Manual Medidas Manual medidas acusticas y control del ruidoAcusticas y Control Del Ruido (M. Harris) 3ª Ed

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS

y

CONTROL DEL RUIDO (TERCERA EDICION)

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO (TERCERA EDICION) Cyril M. Harris Ph. D. Editor Departamento de Ingeniería Eléctrica Escuela de Postgrado de Arquitectura Planificación y Conservación Universidad de Columbia

Traducción AURORASUENGASGOENETXEA Ph. D., Facultad de Psicología, Universidad Complutense de Madrid

JUAN JOSE RODRIGUEZ Ldo. Filología Inglesa Universidad del País Vasco

Revisión técnica IGNACIO ESPAÑOL ETXANIZ Ph.D., Prof. Ingeniería Ambiental Universidad Politécnica de Madrid

Prólogo de JUAN MIGUEL HERNANDEZ LEON Catedrático. Subdirector-Jefe de Estudios Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid

McGraw-Hill MADRID. BUENOS AIRES· CARACAS· GUATEMALA· LISBOA· MEXICO· NUEVA YORK PANAMA· SAN JUAN· SANTAFE DE BOGOTA· SANTIAGO· SAO PAULO AUCKLAND· HAMBURGO· LONDRES· MILAN· MONTREAL· NUEVA DELHI • PARIS SAN FRANCISCO· SIDNEY· SINGAPUR· STo LUIS· TOKIO· TaRaNTa

La información contenida en este trabajo ha sido obtenida por McGraw-Hill Incorporated procedente de fuentes dignas de crédito. No obstante, ni McGraw-Hill ni los autores garantizan la exactitud o perfección de la información publicada. Ni McGraw-Hill ni los autores serán responsables de cualquier error, omisión o daño ocasionados por el uso de esta información. Este trabajo se publica con el reconocimiento expreso de que los autores están proporcionando una información, pero no tratando de prestar ningún tipo de servicio profesional o técnico. Si tal servicio fuera necesario, diríjase a un profesional adecuado para tal fin.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS © 1995, respecto a la primera edición en español, por McGRAW-HILLlINTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. Edificio Valrealty, 1. a planta Basauri,17 28023 Aravaca (Madrid) Traducido de la 3.a edición en inglés de: HANDBOOK OF ACOUSTICAL MEASUREMENTS AND NOISE CONTROL Copyright © MCMXCI por McGraw-Hill, Inc. ISBN: 0-07-026868-1 ISBN: 84-481-1619-4 Depósito legal: M. 18.679-1998 Editor: Antonio García Brage Cubierta: Estudio F. Piñuela Compuesto en: FER, Fotocomposición, S. A. Impreso en: Impresos y Revistas, S. A. (IMPRESA) IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

SOBRE EL EDITOR

Cyril M. Harris ha sido profesor en la Universidad de Columbia desde 1952, impartiendo clases en la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada y en la Escuela de Postgrado de Arquitectura, Planificación y Conservación, donde ha servido como Decano de la División de Tecnología Arquitectónica durante diez años. El Dr. Harris ha alcanzado reconocimiento internacional por su trabajo sobre control del ruido y diseño de auditorios. Ha sido consultor acústico para el Centro Kennedy en Washington; el Orchestra Hall en Minneapolis; el Powell Symphony Hall en San Luis; el centro Krannert en Urbana; el Symphony Hall en Salt Lake City; el Centro Nacional de Arte Dramático en Bombay; la reconstrucción del A very Fisher Hall, el Teatro Estatal de Nueva York y la Metropolian Opera House de Nueva York, y muchos otros auditorios artísticos. Recibió la medalla AlA del Instituto Estadounidense de Arquitectos, la medalla de oro y la medalla W. C. Sabine de la Sociedad Acústica Estadounidense, la medalla de oro de la Sociedad de Audio Ingeniería y la medalla Franklin del Instituto Franklin. El Dr. Harris es miembro de la Academia Nacional de Ciencias y de la Academia Nacional de Ingeniería. Recibió su Doctorado en Física en el MIT y tanto la Universidad Northwestern como el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey le han nombrado Doctor Honorífico. Es autor de numerosos artículos técnicos. Entre los libros que el Dr. Harris ha escrito o editado se encuentran: Acoustical designing in architecture, /llustrated dictionary of historie architecture y las siguientes publicaciones de McGraw-Hill: Handbook of acoustical measurements and noise control, Shock and vibration handbook y Dictionary of architecture and construction.

vii

CONTENIDO

Prólogo a la tercera edición

xvii

Prólogo a la edición española

xix

Capítulo 1.

1.1

Introducción

Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY 10027, EE. UU. Capítulo 2.

Definiciones, abreviaturas y símbolos

2.1

Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY 10027, EE. Uu. Capítulo 3.

Propagación del sonido al aire libre

3.1

J. E. Piercy, Ph.D. G. A. Daigle, Ph.D. Acústica y Procesamiento de la Señal, Institute for Microstructural Sciences, National Research Council, Ottawa, ON KIA OR6, Canadá. Capítulo 4.

El sonido en espacios cerrados

4.1

Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY 10027, EE. UU. Capítulo 5.

Instrumentos de medida acústica

5.1

Daniel L. Johnson, Ph.D., Director, Biophysics Operation, EG & G Special Projects, Alburquerque, NM 87119, EE. Uu. Alan H. Marsh, DyTec Engineering Inc., Huntington Beach, CA 92649, EE. Uu. Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY 10027, EE. Uu. Capítulo 6.

Instrumentos de medida de la vibración

6.1

Robert B. Randall, B. Tech, B.A., Senior Lecturer, Universidad de New South Wales, Kensington, N.S. W. 2033, Australia. ix

x Capítulo 7.

CONTENIDO

Transductores de vibración

7.1

Eldon E. Eller, Ingeniero Jefe de Proyectos. . Robert M. Whittier, Director, Investigación y Desarrollo, Endevo Corp. (subsidiaria de Allied Signal Aerospace Corp.), San Juan Capistrano, CA 92675, EE. Uu. Capítulo 8.

Análisis acústico y de vibraciones

8.1

Robert B. Randall, B. Tech, B.A., Senior Lecturer, Universidad de New South Wales, Kensington, N.S. W. 2033, Australia. Capítulo 9.

Técnicas de medida del ruido

9.1

John R. Hassall, M.Sc., Brüel and Kjaer, Naerum DK-2850, Dinamarca. Capítulo 10.

Técnicas de medida de la vibración

10.1

Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY /0027, EE.UU. Capítulo 11.

Niveles sonoros y su medida

11.1

David M. Yeager, Ph.D., P.E., ingeniero Consejero, IBM Acoustics Lab, Boca Raton, FL 33432, EE. Uu. Alan H. Marsh, DyTec Engineering inc., Huntington Beach, CA 92649, EE. UU. Capítulo 12.

Medida de la exposición sonora, sonido y dosis de ruido

12.1

Alan H. Marsh, DyTec Engineering Inc., Huntington Beach, CA 92649, EE. Uu. Williarn V. Richings, Consultor, Chalfont, Sto Peter, Buckinghamshire, SL90JJ, Reino Unido. Capítulo 13.

Medida de la potencia sonora

13.1

Williarn W. Lang, Ph.D., P.E., Director de Programa, iBM Corporation, Poughkeepsie, NY i2602, EE.UU. Capítulo 14.

Medida de la intensidad sonora

14.1

Malcolrn J. Crocker, Ph.D., Profesor de Universidad, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Auburn, Aurbun, AL 36849, EE. Uu. Capítulo 15.

Normas de medida y códigos de ensayo

15.1

Williarn W. Lang, Ph.D., P.E., Director de Programa. Matthew A. Nobile, Ph.D., Ingeniero Acústico. IBM Corporation, Poughkeepsie, NY 12602, EE.UU. Capítulo 16. hablada

Efectos del ruido y la reverberación sobre la comunicación 16.1

Harry Levitt, Ph.D., Profesor Distinguido de Ciencias del Habla y la Audición, Center for Research in Speech and Hearing Sciences, Universidad de la Ciudad de Nueva York, Nueva York, NY /0036, EE.UU. John C. Webster, Ph.D., Consultor, Spencerport, NY 14559, EE. uu. Capítulo 17.

Características de la audición

17.1

Arnold M. Srnall, Jr., Ph.D., Profesor, Departamentos de Patología del Habla y Audiología y de Psicología, Universidad de Iowa, Iowa City, iA 52242, EE. Uu.

CONTENIDO

xi

Robert S. Gales, Consultor, anteriormente Director, Airborne Acoustics Branch, Naval Ocean Systems Center, San Diego, CA 92109, EE.UU. Capítulo 18.

Pérdida de audición por exposición al ruido

18.1

William Melniek, Ph.D., Profesor, Departamento de Otolaringología, Universidad Estatal de Ohio, Columbus, OH 43210, EE.UU. Capítulo 19.

Evaluación de la audición

19.1

Mauriee H. Miller, Ph.D., Profesor de Patología del Lenguaje y Audiología, Universidad de Nueva York; Director, Center for Communications Disorders, Lenox Hill Hospital, Nueva York, NY 10021, EE.UU. Laura Ann Wilber, Ph.D., Profesora de Audiología y Limitaciones Auditivas, Universidad Northwestern, Evanston, IL 60208, EE. Uu. Capítulo 20.

Pérdida de audición: responsabilidad legal

20.1

Allen L. Cudworth, Se.D., Vicepresidente, Liberty Mutual Insurance Co., Boston, MA 02117, EE.UU. Capítulo 21.

Aparatos de protección auditiva

21.1

Charles W. Nixon, Ph.D., Director, Bioacustics and Biocommunications, Armstrong Aerospace Medical Re,~earch Laboratory, Wright Patterson Air Force Base, Dayton, OH 45433, EE.UU. Elliot H. Herger, M. S., Director, Ingeniero Acústico, Cabot Safety Corp., Indianapolis, IN 46268, EE. UU. Capítulo 22.

Programas de conservación de la audición

22.1

Larry H. Royster, Ph.D., Profesor de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Estatal de North Carolina, Raleigh, NC 27695, EE. Uu. Julia Doswell Royster, Ph.D., Presidenta, Environmental Noise Consultants, Inc., Raleigh, NC 27622, EE. Uu. Capítulo 23.

Molestias inducidas por el ruido en individuos y comunidades

Sanford Fidell, Científico Jefe, BBN Systems & Technologies (una división de Boft Beranek and Newman Inc.), Canoga Park, CA 91304, EE. UU. David M. Green, Ph.D., Profesor de Psicología, Universidad de Florida, Gainesville, FL 32611, EE.UU. Capítulo 24.

Rendimiento humano y ruido

24.1

Dylan M. Jones, Ph.D., Lector de Universidad, Escuela de Psicología, Universidad de Wales, College at Cardiff, Cardiff, CFI 3YG, Reino Unido. Donald E. Broadbent, C.B.E., Se.D., F.R.S., Personal Externo, Medical Research Council, Departamento de Psicología Experimental, Universidad de Oxford, Oxford, OXI 3 UD, Reino Unido. Capítulo 25.

Efectos fisiológicos del ruido

25.1

Gerd Jansen, Dr. Med. Dr. Phi\., Profesor de Universidad de Medicina Ocupacional, Institut für Arbeitmedizin der Universsitlit Düsseldorf, Düsseldorf D-4000, Alemania.

xii Capítulo 26.

CONTENIDO

Criterios de exposición al ruido y la vibración

26.1

Henning E. von Gierke, D. Eng., Director Emérito, Biodynamics and Engineering Division, Armstrong Aerospace Medical Research Laboratory, Wright Patterson Air Force Base, Dayton, OH 45433; Profesor Clínico, Escuela de Medicina, Universidad Estatal de Wright, Dayton, OH 45041, EE.UU. W. Dixon Ward, Ph.D., D.Se., Profesor, Departamentos de Trastornos de la Comunicación, Otolaringología y Salud Ambiental, Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN 55414, EE.UU. Capítulo 27.

Principios de control de la vibración

27.1

Cyril M. Harris, Ph.D., Profesor Emérito Charles Batchelor de Ingeniería Eléctrica y Profesor Emérito de Arquitectura, Universidad de Columbia, Nueva York, NY 10027, EE.UU. Capítulo 28.

Técnicas de control de la vibración

28.1

Erie E. Ungar, Eng. Se. D., Ingeniero Consultor Jefe, Bolt Beranek and Newman Inc., Cambridge, MA 02138, EE. Uu. Douglas H. Sturz, Consultor Jefe, Acentech 1ncorporated (una compañía Bolt Beranek and Newman), Cambridge, MA 02140, EE. Uu. Capítulo 29. 1.a Parte: Tipos y características de los aisladores de vibración

29.1

R. H. Raeea, Ingeniero Principal, Barry Wright Corporation, Watertown, MA 02/72, EE. Uu. Capítulo 29.

2. a Parte: Selección y aplicaciones de los aisladores de vibración 29.17

Harry L. Hain, Ingeniero. John J. Heintzel, Ingeniero. Charles J. Leingang, Ingeniero. Lord Corp., Erie, PA 16506, EE.UU. Capítulo 30.

Materiales absorbentes del sonido

30.1

Ron Moulder, Investigador Científico Principal, Bettelle Memorial Institute, Columbus, OH 43201, EE.UU. Capítulo 31.

Aislamiento del sonido transmitido por el aire

31.1

A. C. C. Warnoek, Ph.D., Oficial Jefe de Investigación. J. D. Quirt, Director. Sección de Acústica, Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada, Ottawa, ON K1A OR6, Canadá. Capítulo 32.

Aislamiento del sonido transmitido por estructuras

32.1

István L. Vér, Ph.D., Consultor Principal, Bolt Beranek and Newman Inc., Cambridge, MA 02138, EE. Uu. Douglas H. Sturz, Consultor Jefe, Acentech Incorporated (una compañía Bolt Beranek and Newman), Cambridge, MA 02140, EE. Uu. Capítulo 33.

Control del ruido en edificios

33.1

A. C. C. Warnoek, Ph.D., Oficial Jefe de Investigación. J. D. Quirt, Director. Sección de Acústica, Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada, Ottawa, ON KIA OR6, Canadá.

CONTENIDO

Capítulo 34.

Ruido de motores eléctricos

xiii 34.1

James B. Moreland, M. B. A., Director, Total Quality, Westinghouse Science and Technology Center, Pittsburg, PA 15235, EE.UU. Douglas H. Cashmore, B.Sc. (Hons.), M.Sc., Ingeniero Principal, Centrilift (una compañía Baker Hughes), Claremore, OK 74017, EE. Uu. Capítulo 35.

