Casetas y Barreras Acusticas (MGA)

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

Facultad de Arquitectura MAESTRÌA EN IMPACTOSAMBIENTALES ES

CASETAS Y BARRERAS ACÚSTICAS 1. Casetas A cústic cústic as Las casetas o cabinas acústicas son un método de controlar el ruido producido por una máquina, cubriéndola en forma total ó parcial. Si la cobertura es total, la caseta puede ser grande ó pequeña, dependiendo de si la fuente sonora ocupa una porción pequeña ó grande del volumen cubierto. Además, se pueden usar casetas para proteger a personas del ruido ambiental. No se debe encapsular en capsular más m ás de lo que sea necesario. neces ario. Por P or ejemplo, si la fuente de ruido es una caja de engranajes, solo ésta debe ser cubierta. Las paredes de las casetas deben ser construidas de materiales que provean atenuación, absorción y amortiguamiento, como se verá después. Cualquier pequeña abertura ó fisura en la estructura puede afectar substancialmente el aislamiento acústico de la caseta. Por lo tanto, todas las posibles aberturas que tenga la caseta deben ser cuidadosamente selladas. Asumiremos que la máquina cubierta no ocupa más de la tercera parte del volumen total cubierto por la caseta. Además, asumimos que en condiciones de equilibrio, toda la potencia acústica W, generada por la fuente, es absorbida por las paredes de d e la caseta. Dentro de la caseta se produce un campo reverberante, además del campo directo producido por la fuente. El nivel de presión sonora se lo puede estimar usando la ecuación: L p1

Lw

10 log

Q 4

4 r 2

R

, dB

Donde el subíndice 1 se refiere a las condiciones dentro de la caseta. Esta ecuación se debe usar a distancias mayores a ½ longitud de onda medidas desde las superficies de la máquina ó de la caseta. El campo sonoro exterior L p2, cercano a las paredes externas de la caseta consta de dos componentes. Una componente debida al campo interno reverberante y otra debido al campo directo de la fuente. La reducción del ruido producida por una caseta se la puede estimar por un método energético aproximado. Considerando un pequeño volumen V cerca cerca de las paredes de la

Ing. Eduardo Orcés P

Maestría en Gestión Ambiental

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Facultad de Arquitectura MAESTRÌA EN IMPACTOSAMBIENTALES

caseta, tanto por dentro como por fuera de la misma, se puede calcular las correspondientes densidades de energía. 1 =

pero, W2 = W,

W /V ,

2 =

p22 =

2 =

W2 / V

1

p12

Lp2 = Lp1 – TL

NR = TL

Esta es una aproximación razonable. Sin embargo, hay que recordar que Lp1 es medida con la caseta instalada. Por lo tanto, si al colocar la caseta, Lp 1 aumenta, también lo hará Lp2. Por esta razón, es más conveniente definir la pérdida por inserción (IL), la cual compara el ruido producido con y sin la caseta instalada. El nivel de presión sonora dentro de una caseta acústica es 120 dB. La TL de las paredes de la caseta es 22 dB. ¿Cuál es el nivel de presión sonora en el exterior cerca de la pared de la caseta? Asuma un campo libre exterior, y que NR = TL. [98 dB] Ejercicio 1:

Una máquina situada en un cuarto muy grande produce una potencia acústica de 2 W. Se colocó una caseta de 4.5 x 4.5 x 3.7 m cubriendo a la máquina. El coeficiente promedio interno de absorción de la caseta es 0.65. Justo fuera de la caseta, el nivel de presión sonora es 87 dB. Se encontró que dentro de la caseta el campo acústico es casi totalmente reverberante. ¿Cuál es la reducción del ruido producida por la caseta? ¿Cuál es la pérdida por transmisión de las paredes de la caseta? Ejercicio 2:

La pérdida por inserción IL, se define en un punto 3 alejado de la superficie exterior de la caseta por: IL = Lp3 – L’p3 Donde:

Lp3 = Nivel de presión sonora sin la caseta instalada L’p3 = Nivel de presión sonora con la caseta instalada Lp3

'

L p3


Lw 10 log

Lw2

Q

4

4 r 2

R

10 log

Q'

4

4 r 2

R


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donde: Lw = Nivel de potencia sonora de la fuente Lw2 = Nivel de potencia sonora de la fuente cubierta con la caseta Q = Q’ (Se asume que la caseta no afecta la directividad de la fuente Una aproximación que se usa a menudo es asumir 1 <<1, con lo que se obtiene: IL

10 log

1 1

donde:

1

1

1

Los dos casos límite de la esta ecuación son: (a) (b)

1 1

, entonces IL = 0. 1 entonces IL = 10 log ( 1/ 1

1)

= TL

El primer caso es el peor posible, y el segundo el mejor para la IL. En la práctica, se desea mantener 1 tan cerca a 1 como sea posible, y 1 mucho menor que 1.

