de intensidad I está definido por:

Una razón por la que se utilizan escalas logarítmicas es porque la gama de intensidades audibles es muy grande, van desde aproximadamente 10-12 w/m2 hasta 10 w/m2 y otra razón es como se dijo anteriormente, los humanos juzgan la sonoridad relativa de dos sonidos por la razón de sus intensidades que es un comportamiento logarítmico.
De manera general y sin entrar en detalles aún podemos decir que la Intensidad y la presión efectiva de las ondas planas y esféricas están relacionadas por:

Donde:
Pe = Presión efectiva.

0 = Densidad del medio.

c = Velocidad de las partículas en el mismo medio.
Por lo que las intensidades pueden representarse con expresiones de presión, que llamamos Nivel de Presión Sonora:

Unidades de presión:

1 atmósfera = 1.013 x 105 Pa.
La referencia para los sonidos en el aire es:

que es aproximadamente la intensidad de un tono puro de 1000Hz que es apenas percibida por una persona con audición normal.
La sustitución en la ecuación:
amplitud de presión pico
o una presión efectiva (rms)

valor que se usa frecuentemente como referencia para niveles de presión sonora en el aire. Este valor es casi equivalente a una intensidad de referencia de 10-12 w/m2.
Debido a que los voltajes de salida de los micrófonos e hidrófonos comúnmente usados en mediciones acústicas son proporcionales a la presión, la presión acústica es la variable que más fácilmente se mide en un campo acústico. Por esta razón es mucho más común especificar niveles sonoros en términos de niveles de presión que en términos de niveles de intensidad.
MEDICIÓN DEL NIVEL SONORO

Para medir el nivel sonoro disponemos de los Sonómetros. Estos aparatos nos permiten conocer el Nivel de Presión sonora o SPL (Sound Presure Level). Normalmente suelen ser sistemas digitales y presentan en una pantalla de cristal liquido los valores medidos. Estos siempre se dan como decibelios dB y en referencia al valor antes señalado de (2E-5 Pa). Con el sonómetro es posible además del hallar el valor rms de la presión, también ver los picos máximos y niveles mínimos de la medida. Como se verá en el capitulo de ponderaciones, los sonómetros normalmente no dan la medida en dB lineales si no que dan ya con la ponderación y son dBA/dBC etc.


Una función muy utilizada a la hora de medir niveles de presión acústica y que ofrecen los sonómetros es la medición en modo Leq. Normalmente se utiliza el Leq 1´ (leq a un minuto). El sonómetro mide las diferentes presiones que se generan durante un tiempo determinado (Leq X) siendo X = 1 minuto en nuestro caso, el valor que nos da al finalizar el minuto de medida es un valor en dB que equivaldría al de una señal de valor continuo durante todo el minuto y que utilizaría la misma energía que se ha medido durante el minuto. Hay que observar que en una medida de un minuto los valores varían y si se quiere determinar un valor medio de ruido hay que hacerlo con la función Leq, de otra forma se obtendrán valores erróneos puesto que podemos tener valores de pico durante un instante y no ser representativos del nivel de ruido normal que se está intentando determinar.
dBA O PONDERACIÓN -A-

En el punto anterior hemos visto que el dB es un valor lineal, quiere decir que los valores medidos son los valores tomados como validos sin que sufran ninguna alteración. Si los valores de presión acústica los medimos de esta forma, linealmente, aun siendo cierta dicha medida, tendrá poco valor en cuanto a la percepción del odio humano. El oído no se comporta igual para el mismo nivel de presión en diferentes frecuencias. Por ejemplo tomemos un sonido lineal en toda la banda de 20 Hz a 20 kHz tenemos en todas las bandas un nivel de 30 dB, si nuestro oído fuese lineal oiríamos los mismo o mejor con la misma intensidad auditiva las frecuencias más bajas, que las medias y que las agudas. Sin embargo, esto no es cierto el oído humano tiene una menor sensibilidad en las frecuencias mas graves, y en las más agudas frente a las medias. Lo que más oímos, por tanto, son las frecuencias medias, y las que menos las más graves seguidas de las más agudas.


Como vemos es necesario encontrar una forma de ajustar los niveles de dB que hemos medido con la percepción que el oído tiene de los mismos según cada frecuencia. Esta corrección se realiza ponderando los dB medidos mediante una tabla de ponderación ya especificada y que se llama tabla "A". Los decibelios ya ponderados en "A" se representan como dBA y los no ponderados, llamados lineales, como dB.
Por ejemplo si en una frecuencia de 100 Hz hemos medido 80 dB, al ponderarlo pasaran a ser 60,9 dBA, esto quiere decir que un nivel de presión sonora de 80 dB en una frecuencia de 100 Hz es oída por nuestro sistema de audición como si realmente tuviese 60,9 dBA y no 80 dB.
SUMA DE LOS NIVELES DE SONIDO

Hemos visto que el decibelio es una función logarítmica y, por tanto, cuando hablamos de dB de presión sonora no es posible sumarlos sin más. Por ejemplo 30 dB + 30 dB no es igual a 60 dB si no a 33 dB como vamos a ver a continuación.

Para poder sumar dos decibelios podemos emplear la siguiente ecuación:
Suma dB1 + dB2 = 10 log (10^(dB1/10) + 10^(dB2/10))

30 dB + 30 dB = 10 log(10^(30/10) + 10^(30/10) =

10 log(10^3 + 10^3) = 10 log (1000 + 1000) = 33 dB
La suma de dos dB nunca puede ser mas de 3 dB mas que el mayor de los dos. Si la diferencia que hay entre los dos valores a sumar es mayor de 10 dB la suma no tiene valor practico y se toma el valor del mayor de los dos. Por ejemplo si sumamos 20 dB + 10 dB el resultado será igual a 20 dB (aproximado). Solamente son significativos para la suma los valores que tienen una diferencia menor a 10 dB.

NIVELES EN QUE EL SONIDO SE VUELVE PERJUDICIAL

Por encima de los 100 dBA es muy recomendable siempre que sea posible utilizar protectores para los oídos. Si la exposición es prolongada, por ejemplo en puestos de trabajos, se considera necesario el utilizar protectores en ambientes con niveles de 85 dBA, siempre y cuando la exposición sea prolongada. Los daños producidos en el oído por exposiciones a ruidos muy fuertes son acumulativos e irreversibles, por lo que se deben de extremar las precauciones. De la exposición prolongada a ruidos se observan trastornos nerviosos, cardiacos y mentales.




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