Ruido de transformadores

35.1

James B. Moreland, M. B. A., Director, Total Quality, Westinghouse Science and Technology Center, Pittsburg, PA 15235, EE.UU. Ramses S. Girgis, Ph.D., ABB T&D Company, Power Transformer Division, Muncie, IN 47307, EE. Uu. Capítulo 36.

Ruido de engranajes

36.1

William D. Mark, Ph.D., Científico Principal, Bolt Beranek and Newman lnc., Cambridge, MA 02138 (actualmente en la Universidad Estatal de Pensilvania, Laboratorio de Investigación Aplicada, University Park, PA 16802), EE. uu. Capítulo 37.

Ruido de cojinetes

37.1

F. P. Wardle, Ph.D., C. Eng., M.1. Mech, E., RHP Ud., Bodegraven 2411 PK, Países Bajos. Capítulo 38.

Medida y análisis del ruido de maquinaria

38.1

Richard H. Lyon, Ph.D., Presidente. Richard G. Cann, P. E., Consultor de la Corporación. David L. Bowen, Consultor Jefe RH Lyon Corp., Camln'idge, MA 02138, EE. uu. Capítulo 39.

Control del estado de la maquinaria

39.1

Joelle Courrech, D. Eng., Ingeniero Jefe de Aplicaciones, Brüel and Kjaer, Naerum DK-2850, Dinamarca. Caprtulo 40.

Control del ruido de maquinaria

40.1

eolin G. Gordon, Presidente, Colin Gordon and Associates, San Mateo, CA 94402, EE. UU. Robert S. Jones, M.E., Consultor Acústico, Acentech Incorporated, Rio Rancho, NM 87124, EE.UU. Capítulo 41.

Ruido de ventilación

41.1

J. Barrie Graham, P.E., Consultor, Graham Consultants, Santa Fe, NM 87501, EE.UU. Robert M. Hoover, Consultor Acústico, Hoover & Keith, lnc., Houston, TX 77082, EE. Uu. Capítulo 42. Control del ruido en calefacciones, ventilación y sistemas de aire acondicionado 42.1

Robert M. Hoover, Consultor Acústico, Hoover & Keith, Inc., Houston, TX 77082 Warren E. Blazier, Jr., Consultor Principal, Warren Blazier Associates, Inc., San Francisco, CA 94109, EE.UU.

xiv

CONTENIDO

Capítulo 43. Criterios para el control de ruido en calefacciones, ventilación y sistemas de aire acondicionado

43.1

Warren E. Blazier, Jr., Consultor Principal, Warren Blazier Associetes, Inc., San Francisco, CA 94109, EE. Uu. Capítulo 44.

Sistemas de ventilación para pequeños equipos

44.1

George C. Maling, Jr., Ph.D., P.E., Físico Jefe, IBM Corporation, Poughkeepsie, NY 12602, EE.UU. Andrew L. Boggess, Jr., M.Sc., Ingeniero Principal, EG&G Rotron, Woodstock, NY 12498, EE.UU. Capítulo 45.

Control del ruido de la fontanería en edificios

45.1

John J. Van Houten, P.E., Consultor Principal, J.J. Van Houten & Associates, Inc., Anaheim, CA 92805, EE. Uu. Capítulo 46.

Ruido y vibraciones del transporte por ferrocarril

46.1

Carl E. Hanson, Ph.D., Vicepresidente. Hugh J. Saurenman, Ph.D., P.E., Consultor Jefe. David A. Towers, P.E., Consultor Jefe. Harris Miller Miller & Hansen, Lexington, MA 02173, EE. Uu. Capítulo 47.

Ruido de aviones

47.1

John Philip Raney, Ph.p., P.E., anterior Director de la Oficina de Predicción de Ruido de Aviación. Jimmy M. Cawthorn, anterior Técnico Aeroespacial. NASA Langley Research Center, Hampton, VA 23665, EE. Uu. Capítulo 48.

Previsión y control del ruido de autopistas

48.1

William Bowlby, Ph.D., P.E., Profesor Asociado de Ingeniería Civil, Universidad de Vanderbilt, Nashville, TN 37235, EE. UU. Capítulo 49.

Evaluación del ruido en zonas de edificación

49.1

George E. Winzer, Director, Winzer Associates, Acoustical & Environmental Consultants, Rockville, MD 20855, EE. UU. Capítulo 50.

Mediciones del ruido comunitario

50.1

Dwight E. Bishop, Presidente, Acoustical Analysis Associates Inc., Canoga Park, CA 91303, EE.UU. Paul D. Schomer, Ph.D., P.E., Director de Acústica/Investigación de Ruido Ambiental, U.S. Army Construction Engineering Research Laboratory, Champaign, IL 61824, EE. Uu. Capítulo 51.

Ruido y legislación

51.1

Albert J. Rosenthal, Profesor Emérito de Derecho Maurice T. Moore y Decano Emérito de Derecho, Universidad de Columbia, Nueva York, NY /0027, EE. Uu.

CONTENIDO

Capítulo 52. legales

xv

Pleitos causados por el ruido de aviones: revisión de casos 52.1

Ricarda L. Bennet, J.D., Abogada; Directora, Heliport Consultants, Westlake Village, CA 91361, EE.UU. Gary Hoover, J.D., Gatze, Mispagel & Dillon, Carlsbad, CA 92009 (actualmente Ayudante del Fiscal del Distrito, County of San Diego, CA 92101), EE. UU. Capítulo 53.

Regulación sobre ruido de la aviación

53.1

Richard J. Linn, Coordinador Jefe, Planificación Ambiental, American Airlines, Dallas/Fort Worth Airport, TX 75261, EE. UU. Richard N. Tedrick, Ph.D., Federal Aviation Administration, Washington, DC 20591, EE.UU. Capítulo 54.

Estudios de impacto ambiental

54.1

Henning E. von Gierke, D.Eng., Director Emérito, Biodynamics and Engineering Division, Armstrom Aerospace Medical Research Laboratory, Wright Patterson Air Force Base, Dayton, OH 45433; Profesor Clínico, School of Medicine, Wright State University, Dayton, OH 45401. Kenneth M. Eldred, Director, Ken Eldred Engineering, Concord, MA 0172. Robert K. Break, J.D., Partner, Latham & Watkins, Attorneys, Costa Mesa, CA 92626.

PROLOGO A LA TERCERA EDICION

Cuando se publicó la primera edición del Handbook of noise control en 1957, distintos aspectos del control del ruido eran tratados en revistas científicas especializadas y en informes de instituciones gubernamentales y organizaciones industriales. Esta información no siempre era fácilmente accesible. Más aún, existía la necesidad de un trabajo competente que cubriera toda el área. El manual satisfizo esta necesidad y fue también el primer libro sobre control del ruido publicado en Estados Unidos. Incluyó una considerable cantidad de información técnica, no disponible previamente, y definió por primera vez el término control del ruido: el control del ruido es la tecnología para obtener un entorno de ruido aceptable para un receptor de acuerdo con consideraciones económicas y operativas; el receptor puede ser una persona, un grupo de personas, una comunidad completa, o una pieza del equipamiento cuyo funcionamiento se ve afectado por el ruido. En los años que siguieron, muchos países implantaron legislaciones sobre control del ruido y éste se convirtió en un asunto de creciente importancia social y económica, dando lugar a nuevos métodos técnicos de control. De forma acorde, el Handbook ofnoise c
xviii

PROLOGO A LA TERCERA EDICION

terísticas auditivas, pérdida de la audición por exposición al ruido, evaluación de la audición, aparatos de protección auditiva, programas de conservación de la audición y responsabilidad por la pérdida de la audición; efectos del ruido sobre la comunicación hablada, molestias, rendimiento humano y fisiología; criterios para la exposición al ruido y a la vibración; métodos de medida, evaluación y control del ruido y la vibración en edificios; maquinaria y equipamiento ruidosos (características, medida, análisis, seguimiento y métodos de control); medida y control del ruido en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, incluidos los criterios de control del ruido empleados en el diseño de estos sistemas; ruido de los transportes; ruido de la comunidad; y normas y legislación sobre ruido (incluidos litigación y estudios de impacto ambiental). La gran cantidad de información técnica contenida en este libro ha sido recogida a partir de muchas fuentes. El material ha sido reproducido, con permiso, de libros y publicaciones registradas de varias sociedades técnicas, fundamentalmente la Acoustical Society of America, el Institute of Noise Control Engineering y la American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers Inc. Algunos de los autores han estado contratados por el Gobierno de Estados Unidos. El material incluido en sus capítulos ha sido cedido para publicación, pero, dado que éstas son contribuciones personales, los contenidos no reflejan necesariamente el punto de vista oficial del departamento o institución relevante. Las publicaciones de las normativas de las organizaciones de varios países y de organizaciones internacionales -sobre todo, la International Organization for Standardization y la International Electrotechnical Commission- han constituido otras valiosas fuentes. Copias de estas publicaciones pueden obtenerse por escrito de las organizaciones apropiadas en las direcciones que aparecen en el Capítulo 15. Los criterios citados en el texto han resultado de los esfuerzos desinteresados de los miembros de varios comités nacionales e internacionales, con quienes hemos contraído una deuda de gratitud. Se debe un agradecimiento especial a Harold B. Crawford, editor jefe de libros técnicos y de ingeniería de McGraw-Hill lnc.; Margaret Lamb, directora de edición en McGraw-Hill's Professional Publishing Group; y, sobre todo, Laura Givner, supervisora de edición en el Professional Publishing Group. Cyril M. Harris

PROLOGO A LA EDICION ESPANOLA

-

El manual técnico tiene una importante tradición en la cultura anglosajona. Su utilidad proviene de una serie de premisas suficientemente conocidas pero de difícil consecución; la concisión, claridad expositiva y una enorme dosis de pragmatismo. El manual es una alternativa histórica al Tratado de arquitectura y una consecuencia de la fragmentación histórica del conocimiento y la concepción unitaria del proyecto. Para el tratadista clásico, no existía una diferencia determinante entre los aspectos técnico-constructivos y aquellos derivados de una voluntad estética, como puede ser la teoría proporcional. Esta actitud cobra su sentido en el marco de una estrategia proyectual que adopta, de forma implícita, la idea de tipo edificatorio. Con todo, la consideración de la práctica edificatoria como un hecho sintético no excluye que su fundamento teórico sea racional. El «tratado» tenía como objetivo proponer un «método» basado en unos principios inmanentes, en la naturalidad de la clasificación tipológica, mientras que el «manual» decimonónico elabora un sistema normativo: construir una teoría más allá de los principios. En ambos casos se aspiraba a conseguir una fundamentación lógica de la forma arquitectónica. El carácter «científico» de las nuevas aproximaciones a la práctica edificatoria favorece la proliferación de manuales que la abordan desde las distintas áreas de conocimiento que tienen en aquella su ámbito de confluencia. Así, del conocimiento de una serie de formas «estables» pasamos a la realización de análisis estructurales, donde la aproximación a un modelo más real condujo a considerar la naturaleza elástica de los materiales. Es decir, a configurarse como una disciplina con sus propias leyes, que despliega su investigación sistemática en torno a conceptos abstractos como el de «estabilidad» o «resistencia». La física de la construcción es otro campo científico desde el que se consideran aquellos aspectos relacionados con la vieja aspiración de conseguir la habitabilidad de los espacios, de lo que denominaríamos «control ambiental», y lo entendemos desde la correcta solución constructiva hasta aquellos aspectos más relacionados con la percepción individual o colectiva de la «calidad» ambiental. El peligro de estos desarrollos autónomos estriba en perder la perspectiva del objetivo común que los justifica. Dicho de otra forma, y desde el punto de vista de la formación de los profesionales que intervienen en este complicado proceso, no asumir su carácter «instrumental». Creo que este manual, que se presenta ahora traducido al castellano, cumple sobradamente las premisas exigidas y soslaya aquellos riesgos avisados. En efecto, este manual ofrece la novedad, respecto a la bibliografía existente en nuestro idioma, de centrarse en todos aquellos parámetros ambientales que inciden en la propia definición de «control de ruidos». No es, por tanto, ningún manual de acústica. Y re-

xix

xx

PROLOGO A LA EDICION ESPAÑOLA

marcar esta aparente obviedad, responde a la necesidad de despejar cualquier posible confusión en cuanto a su contenido. El libro ha sido redactado, en sus diferentes capítulos, por especialistas en cada área específica, respondiendo a una estructura que parte de las definiciones más generales hasta el análisis y control de las distintas fuentes de ruido, pasando por sus incidencias psico-fisiológicas sobre el individuo. Su mayor mérito está en la homogeneización, tanto en cuestiones que podríamos denominar formales, como en la gradación y contenidos. y lo que es más importante, aborda una problemática ambiental extremadamente descuidada por todos los técnicos participantes en la edificación española. Este texto, sin ninguna duda, aportará una herramienta de enorme utilidad para el conocimiento práctico de una temática determinante en lo que hoy entendemos como calidad ambiental. Madrid, octubre 1995 JUAN MIGUEL HERNÁNDEZ LEÓN

Catedrático. Subdirector-Jefe de Estudios Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid

Capítulo

1

INTRODUCCION Cyril M. Harris

El sonido es una alteración física en un medio (v.g., en un gas, líquido o sólido) que puede ser detectada por el oído humano·. El medio por el cual viajan las ondas sonoras ha de poseer masa y elasticidad. Por tanto, las ondas sonoras no viajarán a través de un vacío. Las ondas sonoras en el aire están causadas por las variaciones de presión por encima y por debajo del valor estático de la presión atmosférica. [La presión atmosférica tiene un valor de aproximadamente 105 pascales (abreviado, Pa), que es equivalente a 106 dinas/cm 2, 105 newtons/m2 (N/m 2) o 14,7 Ib/ft 2 , a nivel del mar a OoC (32°P)]. Estas variaciones de presión se originan de muchas maneras, por ejemplo: 1. Por una corriente de aire pulsante, como la que producen las aspas del ventilador al girar. 2. Por torbellinos, que se producen cuando una corriente de aire choca con una obstrucción, como ocurre en una salida de aire en un sistema de ventilación. 3. Por el vuelo supersónico de un avión, que crea ondas de choque. 4. Por la vibración de una superficie, por ejemplo, una partición. Considérese, por ejemplo, la generación de ruido por el mecanismo anterior 4. En la Figura 1.1 se muestra un dibujo simplificado de lo que ocurre. A medida que la superficie se mueve hacia la derecha, hay un descenso instantáneo en el volumen de la «capa» de aire adyacente a la superficie y, por tanto, un aumento de su densidad. Así, se produce una compresión del aire en esta capa. Dado que la presión en la capa comprimida es mayor que la existente en la atmósfera circundante inalterada, las partículas de aire de la capa tienden a moverse hacia fuera y a comprimir

* El sonido también puede definirse como la sensación auditiva excitada por una perturbación física en un medio. 1.1

1.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO ENRARECIMIENTO

COMPRESION

~

¿

I,UNA LONGITUD. I DE ONDA

FIGURA 1.1.