El nivel de presión sonora en un punto, debido a cierta máquina, es 126 dB. Al colocar una caseta sobre la máquina, el nivel de presión en el exterior de la caseta se reduce a 106 dB. La pérdida por transmisión es 22 dB. ¿Cuál es el coeficiente promedio de absorción de la caseta? Ejercicio 3:

La vista de planta muestra dos cuartos 1 y 2, los cuales tienen coeficientes promedio de absorción de 0.1 y 0.02, respectivamente, en la banda de octavas de 1 kHz. Además, la pared y la puerta (0.9 x 2.1 m) que separan los dos cuartos tienen pérdidas por transmisión de 20 y 25 dB, respectivamente, en la banda de 1 kHz. La puerta fue instalada con una rendija de 25.4 mm en su parte inferior. Una máquina, la cual genera un nivel de potencia sonora de 125 dB en la banda de 1 kHz, está situada en el punto A del cuarto 1, de tal manera que produce un campo sonoro virtualmente uniforme sobre la pared de separación entre los dos cuartos. Calcule el nivel de presión sonora en el punto B en el cuarto 2. [ 111 dB ] Ejercicio 4:



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3m Cuarto 1 3m

C

Cuarto 2

A 4.6 m

.B

6m

Tumbado: 3.7 m 9m

Una máquina que emite 4 W de potencia acústica en la banda de octavas de 1 Khz. está cubierta por una caseta de 3 x 3 x 3 m con un coeficiente de absorción promedio de 0.5 en la misma banda. La máquina está dentro de un cuarto de 30 x 20 m con un tumbado de 10 m, y un coeficiente promedio de absorción de 0.2 en la banda de 1 kHz. El nivel de presión sonora a 18 m de la máquina encapsulada es 60 dB. Determine el coeficiente promedio de transmisión en la banda de 1 kHz. [ 2.6 x 10-5 ] Ejercicio 5:

Se debe diseñar una caseta acústica con una IL de 36 dB en la banda de octavas de 2 kHz; el material utilizado tiene un coeficiente de transmisión de 0.0002 en esta banda. Determine el coeficiente promedio de absorción requerido dentro de la caseta. Ejercicio 6:



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Si el cuarto donde se va a colocar la caseta acústica es muy grande en comparación con la caseta, se puede usar el siguiente método aproximado, el cual da resultados con un margen de precisión de unos 10 dB. Se hacen las estimaciones solo en base a la absorción y la TL de las superficies de la caseta. Si las paredes y techo de la caseta no existieran, su coeficiente de absorción sería 1. Una vez colocadas las paredes y techo, su absorción promedio esS 1 1 . Entonces, el incremento en el nivel de presión reverberante dentro de la caseta es L p1

10 log

Ao S 1

1

Si la pérdida por transmisión es TL 10 log

1

entonces el L p2 fuera de la caseta es

1

L p2 = L p1 – TL.

Si las paredes se recubren con aislante, la reducción en el nivel de presión reverberante es L' p

10 log

A f Ao

.

El nivel sonoro cerca de una máquina cepilladora de madera es 96 dBA en la banda de 500 Hz. Se propone recubrirla con una caseta acústica de 16 x 32 x 12 pies de Ejemplo:

alto. Se hará de plywood de ½” con tirantes de madera de 1.5” x 3.5”. En las paredes los tirantes tendrán una separación de 24” entre centros. El techo se reforzará con tirantes con separación de 12”. Habrá dos aberturas de 2’ x 3 ‘ cada una, para introducir y sacar

los tablones de madera a ser cepillados. ¿Se puede obtener 80 dBA @ 500 Hz en el exterior cerca de la caseta? ¿Cerca de las aberturas? ¿Qué efecto tendrá un recubrimiento de 3” de material aislante térmico?