La generación de ondas sonoras por una superficie vibrante.

una segunda capa. Esta segunda capa transmite entonces este movimiento a la capa siguiente y así sucesivamente. Cuando la superficie invierte la dirección, prevalecen las condiciones opuestas. Entonces hay un aumento instantáneo en el volumen de la capa de aire adyacente a la superficie; se produce un enrarecimiento del aire en esta capa. Esta capa enrarecida sigue a la capa de compresión en la misma dirección hacia fuera y viaja a la misma velocidad, denominada velocidad del sonido. La sucesión de capas de compresión y depresión desplazándose hacia el exterior da como resultado el movimiento ondular y, en un punto determinado del espacio, produce aumentos y descensos alternativos de presión. Las partículas individuales del aire que vibran y transmiten las ondas no modifican su posición media; simplemente vibran alrededor de estas posiciones medias. La distancia máxima media que se desplazan las partículas desde su posición de equilibrio se denomina amplitud del desplazamiento. Se denomina velocidad de las partículas a la de éstas al balancearse alrededor de sus posiciones de equilibrio. En la primera parte de este capítulo se presenta una descripción de las propiedades básicas de las ondas sonoras. Se describen los distintos tipos de «niveles» empleados en acústica. Estos incluyen: nivel de presión sonora, nivel sonoro ponderado, nivel sonoro con ponderación A, nivel sonoro de banda de octava, nivel sonoro de banda de un de octava, nivel de potencia sonora, nivel de potencia sonora con ponderación A y otros muchos niveles utilizados en el campo de control del ruido. A continuación se presenta una descripción mostrando cómo pueden combinarse los niveles. El último tema plantea una introducción al ruido, cómo se transmite y cómo puede controlarse. Otros capítulos consideran otros temas relacionados con este campo; se aconseja al lector que consulte el índice.

PROPIEDADES DEL SONIDO Velocidad del sonido

La velocidad del sonido es la velocidad a la que se desplazan las ondas sonoras. A una temperatura de 20 oC (68 °P), la velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/seg (1127 ft/s). La temperatura del aire tiene un efecto significativo sobre la velocjdad del sonido. La velocidad aumenta en aproximadamente

INTRODUCCION

1.3

0,61 mlseg por cada aumento de 1 oC en la temperatura (un aumento de aproximadamente 1,1 ft/s por cada aumento de 1 °F en la temperatura). En casi todos los problemas de control del ruido, se puede asumir que la velocidad del sonido es independiente de la frecuencia y la humedad. El sonido viaja mucho más deprisa en los sólidos que en el aire. Por ejemplo, la velocidad del sonido en ladrillo es aproximadamente 11 veces mayor que en el aire.

PROPIEDADES DE LAS ONDAS SONORAS Ondas planas; ondas esféricas

Cuando las ondas sonoras tienen la misma dirección de propagación en todos los puntos, se denominan ondas planas, porque los puntos de compresión máxima forman superficies planas perpendiculares a la dirección de propagación. Los puntos de máxirria depresión también son planos perpendiculares a la dirección de propagación. Esto se ilustra en la Figura 1.1. Estos planos de fase constante se denominan frentes de onda. Muchas fuentes sonoras emiten ondas en que los puntos de máxima compresión forman esferas concéntricas. Estas denominadas ondas esféricas se ilustran en la Figura 1.2. En muchos problemas de propagación del sonido en aire libre es mas cómodo emplear rayos sonoros que frentes de onda (ver Figura 3.3). Los rayos sonoros son líneas imaginarias que emanan de una fuente y que indican la dirección de propagación de las ondas sonoras. Los rayos sonoros siempre tienen una dirección perpendicular a los frentes de onda, como ilustra la Figura 4.1.

FIGURA 1.2.

Ondas esféricas radiadas a partir de una fuente puntual.

1.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Frecuencia

Por definición, la frecuencia de un fenómeno periódico, como una onda sonora, es el número de veces que este fenómeno se repite a sí mismo en un segundo (el número de ciclos por segundo). Habitualmente la frecuencia se designa mediante un número seguido de la unidad herzio (símbolo de la unidad: Hz). Por ejemplo, los dientes (púas) del diapasón que muestra la Figura 1.3 realizan 440 oscilaciones completas en un segundo. Por tanto, su frecuencia de vibración es 440 Hz. La Figura 17.2 muestra el rango de frecuencias que un adulto joven normal es capaz de oír. La frecuencia es un fenómeno físico que puede medirse mediante instrumentos adecuados. Está estrechamente relacionada, pero no es lo mismo, con el tono.

Longitud de onda

La longitud de onda de un sonido es la distancia perpendicular entre dos frentes de onda que tienen la misma fase; p.ej., entre máximos de compresión. Esta longitud es la misma distancia que la recorrida por la onda sonora en un ciclo completo de vibración. La longitud de onda, que se designa mediante la letra griega lambda, A, está relacionada con la frecuencia f (en herzios) y la velocidad del sonido c (en metros o pies por segundo) mediante la ecuación Af= c

(1.1)

El período T del movimiento ondular en segundos se obtiene mediante la expresión:

T= 1/f

(1.2)

La longitud de onda se expresa en metros o pies, dependiendo del sistema de unidades empleado. Por conveniencia, la relación presentada en la Ecuación (1.1) se muestra gráficamente en la Figura 1.4. Esta ilustración muestra, por ejemplo, que

FIGURA 1.3.

Un diapasón vibrando con una plumilla en el final de una de las púas. Sobre el papel encerado se traza una onda sinusoidal que se mueve a través de la plumilla a velocidad constante. (T. F. S. Harris 1 .)

1.5

INTRODUCCION

LONGITUD DE ONDA AEN PIES

100 50 I,! , , I I

1

10

20

10

20 I

I

I

I

,

I 50

I

I

1,

''I

100

2

5

,, , I , I

I

I

I

I

200

I

0,5 I

1,

I

''I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

0,2

0,1

I

1

1.000

500

FRECUENCIA EN HERZIOS

LONGITUD DE ONDA AEN METROS

10 I '.' I

20 I

10

I

20

5 I

I 50

II

II

I

I 100

I

0,1

0,5

2 I I I

I

200

I

I

I

I

I I

I

I

I

I

I

500

I I I

I

I

1.000

I

0,05

I "I II

I

I

I

I "1

5.000 10.000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 1.4. normal.

Longitud de onda de un sonido en el aire a 20 oC y presión atmosférica

un sonido con una frecuencia de 1000 Hz posee una longitud de onda de 3,4 m (11,3 ft). En muchos problemas de control del ruido, la longitud real de las ondas sonoras no es una consideración importante, sino que más bien lo es la proporción entre la longitud de onda y alguna otra dimensión. Por ejemplo: (1) las propiedades direccionales de la fuente de un sonido dependen de la relación entre la longitud de onda del sonido radiado y las dimensiones de la fuente; y (2) la eficacia de una barrera, al servir de escudo entre un punto a un lado de ella y la fuente de sonido al otro, depende de la proporción entre la altura de la barrera y la longitud de onda del sonido (véase el capítulo 3).

Movimiento armónico simple: tonos puros

La Figura 1.3 muestra el registro gráfico que se obtiene al mover un papel encerado a velocidad constante, bajo una plumilla conectada a un diapasón. Se denomina onda sinusoidal al trazo obtenido porque puede representarse matemáticamente mediante una función de seno, A sen (2'Trf)t, donde A es la amplitud de vibración de la púa, f es su frecuencia de vibración en herzios y t es el tiempo en segundos. La onda correspondiente a la variación de presión sonora que se propaga desde el diapasón hacia fuera en forma de ondas sonoras es la onda periódica que muestra la Figura 1.5. Se denomina periódica porque se repite a sí misma, exactamente, de una oscilación a la siguiente. El nivel de presión sonora resultante varía por encima y por debajo de la presión estática de la atmósfera de acuerdo con la relación

p = Po sen (2'Trf)t

(1.3)

donde Po es una constante denominada amplitud de presión. El movimiento descrito por una onda sinusoidal se denomina movimiento armónico simple. Una onda sonora compuesta solamente de una frecuencia única,

1.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1 CICLO ~

A

--

TIEMPO

1

T FIGURA 1.5.

segundo

Representación gráfica de una onda sinusoidal.

una onda sinusoidal, se denomina tono puro. Este movimiento armónico simple, ilustrado en la Figura 1.5, es importante debido a que se puede demostrar que todas las ondas sonoras están compuestas de una o más ondas armónicas simples.

Presión sonora

Considérese un punto en el espacio cerca de una fuente de sonido como el diapasón de la Figura 1.3. En el punto de observación, antes del paso de las ondas sonoras, la presión es igual a la atmosférica (estática), P. Cuando las ondas pasan por el punto de observación, la presión adicionalp (la presión sonora) debida al paso de éstas se obtiene mediante la Ecuación (1.3). La presión sonora suele expresarse en micropascales', abreviado j.LPa, en el sistema internacional de unidades. Así, la presión total en el punto de observación es igual a P + Po sen (27Tf)t

(1.4)

Armónicos

Supongamos una partición que es rígida y que se balancea con movimiento sinusoidal a una frecuencia de 50 Hz. Se generan ondas sonoras; la presión sonora resultante varía sinusoidalmente a una frecuencia de 50 Hz. Pero la mayoría de las superficies no son infinitamente rígidas y se flexionan, dando como resultado oscilaciones adicionales. El movimiento adicional genera ondas sonoras a frecuencias altas, por ejemplo, de 100, 150, 200, 250 ... Hz. Se denomina frecuencia fundamental a la más baja (50 Hz); se denominan armónicas a las frecuencias más altas que son múltiplos integrales de la fundamental. En este ejemplo, el componente de frecuencia de 100 Hz se denomina segundo armónico, el componente de frecuencia de 150 Hz se denomina tercer armónico y así sucesivamente.

*

1 pascal

=

1 newton/m2 (N/m 2)

=

10 dinas/cm2 ,

1.7

INTRODUCCION

Amplitud de raíz cuadrática media (RMS)

La amplitud de raíz cuadrática media (RMS) de una onda es la raíz cuadrada de la suma de los desplazamientos medios al cuadrado durante un período. Para una onda sinusoidal, la amplitud RMS, X rms , es 0,707 veces el valor máximo. Así, en la Figura 1.6a, como el valor máximo (la amplitud) es 3, el valor RMS es 0,707 veces 3, o sea, 2,12. También se muestra la media rectificada (el valor medio de la onda), X av , sin tener en cuenta si el desplazamiento es positivo o negativo. El movimiento total de una onda es la suma de movimientos de onda individuales. Así, en los ejemplos de las Figuras 1.6 y 1.7, las ondas sinusoidales que aparecen en (a) y (b) se suman; el resultado es el que muestra (c). En estas ilustraciones, la frecuencia de la onda sinusoidal en (b) es 3 veces la frecuencia en (a). En la Figura 1.6, las dos ondas están en fase, es decir, ambas ondas cruzan sus respectivas posiciones cero en la misma dirección al mismo tiempo. Nótese que el valor máximo de la combinación es un poco menos que el valor máximo de la mayor onda sinusoidal aislada. La Figura 1.7 muestra una combinación parecida de ondas sinusoidales, pero en este caso se dice que las ondas están desfasadas, es decir, en el momento inicial, cuando ambos desplazamientos son cero, un movimiento se dirige hacia arriba y el otro se dirige hacia abajo. La combinación de las ondas sinusoidales de (a) y (b) se muestra en (c). Aquí el movimiento de onda resultante es diferente al de la Figura 1.6(c), pero los valores RMS son los mismos en ambos casos. Una característica

x

Xmax = 3 _tX,ms_= 2,12_= 0,707 x max_= 1,11xav =~xav - 1,91 - 0,637 x max - 0,90 x,ms

r OI'---+------\---__+____+__ TIEMPO

(a)

f of\JPlA'd-T~Em~xp:

1

(b)

x

i

Xmax = 2,83 ¿'X,ms = 2,24 = 0,79x max = 1,05x av - -'x av = 2,12 = 0,75x max = 0,95x,ms

=

-

TIEMPO

(e)

FIGURA 1.6. (a) Una onda sinusoidal con una frecuencia f y una amplitud igual a 3f, v.g., 3 sen (2'ITflt. (b) Una onda sinusoidal con una frecuencia de 3fy una amplitud igual a 1, v.g., sen (6'ITflt. (e) Combinación de 3 sen (2'ITf)t + sen (6'ITflt; en fase.

1.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO Xmax =

3

_tX,ms_= 2,12_= 0,707 Xmax_= 1,11xav = ~xav - 1,91 - 0,637 x max - 0,90 x,ms

x

I°

r------I---\--t-------r-_ TIEMPO

(a)

to~~vr= \../1 TIEMPO

(b)

x

I°

",Xmax = 4 - ¡X,ms = 2,24 = 0,56x max = 1,32xav av = 1,70 = 0,42x max = 0,76x,ms

=_r

r------I---\--t-___+__ TIEMPO

(e)

FIGURA 1.7. (a) Una onda sinusoidal con una frecuencia fy una amplitud igual a 3(, v.g., 3 sen (27Tf)t. (b) Una onda sinusoidal con una frecuencia de 3fy una amplitud igual a 1, v.g., sen (67Tf)t. (e) Combinación de 3 sen (27Tf)t + sen (67Tf)t; desfasadas.

importante de los valores RMS es que permanecen igual sean cuales sean las fases relativas de las ondas constituyentes de un movimiento complejo. En general, el término presión sonora se utiliza para hablar de presión sonora RMS o presión efectiva, que es la raíz cuadrada promediada en el tiempo de [Po sen (2'T1'f)tf Así, a lo largo de este libro, el término presión sonora significa presión sonora RMS, salvo que se indique lo contrario. Ondas complejas

Aunque las ondas complejas que muestran las Figuras 1.6(c) y 1.7(c) no son armónicas simples, son ondas periódicas, es decir, se repiten a sí mismas a intervalos periódicos. Se denominan ondas complejas (por contraposición a las ondas armónicas simples) porque contienen más de un componente de frecuencia. Puede demostrarse que cualquier onda compleja está compuesta por una serie de ondas armónicas simples; éstas pueden determinarse mediante un análisis matemático. Los componentes de frecuencia de las ondas sonoras complejas pueden medirse empleando los analizadores de espectro descritos en el Capítulo 8. Difracción del sonido

La difracción es el cambio en la dirección de la propagación de las ondas sonoras cuando chocan con un obstáculo. Ejemplos familiares de difracción son el cambio

INTRODUCCION

1.9

de dirección de las ondas sonoras sobre un muro, alrededor de la esquina de un edificio, después de chocar contra un muro que contenga una abertura y la dispersión de las ondas sonoras en una columna situada en una habitación. Como resultado de la difracción, cuando las ondas sonoras chocan con una barrera, ésta no extiende una «sombra acústica» aguda. En lugar de ello, las ondas sonoras se flexionan sobre la parte superior (o por los laterales) como muestra la Figura 1.8. La relación general entre la eficacia de una barrera y su altura es bastante compleja (véase Figura 3.6).

Potencia sonora (véase también el Capítulo 13)

La emisión de la energía acústica (potencia sonora) de las fuentes que encontramos en la mayoría de los trabajos sobre control del ruido es relativamente pequeña en términos absolutos. La potencia sonora suele expresarse en vatios o en picovatios (millones de una millonésima de un vatio); un picovatio es igual a 10. 12 vatios. La potencia instantánea (la tasa a la que la energía sonora es radiada en cualquier instante de tiempo) fluctúa considerablemente. El valor máximo en cualquier intervalo de tiempo se define como potencia máxima. La potencia media suele tener un valor mucho menor que la potencia máxima y depende del intervalo de tiempo a lo largo del cual se calcule la media y del método empleado. La Tabla 1.1 muestra los valores típicos de potencia sonora emitidos por distintas fuentes sonoras. Se muestran los valores medios a largo plazo. Para muchas de estas fuentes de sonido, las potencias máximas son mucho más altas que los valores mostrados. Por ejemplo, pueden ser de 100 a 1000 veces superiores a sus valores medios. Estos máximos suelen durar intervalos de tiempo cortos, a veces sólo unos pocos milisegundos.

NIVELES Nivel y decibelio

El rango de presiones sonoras que hallamos en el campo del control del ruido es tan amplio que es más cómodo emplear el nivel de presión sonora, una cantidad que es proporcional al logaritmo de la presión sonora. Esto se debe a que la escala logarítmica comprime la del rango, como resulta evidente en el ejemplo que muestra la Figura 1.9. La presión sonora, expresada en términos de una escala lineal, aparece a la derecha; el nivel de presión sonora (descrito a continuación) aparece a la izquierda. Por definición, el nivel es el logaritmo de la razón de una cantidad dada respecto de una cantidad de referencia del mismo tipo. Hay que indicar la base del logaritmo, la cantidad de referencia y el tipo de nivel. Por ejemplo, el tipo de nivel se indica mediante el uso de un término compuesto, como el nivel de presión sonora o el nivel de potencia sonora. La cantidad de referencia permanece inmodificada, ya sea

1.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

MURO

FIGURA 1.8. Ondas sonoras chocando con una barrera. Como resultado de la difracción, el sonido se difracta sobre la parte superior de manera que la barrera no proyecta una sombra acústica aguda.

un valor pico, RMS u otra. El término nivel indica que se emplea la escala logarítmica y que las unidades se expresan en decibelios'. El decibelio (dB) es una unidad de nivel que denota la relación entre dos cantidades que son proporcionales en su potencia. El número de decibelios que corresponde a esta relación es 10 veces el logaritmo (de base 10) de la razón de las dos cantidades. Las razones de presión sonora no siempre son proporcionales a las razones de potencia correspondientes, pero es práctica habitual ampliar el uso de esta unidad (dB) a tales casos.

Nivel de potencia sonora

La potencia sonora de una fuente se expresa en vatios o en alguna fracción de un vatio. A menudo, resulta mas cómodo expresar la potencia sonora sobre una escala logarítmica. Entonces, se emplea el nivel de potencia sonora. El nivel de potencia sonora, L w , de una fuente, en decibelios, se obtiene mediante la expresión (1.5) donde W = potencia de la fuente en vatios y W o = potencia de referencia en vatios. La referencia habitual de potencia sonora es 1 picovatio (1 micro-microvatio 010. 12 vatios); el símbolo de la unidad es pW. Sustituyendo este valor en la Ecuación (1.5) se obtiene Lw = 10 IOg10 (W/l0- 12 ) = (10 10glO W

+ 120) dB

(1.6)

donde W es la potencia sonora de la fuente en vatios.

* Existe una excepción a esta afirmación. El nivel de emisión de la potencia sonora se expresa a menudo en belios, en lugar de en decibelios (1 belio es igual a 10 decibelios), como se describe en «Nivel de potencia sonora».

1.11

INTRODUCCION

TABLA 1.1.

Nivel de potencia sonora media para varias fuentes acústicas*

Potencia, vatios (W)

Nivel de potencia sonora, dB re 1 pW

100.000.000 10.000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 0,0000001 0,00000001 0,000000001 0,0000000001

*

1 microvatio

200 160 150 140 130 120 110 100

90 80 70 60 50 40 30 20

Fuente Motor de un cohete Moto~. de un avión turbojet Aeroplano ligero en crucero

Tractor oruga 150 hp Motor eléctrico 100 hp, 2600 rpm Aspiradora Gaita escocesa

Habla susurrada Salida de aire (0,1 m 2 ), velocidad de aire 1 mIs; registro abierto, rejillas paralelas

= 1 millonésima de 1 vatio; 1 picovatio (lpW) = 1 millonésima de un microvatio.

La Tabla 1.1 muestra los niveles de potencia sonora de varias fuentes típicas de sonido, expresada en decibelios. El término nivel de potencia sonora no debe confundirse con el nivel de presión sonora. El primero es una medida de la potencia acústica irradiada por una fuente; el segundo depende no sólo de la potencia de la fuente, sino también de la distancia a ésta y de las características acústicas del espacio que la rodea. Para evitar esta confusión, el nivel de potencia sonora se expresa a menudo en belios (1 belio = 10 decibelios). Así el nivel de potencia sonora de un gran cohete en la Tabla 1.1 puede expresarse también como 20 belios.

Nivel de presión sonora

El nivel de presión sonora, Lp, en decibelios, correspondiente a una presión sonora p, se define por (1.7) donde Po es la presión sonora de referencia. Al expresar la presión sonora sobre una escala logarítmica, es costumbre comparar la presión sonora de todos los sonidos en el aire con un valor de referencia de 20 micropascales (J.Lpa)*. En este sentido, nótese la leyenda «Nivel de presión so-

* En el pasado se ha utilizado el valor de referencia equivalente en otros sistemas de unidades, p. ej .. 0,0002 dinas/cm 2 en el sistema cgs.

1.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO NIVEL DE PRESION SONORA EN DECIBELIOS

NIVEL DE PRESION SONORA EN MICROPASCALES

120 10.000.000 DISCOTECA

110

FABRICA TEXTIL IMPRENTA

100

TALADRADORA A 15 m

1.000.000

IMPRENTA 90 CAMION PESADO A 15 m HORMIGONERA A 15 m

80

DENTRO DE UN AUTOMOVIL A 64 km/h ASPIRADORA A 3 m

100.000 70

AUTOMOVIL (100 km/h) A 30 m

60 TRANSFORMADOR GRANDE A 15 m

10.000 RESIDENCIA URBANA

50

RESIDENCIA EN UNA CIUDAD PEQUEÑA

40 SUSURRO SUAVE A 2 m ESTUDIO DE RADIO VACIO LIMITE NORTE DEL GRAN CAÑON

1000 30

20 100 10

UMBRAL DE AUDICION

O

20

FIGURA 1.9.

Relación entre presión sonora en micropascales y nivel de presión sonora en decibelios re 20 ¡.¡.Pa. También se muestran los valores típicos para el nivel sonoro con ponderación A de varias fuentes de ruido.

nora en decibelios re 20 ¡.LPa» en la Figura 1.9. El término re significa con referencia a. Habitualmente no se presenta este valor de referencia porque éste ha sido adoptado por acuerdo internacional; el indicado anteriormente es el que se usa a lo largo de todo este libro. Se aproxima al nivel de presión sonora mínimo que es audible por el oído normal de un adulto joven dentro del rango de frecuencias en que es más sensible.

INTRODUCCION

1.13

Por definición, el nivel de presión sonora de las ondas sonoras con una presión sonora igual a p es igual a: Nivel de presión sonora

=

20 lag 10 (P120) dB

(1.8)

donde la presión sonora p se expresa en micropascales. Por ejemplo, la presión de un sonido de 20 ¡.LPa corresponde a un nivel de presión sonora de OdB, una presión sonora de 40 ¡.LPa corresponde a un nivel de presión sonora de 6 dB Y una presión sonora de 200 ¡.LPa corresponde a un nivel de presión sonora de 20 dB. Así, doblar cualquier valor de presión sonora corresponde a un aumento de 6 dB en el nivel de presión sonora; la multiplicación por 10 de la presión sonora corresponde a un aumento de 20 dB en el nivel de presión sonora. La relación presentada en la Ecuación (1.8) se muestra de forma gráfica en la Figura 1.9.

Nivel de presión sonora vs. ángulo;fuentes direccionales. La mayoría de las fuentes de sonido exhiben características direccionales definidas; o sea, irradian más sonido en algunas direcciones que en otras. Esto se ilustra en la Figura 1.10, que muestra la distribución del sonido alrededor de un avión jet de cuatro motores. Muestra el nivel de presión sonora, a una distancia fija, en función del ángulo. A este diagrama se le denomina patrón de irradiación. Las propiedades direccionales de una fuente de sonido pueden ser una consideración práctica importante en los problemas aplicados de control del ruido. Por ejemplo, consideremos el ruido del avión anterior. Dado que el ruido de esta fuente es direccional, la orientación de las pistas de un aeropuerto puede ser de considerable importancia para el control del ruido en las áreas residenciales de comunidades próximas a él. Aunque los patrones de irradiación de las distintas fuentes de sonido varían considerablemente, suelen exhibir las siguientes características generales: 1. Cuando la longitud de onda del sonido emitido es muy grande en compara-

NIVEL DE PRESION SONORA EN DECIBELIOS

FIGURA 1.10. Patrón de respuesta direccional; v.g., patrón de irradiación, mostrando la distribución del nivel de presión sonora a una distancia constante alrededor de un avión jet de cuatro motores.

1.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ción con las dimensiones de la fuente, el sonido se irradia uniformemente en todas direcciones; la fuente no es direccional. 2. Cuando la longitud de onda es pequeña comparada con las dimensiones de la fuente, el sonido irradiado desde la superficie de la fuente tiende a confinarse en un haz relativamente estrecho; así cuanto mayor es la frecuencia, más estrecho es el haz.

Indice de directividad. Cuando una fuente de sonido es direccional, se denomina índice de directividad (o a veces ganancia direccional) a la cantidad en que el nivel de presión sonora en determinada dirección Lo supera el nivel de la presión sonora cuadrática media Lav, a la misma distancia y promediado para todas las direcciones. El índice de direccionalidad DIo para un ángulo 0° viene dado por (1.9)

Nivel de presión sonora vs. distancia de la fuente. Si un sonido se irradia desde una fuente puntual en una atmósfera homogénea e inalterada, lejos de toda superficie reflectante o absorbente, el sonido se propaga en ondas esféricas. La presión sonora de las ondas esféricas se reduce en proporción inversa a la distancia de la fuente. Por ejemplo, consideremos un motor que esté lejos de cualquier superficie reflectante a excepción del suelo sobre el que está montado. La emisión de ruido de este motor está fundamentalmente dentro del rango de las frecuencias bajas, actuando el motor como una fuente de sonido esférica. A una distancia de 50 m, la presión sonora es 20 pascales (20 Pa). Como la presión sonora es inversamente proporcional a la distancia de la fuente, a 100 metros la presión sonora es 10 Pa, y a 200 m es 5 Pa. En términos del nivel de presión sonora: el nivel de presión sonora desciende 6 dB cada vez que se dobla la distancia desde la fuente. Esto es equivalente a un descenso de 20 dB cuando la distancia se multiplica por 10. En el ejemplo anterior, los niveles de presión sonora a las distancias de 50 m, 100 m y 200 m de la fuente son 120 dB, 114 dB y 108 dB, respectivamente; a una distancia de 500 m, el nivel de presión sonora es 100 dB. Nivel de presión sonora vs. distancia de lafuente en campo libre si se conoce el nivel de potencia sonora. Si un sonido es irradiado desde una fuente por igual en todas las direcciones en campo libre (lejos de todas las superficies reflectantes o absorbentes), la relación entre el nivel de presión sonora y el nivel de potencia sonora Lw de una fuente viene dada por

Lp

=

Lw - 20 lag 10 r - 10,9 + C

dB

(l.lOa)

donde r es la distancia de la fuente en metros y el nivel de potencia sonora de la fuente Lw se expresa en decibelios re 1 picovatio (pW). C es un término de corrección, en decibelios, presentado en la Figura 1.11. Esta corrección, que depende de la temperatura y la presión atmosférica, es habitualmente insignificante salvo para temperaturas y/o presiones que difieran significativamente de 20 oC y 1 atm (l05 Pa 01000 mbar), respectivamente.

INTRODUCCION

....... (fl

o :::;

.....¡--....

0,5

......... .........

UJ OJ

7700

r!:!¡.....lll8"Ili'tS

U UJ

el

.......

Z

UJ

u

z o

.........

1"""-1'--

¡.......

.......

¡....... .......

O

U u UJ cr cr o u

7000

......... ¡.......II11l18

~ts

.......

1'-- ......

UJ

el

.........

o

r--...

Z

~ cr

1.15

-0,5

t--- 1--

.........

¡....... .......900

.....II11l18 r-..;;: "Ili'tS

UJ

t-

l't:::: -10

O

10

¡.......