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Caseta (12’ alto)

Salida de material

16’

Cepilladora Alimentación de material a través de abertura 2’x3’

32’

Puesto que muchos detalles importantes no se consideran (ventilación, información sobre puertas y ventanas, por ejemplo) este ejercicio solo nos da una estimación preliminar de la solución del problema de ruido. Solución:

Calculamos las TL a 500 Hz de las paredes, techo y aberturas de la caseta. El plywood de ½” pesa

½ pulg x 3 lb/pie2/pulg = 1.5 lb/pie2 Asumiendo un peso de los tirantes de 1.05 lb/pie2/pie, las paredes pesarán 1.5 + (1.05/2) = 2.0 lb/pie2 y el techo pesará 1.5 + 1.05 = 2.5 lb/pie2 Siguiendo el procedimiento usual se calcula: TL pared = 27 dB,


TLtecho = 29 dB


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TLeq

10 log

1140 10

2.7

512 10

2.9

12 10 0

20 dB (a 500 Hz )

1140 512 12

Encontramos el incremento del nivel de presión reverberante dentro de la caseta. Para esto calculamos la absorción con y sin caseta. Asumimos que unos 20 pies2 de piso están cubiertos por virutas y polvo de madera. Absorción sin caseta (500 Hz): Piso de concreto (menos 20 pies2) Virutas Paredes Techo Aberturas

Área 492

A 0.01

5

20 1140 512 12

0.40 1 1 1

8 1140 512 12 Ao = 1677 sabinos

Absorción con caseta (500 Hz): Área 492

Piso de concreto (menos 20 pies2) Virutas Paredes Techo Aberturas

L p1

10 log

A

20 1140 512 12

Ao A1

10 log

1677 355

0.01

5

0.40

8

0.20

228

0.20

102

1

12 A1 = 355 sabinos

7 dB @ 500 Hz

L p1 = 96 + 7 = 103 dBA dentro de la caseta.

Fuera de la caseta: L p2 = 103 – 20 = 83 dBA no se logran 80 dBA fuera de la caseta.



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Recalculamos el incremento reverberante cuando se recubren las paredes con aislante. Área 492

Piso de concreto (menos 20 pies2) Virutas Paredes Techo Aberturas

L p1

10 log

20 1140 512 12

Ao A1

10 log

355 1661

A 0.01

5

0.40

8

0.99

1129 507

0.99

1

12 A1 = 1661 sabinos

7 dB @ 500 Hz

L p1 = 96 - 7 = 96 dBA dentro de la caseta con aislante

Fuera de la caseta: L p2 = 96 – 20 = 76 dBA se cumple el objetivo, pero con solo un pequeño margen de seguridad (4 dBA).

Hay que realizar un análisis más detallado. Se podría mejorar la TL a través de las paredes y el techo.

Realice los cálculos del ejemplo anterior en la banda de 250 Hz. El nivel sonoro en esa banda es 84 dBA. Asuma que las TL de las paredes, techo y aberturas son 21, 24 y 0. Asuma también que las no cambian. . Ejercicio 7:



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2. B arreras Ac ústi cas Las barreras acústicas se interponen entre una fuente sonora y un receptor, con el objeto de disminuir el sonido directo recibido por el receptor, produciendo una “zona de “sombra” en el lado del receptor.

Las barreras son más efectivas en exteriores, pero si se colocan dentro de un cuarto, se pueden recubrir con material absorbente para incrementar la absorción total del cuarto. Las barreras constituyen una especie de cubierta parcial de la fuente que reduce el sonido dirigido en una sola dirección. Para barreras de material no-poroso, con suficiente densidad superficial, el sonido que llega al receptor es debido a la difracción del sonido alrededor de los bordes de la barrera. Debido a las limitaciones impuestas por la difracción, no se acostumbra a usar barreras muy pesadas, solo se requiere que la TL del material sea siquiera 5 dB mayor que la atenuación producida por la barrera (masa entre 10 y 20 kg/m2). La atenuación producida por la barrera disminuye con la distancia, y también puede ser afectada, si está colocada en exteriores, por la velocidad del viento y por gradientes de temperatura, pues ambos producen refracción del sonido.

2.1 Barrera colocada en el exterior

Para una barrera de longitud infinita colocada en un campo libre, se puede utilizar la fórmula de Maekawa. IL

N

20 log

2

2 N tanh 2 N

( A B


d )

5,

dB

2


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Donde IL es la atenuación producida por la barrera, en dB, N es el número de Fresnel, y la longitud de onda del sonido. A Fuente

B d

Receptor

A + B es la longitud de la trayectoria más corta alrededor de la barrera. d es la distancia directa de la fuente al receptor.