20

40

30

-

50

TEMPERATURA EN GRADOS CELSIUS

FIGURA 1.11. Término de corrección Cen la Ecuación (1.10), en función de la temperatura, para tres valores de presión atmosférica: 1000 mbar, 1100 mbar y 900 mbar. (Nota: 1000 mbar es igual a 1 atmósfera.)

Si la distancia r es expresada en pies, la ecuación correspondiente es

Lp

=

Lw - 20 loglo r - 0,6 +

e

dB

(1.10b)

Las relaciones anteriores sólo consideran la divergencia (dispersión) de las ondas sonoras en un campo libre. Para el efecto de superficies reflectantes o absorbentes próximas, véase Capítulos 3 y 4. A distancias considerables de la fuente en campo libre, la absorción del sonido por el aire y las irregularidades en la atmósfera también son factores importantes para determinar el nivel de presión sonora a cierta distancia de la fuente, como se indica en el Capítulo 3.

INTENSIDAD DEL SONIDO (Véase también Capítulo 14) El paso de las ondas sonoras se acompaña de un flujo de energía acústica. La intensidad del sonido 1 en una dirección específica en un punto del campo sonoro es igual al flujo de energía sonora a través de una unidad de área en ese punto (potencia por unidad de área que fluye a través del punto), siendo la unidad de área perpendicular a la dirección especificada. Por ejemplo, considérese una fuente puntual (una fuente de sonido cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de onda del sonido irradiado); esta fuente irradia uniformemente en todas direcciones. Supongamos que esta fuente está en un campo libre (alejada de todas las superficies reflectantes). La fuente emite una potencia sonora de W vatios, como ilustra la Figura 1.12. Consideremos una esfera imaginaria rodeando esta fuente, con un radio de ro;

1.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I-~ 2r -

161tr2

FIGURA 1.12. Una fuente puntual de potencia acústica Wen campo libre. La intensidad de cualquier punto varía inversamente al cuadrado de la distancia desde la fuente, de manera que cuando se dobla la distancia, la intensidad se reduce a un cuarto de su valor; esto es igual a una reducción de 6 dB en el nivel de intensidad. Así, a una distancia r desde la fuente, la intensidad Ir es ~(4'TTr2), y a una distancia de 2r, la intensidad es W/(16'TTr2).

la superficie del área de la esfera S es igual a (4'TTro )' Luego la intensidad del sonido en la dirección radial es igual a

w

W

[=-=--W/m 2 S 4'TTr}

(1.11)

Así, para una fuente puntual en un campo libre, la intensidad, en la dirección radial, varía inversamente al cuadrado de la distancia de la fuente; esta relación se denomina ley inversa del cuadrado. La intensidad es cero para la dirección perpendicular a la dirección de propagación. Por tanto, resulta obvio que el término intensidad sólo tiene significado si se especifica la dirección. Si la fuente de sonido no irradia uniformemente en todas direcciones, la intensidad del sonido puede medirse en cualquier dirección mediante los métodos descritos en el Capítulo 14.

Ejemplo.

Sea una fuente puntual en un campo libre, irradiando continuamente

INTRODUCCION

1.17

una potencia sonora W de 0,0025 W. ¿Cuál es la intensidad en la dirección radial a una distancia r de 1 m de la fuente? De acuerdo con la Ecuación (1.11): 1=

~ 471'?

=

0,0025 12,6

=

00002 W/m 2 '

Relación entre intensidad sonora y presión sonora

En general, la intensidad del sonido puede representarse como 1 = up cosO

(1.12)

donde u es la velocidad RMS de las partículas de la onda, p la presión sonora RMS y e la diferencia de fase entre la presión sonora y la velocidad de las partículas. En un campo libre, para ondas planas o esféricas, la presión sonora y la velocidad de las partículas están en fase, por lo que el valor de e es igual a cero. En este caso especial, la magnitud de la intensidad, en la dirección de propagación de las ondas del sonido, está simplemente relacionada con el valor RMS de la presión sonora:

p2

1=pc

(1.13)

donde p es la densidad del aire y c la velocidad del sonido en el aire. Se denomina resistencia característica del medio a través del cual viajan las ondas sonoras a la cantidad pc. En el aire, a una presión barométrica de 1 atmósfera (presión de 1,01 x 105 pascales, 1000 mbar, o 29,6 pulgadas Hg) y a una temperatura de 22 oC (71,6 °F), pc

= 406 newton . segundos/m3

Este valor, corregido para temperatura y presión mediante la relación que muestra la Figura 1.11, se emplea a lo largo de todo el libro. Obsérvese que la Ecuación (1.13): (1) sólo se aplica en campo libre, (2) sólo se aplica para ondas planas o esféricas y (3) no es válida para ondas esféricas en posiciones próximas a la fuente. En campos de sonido más complicados, como ocurre en la mayoría de los espacios cerrados, la intensidad calculada a partir de la Ecuación (1.13) no es aplicable.

N'VE~ DE INTENSIDAD

El nivel de intensidad del sonido (L¡), en decibelios, es igual a 10 veces la razón entre la intensidad de un sonido 1 y la intensidad sonora de referencia Iv de 10- 12 W/m 2 (1 picovatio/m2): (1.14)

1.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Por otra parte, algunos técnicos acústicos asumen que se sobreentiende que el término nivel sonoro implica nivel sonoro con ponderación A salvo que se especifique lo contrario y no añaden la letra (A) al símbolo de la unidad al describirlo. Esta práctica ha dado como resultado frecuentes confusiones entre el público general, que no suele conocer estos supuestos y que habitualmente está confuso por la gran variedad de niveles empleados en el control del ruido. Por supuesto, es redundante especificar que el nivel sonoro lo es con ponderación A y añadir la letra (A) al símbolo de decibelio. Pero como nuestro objetivo es hacer que el texto resulte tan claro como sea posible y requiera un mínimo de conocimiento previo por parte de los lectores, cualquier medida que reduzca la confusión merece el esfuerzo adicional y el espacio preciso. Más aún, el uso de dB(A) permite que algunas reglas y normas gubernamentales se reproduzcan en este manual sin cambiar su notación.

Ponderación temporal; respuestas rápida y lenta. Supongamos que usamos un sonómetro para medir un sonido cuyo nivel fluctúa con mucha rapidez. La indicación del medidor (o lectura digital) no seguirá fluctuaciones tan rápidas. Por ello, el sonómetro realiza un promedio temporal, que se describe en «Promedios o ponderaciones temporales» en el Capítulo 11. Las ponderaciones temporales exponenciales ponen más énfasis en los sonidos que han ocurrido más recientemente que en aquellos que lo han hecho anteriormente. En un sonómetro existen dos tipos de ponderaciones temporales exponenciales: rápida y lenta (a veces denominadas respuesta rápida y respuesta lenta). Como se indica en los Capítulos 5 y 11, la respuesta rápida utiliza un tiempo constante de aproximadamente 1/8 de segundo, y la respuesta lenta una constante temporal de aproximadamente 1 segundo. Para sonidos cuyo nivel fluctúa rápidamente, la indicación del medidor puede depender de la selección de la ponderación temporal. Por esta razón, al publicar los resultados, se suele asumir que se ha empleado la ponderación temporal rápida. Para sonidos estables, el indicador de medida del nivel sonoro es independiente del promedio temporal seleccionado. Nivel de banda de octava

Una medida importante del ruido es su distribución en frecuencias. Los instrumentos empleados en la medida de la distribución del sonido a lo largo del rango de frecuencias audible, denominados analizadores de espectro, se describen en el Capítulo 5. El analizador de espectro que es más habitual divide el rango de frecuencia audible en bandas de una octava de anchura. (Una octava es un intervalo de frecuencia entre dos sonidos cuya razón de frecuencia es 2; p. ej., desde 707 Hz a 1414 Hz.) Este instrumento se denomina analizador de bandas de octava. El nivel de presión sonora dentro de una banda con una octava de anchura se denomina nivel de presión sonora de banda de octava o simplemente nivel de banda de octava. (En la columna de frecuencia de la tabla 1.2, los números en negrilla son las frecuencias centrales de las bandas de octava, que han sido estandarizados mediante acuerdo internacional.) La Figura l.13a muestra un ejemplo de una gráfica de niveles de banda de octava en función de la frecuencia. Estos datos representan medidas de un fuelle ac-

1.21

INTRODUCCION

90

¡¡:¡ lil 80 -' ~5 ~U)

u~ 70

JI\

V

\\

00 Wcr;

Clu

«~

"'

~~ 60

(a) ;;;~

WU)

~º w-'

50

2:~

Zü

'"

'"

~

"t~

~ 40 306r, ",1~5

,2;;0,

100

2

,5?O"

,l~IOO

5

1000

~

2°1°0 ,4°1°°, ,~OIOO 2 5

FRECUENCIA EN HERZIOS

90

1/ r"Il"llJ

1\ ;>0.,,,,,

"'>-" ~ r'.""

40

63

"'el'-.

?-.:

R

>-<

100 16 250 400 630 100 160 250 400 630

FIGURA 1.13. (a) Ejemplo de una gráfica de medida del ruido en bandas de octava. Estos datos representan las medidas de un fuelle y un motor con un zumbido pronunciado. El nivel de banda de octava, medido en la frecuencia central de cada banda, se muestra mediante un dato puntual. (b) Ejemplo de una gráfica de medidas mediante bandas de tercio de octava. Estos datos representan medidas del mismo fuelle y motor cuyo análisis en bandas de octava se muestra en (a); las condiciones de medida son las mismas.

1.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cionado mediante un motor. Esta gráfica de los distintos niveles de banda de octava versus la frecuencia se denomina espectro en bandas de octava. Los datos experimentales reales están representados mediante puntos. Las líneas que los conectan resultan útiles para indicar la forma general del espectro.

Nivel de banda de tercio de octava

Cuando hace falta información más detallada que la que aporta el análisis de bandas de octava, su puede utilizar un análisis de bandas de tercio de octava. (En la columna de las frecuencias de la Tabla 1.2, los números que aparecen son las frecuencias centrales para bandas de tercio de octava que han sido estandarizadas mediante acuerdo internacional.) La Figura l.13b muestra un ejemplo de una gráfica de medidas de ruido para bandas de tercio de octava. Estos datos son para el mismo fuelle y motor cuyo espectro en bandas de octava muestra la Figura l.13a; las condiciones de medida son las mismas. V éanse los Capítulos 5 y 8 para más información respecto al análisis de espectro.

Combinación de niveles (suma energética de niveles)

A menudo es necesario combinar niveles, por ejemplo: 1. Para calcular el nivel sonoro que resulta de la combinación de fuentes de ruido. 2. Para determinar el nivel sonoro combinado de una fuente más el ruido de fondo. 3. Para calcular el nivel de presión sonora global a partir de niveles de banda de octava o niveles de banda de tercio de octava. 4. Para calcular el nivel sonoro con ponderación A para un espectro determinado de banda de octava. 5. Para combinar el nivel de presión sonora de dos o más fuentes de sonido. 6. Para calcular el nivel sonoro con ponderación A a partir de los niveles de potencia sonora de banda de octava. El nivel de una combinación no es la suma de los niveles individuales. Por ejemplo, en un punto determinado, si una máquina produce un nivel sonoro de 50 dB Y una segunda máquina también produce un nivel de 50 dB, mientras ambas están funcionando, el nivel sonoro combinado no es 100 dB. Esto se debe a que el nivel sonoro, en decibelios, no sigue una escala lineal; la escala es logarítmica. Para averiguar el nivel de la combinación, se puede usar el siguiente procedimiento. Supongamos que L¡ es el nivel debido a una fuente de sonido y Lz es el nivel debido a la segunda fuente, y supongamos que L1 es más alto que Lz. Entonces, el nivel de la combinación de ambas fuentes es igual a (L¡ + A), donde A, el número de decibelios que hay que añadir al más alto de los dos niveles, viene dado por la Figura 1.14.

1.23

INTRODUCCION

0,1

16

14 0,2

({)

O

::;

:; <{

12 0,3

<{

L1J

2

0,4

10

--'

0,5

L1J

>

({)

O

8

::; !O

L1J

L1J

<{

Cl L1J

a: L1J

:2

:J 2

6

1 r 4

Ü 2

L1J

a: L1J

u..

Q N

--'

11

<{

L1J

a: 2

Ü

Cl

z 1-

L1J

O

L1J ({)

L1J

'2 <{ <{

Ü

Cl

a:

Q

L1J

!O

2

3

I

2

.s

O

FIGURA 1.14. Gráfico para combinar dos niveles, L, y L2 ; L, es el mayor de los dos. La escala de la izquierda muestra el número de decibelios A que hay que añadir al nivel más alto L, para obtener el nivel de la combinación de L, y L2 •

Ejemplo: combinar dos niveles sonoros. En un punto determinado, una máquina produce un nivel sonoro de 60 dB. Una segunda máquina produce un nivel sonoro de 56,2 dB en ese mismo punto. ¿Cuál es el nivel sonoro cuando ambas máquinas funcionan simultáneamente? La diferencia entre estos dos niveles es 3,8 dB. De acuerdo con la Figura 1.14, el valor correspondiente de A es 1,5 dB. Por lo tanto, el nivel sonoro combinado cuando ambas máquinas funcionan es (60 + 1,5) = 61,5 dB. Ejemplo: combinar varios niveles sonoros. En un punto determinado, una máquina produce un nivel sonoro de 60 dB si es la única en operación. Una segunda máquina produce un nivel de 56,2 dB si es la única que funciona. Una tercera máquina produce un nivel de 55 dB si sólo ella funciona. ¿Cuál es el nivel sonoro de las tres operando simultáneamente? Primero combinamos los niveles producidos por la primera y la segunda máquina, como en el ejemplo anterior. Se obtiene un nivel sonoro de 61,5 dB. La diferencia entre este nivel combinado y el producido por la tercera máquina es (61,5 - 55) = 6,5 dB. De acuerdo con la Figura 1.14, hay que añadir 0,9 dB a 61,5 dB. Por tanto, el nivel combinado de las tres máquinas es (61,5 + 0,9) = 62,4 dB.

1.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ejemplo: combinar el nivel sonoro de una fuente con el nivel del ruido de fondo. Los datos indican que la medida del nivel sonoro a una distancia fija de una máquina es 70 dB, cuando se realiza en condiciones de silencio. Si el nivel sonoro se mide en el mismo punto cuando el nivel del ruido de fondo es 65 dB, ¿cuál es el nivel combinado de la máquina más el ruido de fondo? La diferencia entre estos dos niveles es 5 dB. Por lo tanto, a partir de la Figura 1.14, se añaden 1,2 dB al nivel sonoro más alto. De ahí que el nivel sonoro combinado sea 71,2 dB. Ejemplo: cálculo del nivel de presión sonora global para los niveles de banda de octava. Considérese el espectro en bandas de octava que muestra la Figura 1.13. ¿Cuál es el nivel de presión sonora global? Los niveles de banda de octava se presentan en la Tabla 1.3. En general, está bien combinar los niveles que tienen valores más bajos en primer lugar, sobre todo si hay varios y uno de ellos es mucho mayor que los demás. Combinamos primeramente los niveles de las bandas de octava de a 4000 y 8000 Hz; la diferencia de estos niveles es de 3 dB. Por tanto, de acuerdo con la Figura 1.14, se añaden 1,8 dB al más alto de estos niveles de octava. Su valor combinado es (45 + 1,8) = 46,8 dB. A continuación combinamos este nivel con el del nivel de la octava de 2000 Hz. La diferencia en niveles es (48 - 46,8) = 1,2 dB; por ello hay que añadir 2,5 dB a 48 dB, dando lugar a un nivel combinado de 50,5 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la banda de octava de 1000 Hz. La diferencia en niveles es (53 - 50,5) = 2,5 dB, por tanto hay que añadir 1,9 dB a 53 dB, obteniéndose un nivel combinado de 54,9 dB. Luego combinamos este nivel con el de la octava centrada en 500 Hz. La diferencia en niveles es (57 - 54,9) = 2,1 dB, por lo que hay que añadir 2,1 dB a 57 dB, llegando a un nivel combinado de 59,1 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la octava centrada en 250 Hz. La diferencia en niveles es (62 - 59,1) = 2,9 dB, de ahí que haya que añadir 1,8 dB a 62 dB, obteniéndose un nivel combinado de 63,8 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la octava de 63 Hz. La diferencia en niveles es (73 - 63,8) = 9,2 dB, por lo que hay que añadir 0,5 a 73 dB, llegando a un nivel combinado de 73,5 dB. Finalmente, combinamos este nivel con el de la banda centrada en 125 Hz, que tiene el nivel más alto. La diferencia de niveles es (85 - 73,5) = 11,5 dB, de manera que hay que añadir 0,3 dB a 85 dB, obteniéndose un nivel de presión sonora global de 85,3 dB para este espectro en bandas de octava. Ejemplo: cálculo del nivel sonoro con ponderación A a partir de los niveles de bandas de octava. Considérese el espectro de bandas de octava que muestra la Figura 1.13. ¿Cuál es el valor correspondiente del nivel sonoro con ponderación A? Los niveles de bandas de octava se presentan en la Tabla 1.4. Debajo de ellos se TABLA 1.3. Niveles de banda de octava correspondientes al espectro en bandas de octava que muestra la Figura 1.13

Frecuencia central de banda de octavá, Hz

63

Nivel de banda de octava, dB

73

125 250 500 10002000 4000 8000 85

62

57

53

48

45

42

1.25

INTRODUCCION

TABLA 1.4. Niveles de banda de octava correspondientes al espectro en bandas de octava que muestra la Figura 1.13a. Estos niveles están ajustados a la ponderación A usando los valores que aparecen en la Tabla 1.2 Frecuencia central de banda de octava, Hz

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Nivel de banda de octava, dB

73

85

62

57

53

48

45

42

-8,6

-3,2

0,0

+1,2

+1,0

-1,1

53,4

53,8

53,0

49,2

46,0

40,9

Ponderación A, dB Nivel de banda de octava con ponderación A, dB

-26,2 -16,1 46,8

68,9

muestran los valores con ponderación A, tomados de la Tabla 1.2. En la siguiente línea se muestran los niveles de bandas de octava ajustados a la ponderación A. Son estos niveles los que hay que combinar para obtener el nivel sonoro con ponderación A. En primer lugar, se combinan los niveles de las octavas centradas en 4000 y 8000 Hz; la diferencia entre estos niveles es 5,1 dB. Por tanto, de acuerdo con la Figura 1.14, se añaden 1,2 dB al mayor de estos niveles. Así, su nivel combinado es (46,0 + 1,2) = 47,2 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la octava de 63 Hz. La diferencia de niveles es (47,2 - 46,8) = 0,4 dB; así hay que añadir 2,8 dB a 47,2 dB, obteniéndose un nivel combinado de 50,0 dB. A continuación combinamos este nivel con el nivel de la octava centrada en 2000 Hz. La diferencia en niveles es (50 49,2) = 0,8 dB, por ello hay que añadir 2,6 dB a 50 dB, dando lugar a un nivel combinado de 52,6 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la banda de octava de 1000 Hz. La diferencia en niveles es (53,0 - 52,6) = 0,4 dB, por tanto hay que añadir 2,8 dB a 53,0 dB, obteniéndose un nivel combinado de 55,8 dB. Luego combinamos este nivel con el de la banda centrada en 500 Hz. La diferencia en niveles es (55,8 - 53,8) = 2,0 dB, por lo que hay que añadir 2,1 dB a 55,8 dB, llegando a un nivel combinado de 57,9 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la octava de 250 Hz. La diferencia en niveles es (57,9 - 53,4) = 4,5 dB, d~ ahí que haya que añadir 1,3 dB a 57,9 dB, obteniéndose un nivel combinado de 59,2 dB. Ahora combinamos este nivel con el de la banda de octava centrada en 125 Hz. La diferencia en niveles es (68,9 - 59,2) = 9,7 dB, por lo que hay que añadir 0,4 a 68,9 dB, llegando a un nivel combinado de 69,3 dB. Este representa el nivel sonoro con ponderación A en decibelios. Para recordar que se ha empleado ponderación A, es práctica habitual añadir la letra A entre paréntesis al símbolo de la unidad dB. Por lo tanto, el valor calculado de nivel sonoro con ponderación A es 69,3 dB(A). Ejemplo: combinar niveles de potencia sonora. Suponga que una máquina en una habitación tiene un nivel de potencia sonora de 60 dB re 1 picovatio (pW). Una segunda máquina en la habitación tiene un nivel de potencia sonora de 56,2 dB re 1 pW. ¿Cuál es su nivel combinado de potencia sonora? La diferencia entre estos dos niveles es de 3,8 dB. De acuerdo con la Figura 1.14, el valor correspondiente de A, la cantidad que hay que añadir al nivel más alto, es

1.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1,5 dB. Por tanto su nivel combinado, es decir, el nivel total de potencia sonora, es (60 + 1,5) = 61,5 dB re 1 pW.

Ejemplo: cálculo del nivel de potencia sonora con ponderación A a partir de niveles de potencia sonora en bandas de octava. Considérese una fuente con los niveles de potencia sonora de bandas de octava que muestra la Tabla 1.5. ¿Cuál es el nivel de potencia sonora con ponderación A de esta fuente? La primera línea de la Tabla 1.5 muestra los niveles de potencia sonora en bandas de octava de la fuente en decibelios re 1 pW. En la siguiente línea se muestran los valores con ponderación A, tomados de la Tabla 1.2. Debajo de éstos se muestran los niveles de potencia sonora en bandas de octava ajustados para la ponderación A. Estos son los niveles que han de combinarse para obtener el nivel de potencia sonora con ponderación A. Siguiendo el mismo procedimiento que en «Cálculo del nivel sonoro con ponderación A a partir de niveles de bandas de octava», descrito en detalle anteriormente, los niveles de potencia sonora de cada banda de octava con ponderación A se combinan, dando lugar a un valor calculado de nivel de potencia sonora con ponderación A de 69,3 dB re 1 pW. Ejemplo: cálculo del nivel de emisión de potencia sonora. Considere una fuente con los niveles de potencia sonora en bandas de octava que muestra la Tabla 1.5. ¿Cuál es el nivel de emisión de potencia sonora de esta fuente? El nivel de emisión de la potencia sonora es simplemente el nivel de potencia sonora con ponderación A expresado en belios (1 belio es igual a 10 dB). Por lo tanto, a partir del ejemplo anterior, la emisión de potencia sonora es 6,9 belios re 1 picovatio. RUIDO; CONTROL DEL RUIDO Una melodía sonando a todo volumen en la radio puede resultar muy agradable para una familia en su casa, pero es una molestia para los vecinos que están intentando dormir; no es deseada; es ruido. Por definición, el ruido es un sonido no deseado·. El ruido ambiental es el ruido asociado con un ambiente determinado y suele estar compuesto de sonidos de muchas fuentes, próximas y lejanas. Por ejemplo, supongamos que no hay tráfico en una calle y no hay fuentes de ruido significativas en un lugar determinado. Entonces, el ruido ambiental en este lugar es penetrante, lo impregna todo (es un compuesto de muchas fuentes de ruido), llega allí desde varias direcciones. El control del ruido es la tecnología para obtener un ruido ambiental aceptable, de acuerdo con consideraciones económicas y operativas. El ambiente aceptable * El ruido también puede definirse como el sonido, generalmente de naturaleza aleatoria, cuyo espectro no exhibe componentes de frecuencia diferenciables.

1.27

INTRODUCCION

TABLA 1.5. Ejemplo de cálculo del nivel de potencia sonora con ponderación A a partir de los niveles de potencia sonora de bandas de octava

Frecuencia central de banda de octava, Hz

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Nivel de potencia sonora de banda de octava, dB re 1 picovatio

73

85

62

57

53

48

45

42

Ponderación A, dB Nivel de potencia sonora de banda de octava con ponderación A, dB

-26,2 -16,1 46,8

68,9

-8,6 -3,2

0,0

+1,2

+1,0

-1,1

53,8

53,0

49,2

46,0

40,9

53,4

Nivel de potencia sonora con ponderación A, dB = 69,3 dB re 1 pW Nivel de potencia de emisión del ruido = 6,9 beIs re 1 pW

puede ser preciso para una persona, un grupo, una comunidad o una sala de equipamiento cuyo funcionamiento se ve afectado por el ruido. Cuando se emplea la palabra «aceptable», surgen preguntas como las siguientes: ¿aceptable bajo qué condiciones?, ¿aceptable por quién? Debido a la complejidad de las consideraciones económicas y operativas implicadas y a que todos los elementos pueden cambiar con el tiempo, no suele haber una respuesta única para tales preguntas en un problema de ruido determinado. Control del ruido no es lo mismo que reducción del ruido. En un problema específico, la magnitud de la reducción del ruido que sea preciso lograr para obtener resultados aceptables puede alcanzarse simplemente mediante la aplicación de las distintas técnicas de control del ruido incluidas en el siguiente apartado. Pero, tal y como ilustra el Capítulo 40, este procedimiento puede ser innecesariamente caro y derrochador y puede dar como resultado una innecesaria interferencia con las operaciones normales. Hay que analizar el problema sistemáticamente para determinar qué condiciones aceptables pueden lograrse de la manera más económica. En casos extraordinarios, la solución de algunos problemas de control del ruido puede incluso sugerir un aumento, en lugar de una reducción del mismo. Consideremos, por ejemplo, la sala de espera de un médico que está separada de la consulta por una partición que aporta tan poco aislamiento sonoro que las conversaciones privadas pueden oírse mientras se espera. Las condiciones aceptables en la sala de espera pueden lograrse mediante la construcción de una partición que aporte mayor aislamiento. Una solución alternativa es aumentar el nivel de ruido en ella mediante la instalación de otra fuente de ruido (por ejemplo, un ventilador), de manera que enmascare la conversación que de otra manera se oiría. Aunque esta última solución tiene sus desventajas, es mucho más económica y, por tanto, puede ser más deseable bajo determinadas circunstancias. Una vez más, este ejemplo ilustra que el control del ruido y la reducción del ruido no son siempre términos sinónimos.

1.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

IMPORTANCIA ECONOMICA DEL CONTROL DEL RUIDO El ruido es un problema de gran importancia económica en la sociedad actual. Por ello, cuando el nivel de ruido en las instituciones empresariales o educacionales es lo suficientemente alto como para interferir con la comunicación hablada, se producen pérdidas económicas. Los casos de compensación que implican demandas millonarias como resultado de lesiones auditivas permanentes están hoy día en los tribunales (véase Capítulo 20). Otro aspecto de la importancia económica del ruido se muestra mediante su efecto sobre el valor de la propiedad. Por ejemplo, el ruido del funcionamiento de un aeropuerto o de una fábrica puede influir sobre el valor del suelo que rodea la zona. Por razones económicas, la industria realiza un considerable esfuerzo para desarrollar productos silenciosos, y el mundo de los negocios, para lograr condiciones de silencio en oficinas y fábricas. Aunque no siempre es posible establecer relaciones explícitas entre el ruido y sus efectos sobre los seres humanos (ni el científico de laboratorio puede demostrar actualmente siquiera que algunos de estos efectos existan), es muy significativo que los empresarios y la industria gasten cantidades considerables de dinero anualmente para lograr condiciones de silencio. Se ha estimado que durante la pasada década, en Estados Unidos, las ventas totales anuales de material acústico se multiplicaron por diez. Puede argumentarse que este aumento es el resultado de un esfuerzo promocional de ventas; en cierta medida, esto es cierto, como ocurre con la mayoría de los productos. Por otra parte, este rápido crecimiento puede explicarse plenamente sobre el hecho de que a la gente no le gusta el ruido. Le molesta. Le distrae. El ruido es un malestar público. Muchas firmas de negocios encuentran que a sus clientes les disgusta el ruido. Más aún, sus empleados prefieren no trabajar en un ambiente ruidoso. A las personas les gusta el silencio. Por lo general están dispuestas a pagar por él.