Normalmente hay que considerar también las trayectorias difractadas alrededor de los bordes laterales de la barrera y las trayectorias reflejadas del suelo. Sin embargo, si la barrera es larga (longitud 4 veces la altura) y el suelo es absorbente (hierba, por ejemplo), estos efectos son menores.



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Uso de barreras cerca de carreteras. (Medición de L10, dBA; carretera de 4 carriles con

tráfico de 5000 vehículos por hora a 85 km/h y 5% son camiones)

Un vecino de una planta industrial se ha quejado del ruido producido por una descarga de aire de un ventilador en el techo de la planta. Se han hecho mediciones en el exterior de la ventana del dormitorio del vecino, y efectivamente se requiere las siguientes reducciones de ruido para cumplir con las ordenanzas: Ejemplo:

Reducción de ruido, dB

125 5

Frecuencia, Hz 250 500 11 8

1000 3

Se ha propuesto mover la descarga al lado opuesto de un tragaluz alto que existe en el techo. ¿Será esto suficiente? ¿Qué ocurre con los efectos de directividad de la fuente?



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20’

100’

10’

Posición propuesta

Descarga ruidosa

28’

23’ 13’

Solución:

a) Moviendo la descarga a la nueva posición aumenta la distancia de 100 pies a 120 pies. La atenuación adicional será: Adist = 20 log (d /do) = 20 log (120/100) = 2 dB

b) La altura del tragaluz hará que éste actúe como una barrera. A 102 (28 23) 2 11.18 pies , d 1202 (23 13) 2 1102

B

(28 13) 2

111.02 pies

= A + B – d = 1.78 pies , N = 2 / = f / 565

N

2 N

120.42 pies

125 0.394 1.573

= c / f = (1130 p/s) / f

Frecuencia, Hz 250 500 0.788 1.575 2.225 3.146

1000 3.150 4.449

0.9175 0.9769 0.9963 0.9997 ILbarrera 10 12 15 18 2 2 2 2 Adistancia NRcalculada 12 14 17 20 NRrequerida 5 11 8 3 ___________________________________________________ tanh 2 N



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El efecto de la barrera permite cumplir con la ordenanza en todas las bandas de frecuencia, pero especialmente a las frecuencias superiores, como era de esperarse. c) La forma de la fuente sonora parece sugerir que es altamente direccional entre su parte frontal y su parte posterior. (Esto habría que medirlo). Si se le da la vuelta al ducto de descarga en su posición actual, hay que considerar su cercanía al tragaluz, lo cual también produce un efecto direccional. Si se le da la vuelta al ducto, y se lo coloca atrás del tragaluz, la atenuación debe mejorar.

Ejercicio 8: Una barrera colocada en exteriores tiene una altura de 15’, y está hecha de ladrillos huecos. La fuente se encuentra a 25’ de la barrera y el receptor a 80’ de la

barrera. La fuente emite en forma isotrópica una potencia acústica de 3 W a una frecuencia de 1 kHz. Determine el nivel de presión sonora en el receptor si la velocidad del sonido es 1128 pies/s.

La descarga de un ventilador industrial se encuentra sobre un techo perfectamente plano y a la misma altura de una ventana de un dormitorio de una Ejercicio 9:

residencia, la cual se encuentra a 88’ de distancia. La ordenanza requiere que no se

exceda 50 dBA en la ventana en la noche. Puesto que el ventilador debe funcionar en la noche, se ha propuesto construir una barrera como se muestra en la figura.

8’

10’ 20’

5’ 80’

Ventana 10’



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Los siguientes datos han sido tomados en la ventana en una noche clara y sin viento, con el ventilador en funcionamiento.

L p (dB)

63 55

125 62

Frecuencia, Hz 250 500 65 59

1000 51

2000 46

4000 42

¿Se cumplirá con los requisitos de la ordenanza? (Recuerde tomar en cuenta las trayectorias difractadas laterales además de la superior). ( Nota: Las atenuaciones producidas por las diferentes trayectorias difractadas se suman logarítmicamente pero como números negativos). Inicialmente, el L p en un punto de observación es debido al sonido directo que llega de una fuente y al reflejado del suelo. Asuma que la trayectoria reflejada sufre una atenuación de 5 dB. Si se introduce una barrera muy larga, se crean 4 trayectorias, con atenuaciones respectivas de 4, 6, 7, y 10 dB. Calcule la IL de la barrera. [1.4 dB] Ejercicio 10:



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