¿CUANTA REDUCCION DEL RUIDO ES PRECISA? Para determinar la magnitud de reducción de ruido precisa en un problema específico hay que seguir los siguientes pasos: 1. Evaluar el ruido ambiental en las condiciones existentes o esperadas. Las con-

diciones existentes pueden evaluarse a partir de medidas de ruido que aportan datos estadísticamente significativos. Este proceso requiere la selección y uso del equipo de medida, una calibración adecuada, una toma de datos bajo condiciones controladas y una evaluación de todos los factores ambientales que afectan a la medida (véase Capítulos 5 y 9). Bajo determinadas condiciones, no resulta práctico o es imposible evaluar las condiciones existentes. En tales casos, o allí donde hay que estimar el ruido ambiental para condiciones esperadas o futuras, la previsión se puede realizar a partir de fórmulas empíricas o datos existentes. Esta información se presenta en varios capítulos del libro. 2. Determinar qué nivel de ruido es aceptable. Esta información se logra mediante un criterio adecuado. Este puede definirse como una norma o regla de en-

INTRODUCCION

1.29

juiciamiento. Esta norma puede emplearse, por ejemplo, para establecer un límite aceptable o restricción que hay que imponer. Los criterios de control del ruido aportan normas para juzgar la aceptabilidad de los niveles de ruido bajo diversas condiciones y para distintos fines. Por ejemplo, el Capítulo 16 incluye un criterio para comunicación hablada fiable en presencia de ruido; el Capítulo 23 describe los criterios para evaluar la respuesta de la comunidad frente al ruido; el Capítulo 26 describe los criterios de riesgo de lesión de la audición como resultado de la exposición a niveles de ruido altos durante largos períodos de tiempo, de nivel de ruido aceptable en los edificios, de exposición a frecuencias ultrasónicas e infrasónicas y de tolerancia humana a la vibración. Tales criterios son de naturaleza estadística. Un nivel de ruido que pueda constituir un riesgo de daño para la audición de una persona puede no tener un efecto importante sobre otra. Más aún, las reacciones de las personas no son invariantes a lo largo del tiempo. Una comunidad puede reaccionar de forma completamente diferente de lo que lo hacía anteriormente frente al ruido de un avión después de varios accidentes aéreos en el aeropuerto vecino. La reacción de la gente depende en gran medida de su historial previo. 3. La diferencia de niveles entre los pasos 1 y 2 representa la reducción del sonido que hay que lograr para obtener un ambiente aceptable. Esta diferencia suele determinarse en función de la frecuencia.

COMO SE TRANSMITE EL RUIDO El ruido puede llegar al oyente a través de múltiples vías. Supongamos, por ejemplo, que el oyente escucha el piano del piso de arriba. Parte del sonido puede haberse transmitido a través de una vía de aire directa por la ventana de arriba, a través de una vía exterior y de la ventana del oyente. Parte del sonido irradiado por el piano golpeará las paredes, forzándolas a una pequeña vibración; una fracción de esta energía vibratoria viajará a través de la estructura del edificio, forzando a otras superficies a que vibren e irradien el sonido. De forma alternativa, parte de la energía vibratoria puede comunicarse a través del mueble del piano hacia el suelo, totalmente a través de una vía sólida, haciendo que el suelo vibre y que por tanto irradie el sonido hacia el piso de abajo. Por comodidad, en problemas técnicos, se puede representar la transmisión del sonido desde una fuente a un oyente mediante el diagrama en la Figura 1.15. En realidad, el bloque descrito como fuente puede representar no a una, sino a varias fuentes de energía vibratoria; p. ej., puede incluir todos los aviones que sobrevuelan un área específica. Como se indicó anteriormente, las vías pueden ser numerosas. Por último, el bloque denominado receptor puede representar a una sola persona, a un grupo, a una comunidad o a una zona delicada de equipamiento cuyo funcionamiento se ve afectado por el ruido.

1.30

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I FUENTE H

VIA

HRECEPTORI

FIGURA 1.15. Diagrama esquemático en que las flechas continuas representan la transmisión del sonido de la fuente al oyente. El bloque denominado fuente puede representar más de una fuente sonora; las vías pueden ser numerosas; y el receptor puede representar a una sola persona, a un grupo, a una comunidad o a un equipamiento cuyo funcionamiento se ve afectado por el ruido. Las flechas a trazos indican la interacción entre los distintos elementos del diagrama.

Aspecto estadístico de la fuente, la vía de propagación y el receptor

En el campo del control del ruido, siempre es importante tener presente los aspectos estadísticos de los elementos del diagrama de bloques de la Figura 1.15. En primer lugar, los generadores de ruido, representados por el bloque denominado fuente, pueden variar en número, y sus emisiones pueden cambiar con el tiempo, como, por ejemplo, en el caso del tráfico de vehículos en una intersección. La vía a través de la que el ruido alcanza nuestros oídos desde una fuente también es de naturaleza estadística. Por ejemplo, consideremos un avión dando vueltas sobre un oyente situado en el suelo. Debido a las irregularidades en la atmósfera, habrá multitud de variaciones en la vía de transmisión. Estas variaciones estadísticas en las características de propagación de la atmósfera pueden dar como resultado una amplia fluctuación en el nivel sonoro en el oído del oyente. Consideremos como otro ejemplo el nivel de ruido en una oficina separada de una fábrica ruidosa mediante una pared con una puerta. Cuando la puerta esté abierta, la vía de transmisión estará alterada. Así el nivel de ruido en la oficina variará estadísticamente dependiendo, entre otros factores, de la frecuencia con que la puerta de la fábrica esté abierta. El receptor en la Figura 1.15 también tiene su aspecto estadístico. Supongamos que representa a un gran grupo de personas. El número real del grupo puede variar de un momento a otro, el umbral de cada persona en el grupo será diferente y todos estos umbrales pueden cambiar con el tiempo. Interacción entre fuente, vía y receptor

Aunque fuente, vía y receptor se muestran como elementos separados en el diagrama de bloques de la Figura 1.15, existe una considerable interacción entre ellos; no son elementos independientes. La emisión de una fuente de sonido no siempre es constante, sino que puede depender de la vía y el receptor y del entorno en que esté localizada. Otro tipo de influencia del ambiente sobre la emisión de una fuente puede tener lugar cuando ésta es una persona hablando. Al hablar a un oyente próximo en una habitación pequeña, la potencia del habla del emisor puede ser relativamente pequeña, pero en una habitación grande o a cierta distancia en exteriores, la potencia del hablante aumentará automáticamente. De hecho, el hablante está influido por el receptor y por

INTRODUCCION

1.31

la vía. Si sabe que el oyente es duro de oído hablará más alto. Otra ilustración de la influencia de la vía y el receptor sobre la fuente la aporta el operador de una máquina ruidosa al cambiar su funcionamiento de acuerdo con las condiciones ambientales en que ésta se coloca y de las personas a quienes se puede molestar con su operación. No siempre se reconoce que las características de la vía pueden verse influidas por la fuente y el receptor. Por ejemplo, la atenuación que logra un silenciador depende en gran medida de las características de la fuente y del receptor; la atenuación de la vía no es una constante independiente de la fuente y el receptor. De igual manera, la reacción del receptor depende de las características de la vía y la fuente. Un ama de casa puede hacer sus tareas sin verse afectada por el ruido de los aviones que le sobrevuelan. Puede no verse influida por el ruido de los platos en el armario, puestos en vibración por un refrigerador ruidoso. Sin embargo, si la vibración de los platos fuera causada por el ruido del avión, su reacción podría ser completamente distinta. Así, resulta aparente que existe una considerable interacción entre fuente, vía y receptor, de la misma manera que puede haberla entre los muchos componentes que conforman la fuente, la vía y el receptor.

TECNICAS DE CONTROL DEL RUIDO

A lo largo de este libro se consideran varios métodos para controlar el ruido en detalle. En general, estas medidas pueden clasificarse en tres categorías: (1) control del ruido en la fuente, (2) control del ruido en la vía de transmisión y (3) uso de medidas protectoras contra el ruido en el receptor. El método o combinación de ellos que se emplee depende de la magnitud de la reducción del ruido requerida y de las consideraciones económicas y operativas. Al resolver un problema específico de control del ruido, hay que evaluar el beneficio específico que se gana con la aplicación de cada técnica desde el punto de vista del sistema y compararlo con su coste. Además de las técnicas descritas a continuación, que tienen aplicación general en el campo de control del ruido, en los capítulos específicos aplicación se describen medidas que pueden emplearse en problemas especiales.

Control del ruido en la fuente

Un método importante para controlar el ruido en la fuente es reducir la amplitud de las fuerzas que dan como resultado la generación del ruido, por ejemplo, mediante el equilibrio de las masas rotatorias o aislando los componentes vibratorios de la fuente. Otro método es reducir el movimiento de los componentes que vibran; por ejemplo, la vibración de los paneles puede reducirse aplicando materiales que amortigüen la vibración o alterando las frecuencias de resonancia de los paneles, como se describe en los Capítulos 28 y 40. Los cambios en el procedimiento habitual de funcionamiento también pueden ser una técnica eficaz de control del ruido. Así, algunas fábricas, próximas a zonas residenciales, suspenden o reducen operaciones ruidosas durante la noche, cuando

1.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

disminuye la actividad normal de la comunidad y el nivel de ruido ambiental decrece. Sin el ruido ambiental para enmascararlo, el ruido de la fábrica es más perceptible. Debido a ello y a la posible interferencia con el sueño, las fábricas que de otra manera operarían continuamente durante las 24 horas pueden reducir sus operaciones nocturnas.

Control del ruido en la vía de transmisión

Otra técnica general de reducción del ruido es la de controlar la vía de transmisión para reducir la energía comunicada al receptor. Esto puede lograrse de varias maneras:

Emplazamiento. Al aire libre, la atenuación máxima se consigue aumentando, en la medida de lo posible, la distancia entre la fuente y el receptor. Dado que muchas fuentes de ruido no irradian uniformemente en todas direcciones, la alteración relativa de la orientación de la fuente y el receptor puede originar una considerable reducción del ruido en este último. Así, la orientación de la pista de un aeropuerto merece una consideración importante para reducir el ruido en la comunidad cercana. Donde sea posible, hay que elegir un emplazamiento que aproveche el terreno para aportar una protección adicional del receptor respecto de la fuente. Disposición de la edificación. La cuidadosa planificación de la localización de las habitaciones dentro de un edificio, en función de la posición relativa de las fuentes de ruido y aquellas áreas en que se desean condiciones de silencio, puede dar como resultado una considerable economía al reducir la magnitud de las medidas de control del ruido que en caso contrario hubieran sido precisas (véase Capítulo 33). Barreras. Las barreras al aire libre pueden ser eficaces cuando son de gran tamaño en comparación con la longitud de onda del sonido que ha ser difractado (véase Capítulo 3). Por ejemplo, se han usado barreras que forman un ángulo de 45° respecto a la horizontal para el ruido de campo de los motores aéreos, con el fin de reflejar las frecuencias altas hacia el firmamento. Los Capítulos 30 y 33 comentan el uso de barreras y cerramientos parciales en habitaciones. Cerramientos. El uso de un cerramiento alrededor de una fuente de ruido o del receptor puede aportar una atenuación considerable (Capítulo 40). Absorción. Una de las formas más eficaces para atenuar el ruido en su vía de transmisión es mediante la absorción. Imagine que varias máquinas funcionan en una oficina grande. La mayoría del ruido de estas fuentes que llega a los trabajadores del lado opuesto de la habitación ha sido reflejado por el techo, las paredes y el suelo. Por tanto, el uso de la absorción del sonido por medio de la instalación de materiales acústicos (véase Capítulo 30) sobre el techo logra la atenuación en la vía entre la fuente y el receptor. Esta absorción también reduce el nivel de sonido que llega a los trabajadores después de las múltiples reflexiones sobre las paredes, techo y suelo (véase Capítulo 4). Si el ruido se comunica a través de un conducto de ventilación, se puede obtener la atenuación a lo largo de esta vía por medio de un revestimiento absorbente (Capítulo 42). Desajuste. Puede impedirse el flujo de energía acústica a través de la vía, desde la fuente hasta el receptor, mediante discontinuidades que reflejen la energía hacia la

INTRODUCCION

1.33

fuente. En las viviendas, esto puede lograrse mediante una discontinuidad en la construcción del edificio, como se describe en el Capítulo 32. La transmisión del sonido en el aire puede impedirse de forma parecida. Los silenciadores operan sobre este principio, aunque algunos pueden incluir también la absorción en la vía de transmisión.

Medidas protectoras en el receptor

Allí donde el nivel de ruido es excesivo para el receptor pueden emplearse las siguientes técnicas de control:

Aparatos de protección del oído. Tapones, auriculares y cascos (descritos en el Capítulo 21) constituyen medios económicos para reducir la exposición al ruido de los trabajadores industriales. Cabinas. En muchos casos no resulta práctico o económico reducir el nivel de ruido al que el trabajador está expuesto; entonces es mejor proveerle de una cabina o cerramiento parcial. Programas de conservación de la audición y formación. En el Capítulo 22 se discute el valor de los programas de conservación de la audición en la industria. La formación es un componente importante de estos programas. En algunas ciudades donde el ruido ha sido un problema serio, tanto las industrias como las instancias gubernamentales han mejorado sus relaciones con la comunidad interesándose por su problema de ruido y mostrándole los pasos constructivos que se han seguido para minimizar la molestia. Control de la exposición. Bajo determinadas circunstancias, no es factible reducir los niveles de ruido extremadamente intensos en áreas donde la gente tiene que trabajar, hasta niveles considerados aceptables para el período laboral habitual. Como se indica en los Capítulos 22 y 26, un nivel de ruido que no es aceptable para un período de tiempo específico, puede resultar aceptable durante un período de tiempo menor. Por tanto, una técnica de control del ruido es la rotación del personal, de manera que las asignaciones de trabajo en áreas de ruido intenso lo sean para un período de tiempo limitado.

REFERENCIAS 1. T. F. S. Harris, Handbook of acousties, J. Curwen & Sons, Londres, 1913. 2. American national specifieation for sound level meters, ANSI S1.4-1985, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1985.

Capítulo

2

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS Cyril M. Harris

Las definiciones, símbolos y abreviaturas presentados a continuación están de acuerdo con los contenidos en las publicaciones de una o más de las varias organizaciones de normalización, evaluación y profesionales, incluyendo el American National Standards Institute; la American Society for Testing and Materials; la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers; la International Organization for Standardization, y la International Electrotechnical Commission. Además de las siguientes definiciones, muchos términos empleados en medida acústica, control del ruido y áreas asociadas se definen a lo largo dellibro, muchas más de las que se pueden incluir aquí. El lector puede utilizar el índice.

TERMINOLOGIA absorción de la habitación: La absorción total en una habitación debida a objetos y superficies dentro de ella y a la absorción del aire dentro de la habitación. Véase Ecuación (4.1). Unidad: sabino o sabino métrico. absorción del sonido: (1) La propiedad que poseen materiales, estructuras y objetos de convertir el sonido en calor, dando como resultado la propagación en un medio o la disipación cuando el sonido golpea una superficie. (2) El proceso de disipación de la energía sonora. absorción-sabine:

La absorción del sonido definida mediante la ecuación de tiempo de

reverberación sabine. aceleración de la gravedad: La aceleración producida por la fuerza de la gravedad en la superficie de la Tierra. (Por acuerdo internacional el valor de g es 9,80665 m/segund0 2 = 386,089 pulgadas/segund02 = 32,1740 pies/segund0 2.) aceleración de vibración:

La tasa de cambio de velocidad y dirección de una vibración, en

2.1

2.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

una dirección especificada. Se ha de identificar la anchura de banda de frecuencia. Unidad: metro por segundo al cuadrado. Símbolo de la unidad: m/seg2 . aceleración: acoplador:

Véase aceleración de vibración. Véase acoplador acústico.

acoplador acústico: Una cavidad de forma y volumen predeterminados utilizada para la calibración de auriculares o micrófonos en conjunción con un micrófono adaptado a la medición de la presión sonora desarrollada dentro de la cavidad. acústica: (1) La ciencia del sonido, incluyendo su producción, transmisión, recepción y efectos. (2) De una habitación, aquellas cualidades que determinan conjuntamente el carácter de la habitación con respecto a la percepción auditiva humana.

Los adjetivos calificativos acústico y acústica tienen los siguientes significados: contiene, produce, surge de, actúa por, o relacionado con el sonido. Se utiliza acústico (acoustic) cuando el término que se está calificando designa a algo que tiene propiedades, dimensiones o características físicas asociadas con las ondas sonoras (p. ej., impedancia acústica); su utiliza acústico (acoustical) cuando el término calificado no designa explícitamente a algo que tenga las propiedades, dimensiones o características físicas del sonido (p. ej., ingeniería acústica). acústico, acústica:

La capacidad de una estructura para impedir que el sonido llegue a una habitación receptora. La energía sonora no es necesariamente absorbida; a menudo el principal mecanismo son las reflexiones de vuelta hacia la fuente.

aislamiento del sonido:

aislador de la vibración: Un soporte flexible (sobre el que se monta el equipamiento o del cual se cuelga) diseñado para reducir la vibración tranSmitida a la estructura de apoyo. aislante:

V éase aislador de la vibración.

ambiente: El resultante, en un momento determinado, de todas las condiciones e influencias a las que está sometido un sistema. amortiguación:

La disipación de la energía en un sistema oscilante, con el tiempo o la dis-

tancia. amortiguación viscosa (amortiguación lineal viscosa): La disipación de la energía que se produce cuando una parte de un sistema o un elemento es resistido por una fuerza cuya magnitud es proporcional a la velocidad del elemento, pero en dirección opuesta a la de la velocidad. amplitud:

Valor máximo de una cantidad sinusoidal.

analizador del sonido:

Un aparato para determinar el espectro de un sonido.

aparato de protección auditiva: Aparato personal que se utiliza para reducir los efectos dañinos y/o molestos del sonido en el sistema auditivo. armomco: Un componente sinusoidal cuya frecuencia es un número entero múltiplo de la frecuencia fundamental.

El porcentaje de unidades del habla transmitida recibido correctamente por un oyente. (La palabra articulación se utiliza cuando las unidades del material hablado son sílabas sin sentido o fragmentos. La palabra inteligibilidad se utiliza cuando las unidades del material hablado son palabras con significado o frases completas. Ha de especificarse el tipo de material hablado utilizado; p. ej., sílabas, palabras, o frases). articulación (inteligibilidad):

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

audiograma de tono puro:

2.3

Un gráfico que muestra el nivel auditivo en función de la fre-

cuencia. audiograma:

Gráfico que muestra el nivel auditivo (umbral) en función de la frecuencia.

audiómetro:

Aparato utilizado para medir la agudeza auditiva, específicamente el nivel

auditivo. Un transductor electroacústico diseñado para ser estrechamente acoplado al oído, capaz de generar oscilaciones acústicas cuando es excitado por señales eléctricas.

auricular:

Un auricular que tiene una cavidad suficientemente grande como para cubrir la región de la cabeza incluyendo y rodeando al oído.

auricular circunaural:

auricular insertado: Un auricular pequeño diseñado para ajustarse en el oído externo o para ajustarse a un elemento conector como un molde de oído. auricular supraural:

Un auricular aplicado externamente al oído externo.

auriculares para la cabeza:

Un ensamblaje de uno o dos auriculares y una banda para la

cabeza. banda:

Un segmento del espectro de frecuencia.

banda auditiva crítica: (1) La frecuencia de banda del sonido (que es una parte de un ruido de espectro continuo que cubre una banda ancha) que contiene una potencia sonora igual a la de un tono puro centrado en la banda crítica y mínimamente audible en presencia del ruido de banda ancha. (2) La frecuencia de la banda dentro de la cual la sonoridad de un sonido distribuido continuamente de nivel de presión sonora constante es independiente de su anchura de banda. banda crítica:

Véase banda auditiva crítica.

Una unidad de nivel que denota la relación entre dos cantidades proporcionales a la potencia; el número de belios correspondiente a esta relación es el logaritmo de base 10 de la relación. [1 belio = 10 decibelios (dB).]

belio:

Una cabina o habitación que se utiliza para el examen auditivo; está aislada contra el ruido exterior e incorpora algún absorbente del sonido.

cabina (habitación) audiométrica:

Una habitación cuyos límites absorben prácticamente todo el sonido incidente sobre ellos, aportando por tanto esencialmente condiciones de campo libre. cámara anecoica (cámara de campo libre):

cámara de campo libre:

Véase cámara anecoica.

Una habitación que tiene un tiempo de reverberación largo, especialmente diseñada para hacer todas las superficies tan reflectantes del sonido como sea posible y para hacer el campo sonoro dentro de ella tan difuso como sea posible.

cámara de reverberación:

Una cámara de ensayo con un suelo duro, reflectante, pero en que las demás superficies absorben esencialmente todo el sonido que incide sobre ellas, aportando por tanto condiciones de campo libre por encima del plano reflectante. cámara semiecoica:

La porción del campo sonoro de una fuente de sonido en que el nivel de presión sonora (debido a esta fuente) desciende en 6 dB por cada duplicación de la distancia desde la fuente.

campo lejano:

campo libre:

Un campo sonoro en un medio iso trópico homogéneo cuyos límites ejercen

2.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

una influencia insignificante sobre las ondas sonoras. En la práctica, es un campo en que los efectos de los límites son insignificantes para el rango de frecuencia de interés. campo próximo (campo sonoro próximo): El campo sonoro próximo a una fuente de sonido (entre la fuente y el campo lejano) en que el nivel de presión sonora instantánea y la velocidad de las partículas no están en fase. campo sonoro:

Una región de un medio elástico (como el aire) que contiene ondas so-

noras. campo sonoro difuso (campo difuso): Un campo sonoro que tiene densidad de energía estadísticamente uniforme y en que las direcciones de propagación de las ondas sonoras se distribuyen al azar. campo sonoro directo: La porción del campo sonoro de una fuente de sonido en que la presión sonora (debida a esta fuente) no ha sufrido ninguna reflexión. campo sonoro libre:

Véase campo libre.

Un campo sonoro en un espacio total o parcialmente cerrado, una vez que la fuente ha cesado, en que las ondas sonoras se reflejan repetida o continuamente sobre los límites. campo sonoro reverberante (campo reverberante):

cantidad periódica: Una cantidad oscilatoria cuyos valores son recurrentes para determinados incrementos de la variable independiente.

Del aire, el producto de la densidad del aire, p, y la velocidad del sonido del aire, c. A una temperatura de 22 oC (71,6 °F), la impedancia específica acústica es igual a 406 newtons·segundo/m 2 ; este valor puede corregirse para otros valores de temperatura y presión mediante la Figura 1.11. características de impedancia:

Una unidad de banda logarítmica de frecuencia entre dos sonidos con una relación básica de frecuencia de la raíz 1200 de 2; una octava es igual a 1200 centavas.

centava:

ciclo: De una cantidad periódica, la secuencia completa de valores de una cantidad periódica que se produce durante un período. ciclos por segundo (cps):

Una unidad de frecuencia, igual que el herzio (Hz); véase fre-

cuencia. clase de aislamiento de impacto: Una valoración de número único que se utiliza para comparar la eficacia de los ensamblajes de techo-suelo para aportar reducción de los sonidos generados por impacto, tales como pisadas. Esta estimación se deriva de valores normalizados de niveles de presión sonora de impacto de acuerdo con la norma E492 de la ASTM. Abreviatura: ne.

Una valoración de número único parecida a la clase de aislamiento de impacto, salvo que los niveles de presión sonora de impacto se miden en campo. Abreviatura: FIle. clase de aislamiento de impacto de campo:

Una valoración de número único derivada de los valores medidos de reducción del ruido entre dos espacios cerrados que están conectados mediante una o más vías; esta valoración no se ajusta o normaliza con respecto a un tiempo de reverberación normalizado. Abreviatura: Nle. clase de aislamiento de ruido:

Una valoración de número único utilizada para comparar las propiedades de aislamiento del sonido de paredes, suelos, techos, ventanas o puer-

clase de transmisión del sonido:

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.5

taso La clase de transmisión del sonido se obtiene de mediciones en 16 bandas de ensayo. Abreviatura: STC. Una valoración de número único parecida a la clase de transmisión del sonido, salvo que los valores de pérdida de transmisión utilizados para calcularla se miden en campo. Abreviatura: FSTC. clase de transmisión sonora de campo:

Una valoración de número único, parecida a la clase de aislamiento del ruido, salvo que los valores de reducción del ruido medidos están normalizados para un tiempo de reverberación de 0,5 segundos. Abreviatura: NNIC.

clase normalizada de aislamiento del ruido:

coeficiente de absorción:

Véase coeficiente de absorción del sonido.

(1) De forma ideal, la fracción de la potencia sonora incidente al azar que es absorbida (o reflejada) por un material. (2) Una medida de la propiedad absorbente del sonido de un material, tal como se calcula mediante el método ASTM C423. Letra del símbolo: (l.

coeficiente de absorción del sonido:

El valor mínimo de amortiguación que permitirá la vuelta de un sistema desplazado a su posición inicial sin oscilación. Letra del símbolo: Cc.

coeficiente de amortiguación crítica:

Una valoración de número único de las propiedades de absorción del sonido de un material; es la media aritmética de los coeficientes de absorción del sonido a 250, 500, 1000 Y 2000 Hz, redondeado hasta el múltiplo más próximo de 0,05. Abreviatura: NRC. coeficiente de reducción del ruido:

El proceso por el cual el sonido viaja hacia el oído interno a través de una vía en el aire en el canal del oído externo, utilizando entonces la membrana del tímpano y la cadena de huesecillos. conducción del aire:

conducción ósea: La transmisión del sonido al oído interno a través de la vibración mecánica de los huesos craneales y los tejidos blandos.

El tiempo requerido para que una cantidad que varía exponencialmente con el tiempo, pero menos que cualquier componente constante, cambie en un factor l/e = 0,3679.

constante de tiempo:

Para un sonido especificado que se escucha de una manera concreta, una curva que muestra los valores relacionados de presión sonora y frecuencia requerida para elicitar un nivel de sonoridad determinado para un oyente normal. Véase Figura 17.5. contorno de igual sonoridad:

curvas de criterio de habitación: curvas de criterio de ruido:

Véase curvas RC

Véase curvas NC

Una serie de curvas de los espectros de sonido de banda de octava en un sistema para evaluar el ruido de un espacio interior ocupado; se compara un espectro real de banda de octava con este conjunto de curvas para determinar el nivel NC del espacio. curvas NC (curvas de ruido criterio):

Una serie de curvas de espectros de sonido de banda de octava en un sistema para valorar el ruido de un espacio interior ocupado; se compara un espectro real de banda de octava con este conjunto de curvas para determinar el nivel RC del espacio. curvas RC (curvas de criterio de habitación):

decibelio:

Una unidad de nivel que denota la relación entre dos cantidades que son pro-

2.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

porcionales a la potencia; el número de decibelios es diez veces el logaritmo (de base 10) de esta relación. En muchos campos sonoros, las relaciones de presión sonora no son proporcionales a las correspondientes relaciones de potencia, pero es una práctica habitual ampliar el uso de la unidad a tales casos. Un decibelio es un décimo de un belio. Símbolo de la unidad: dB. defensa del oído:

Véase aparato de protección auditiva.

El límite, a medida que la anchura de banda se aproxima a cero, de la potencia sonora dividido entre la anchura de banda establecida.

densidad de potencia espectral:

En el descenso de la oscilación de frecuencia única, el logaritmo natural de la proporción entre dos amplitudes sucesivas cualesquiera del mismo signo. Símbolo: d.

descenso logarítmico:

desplazamiento: Un vector de cantidad que especifica el cambio de posición de un cuerpo o partícula; habitualmente se mide desde la posición media o posición de descanso.

La raíz cuadrática media de los desplazamientos instantáneos de las partículas en un intervalo de tiempo especificado, salvo que se establezca de otra manera. Unidad: metro. Símbolo de la unidad: m.

desplazamiento de partícula:

Un aumento en el umbral de audición para una frecuencia determinada; por ejemplo, como resultado de la exposición al ruido.

desplazamiento de umbral:

El componente del cambio de umbral que muestra una reducción progresiva con el paso del tiempo, cuando se retira la causa del cambio. Véase Capítulo 18. Abreviatura: ITS. desplazamiento de umbral transitorio:

desplazamiento permanente de umbral inducido por el ruido:

Pérdida auditiva per-

manente que resulta de la exposición al ruido. Abreviatura: NIPTS. desplazamiento transitorio de umbral inducido por el ruido:

Pérdida auditiva transi-

toria que resulta de la exposición al ruido. Abreviatura: NIITS. difracción:

El proceso que produce una onda difractada.

dispersión:

La difracción irregular del sonido y la reflexión de las ondas sonoras en varias

direcciones. divergencia: La propagación de las ondas sonoras desde una fuente en campo libre, dando como resultado una disminución en el nivel de presión sonora al aumentar la distancia desde la fuente. dosis:

Véase dosis de ruido.

dosis de ruido:

Véase Ecuación (12.10).

dosis diaria de ruido:

Véase dosis de ruido.

duración del pulso de sacudida: Intervalo de tiempo entre el instante en que la excitación aumenta por encima de un porcentaje establecido de su valor máximo y el instante en que decae hasta esa fracción. eco: Un sonido que ha sido reflejado con la suficiente magnitud, pero con un tiempo de descenso tal que puede distinguirse como una repetición del sonido directo. eco de oscilación del sonido:

partir de la misma fuente sonora.

Una rápida, pero regular, sucesión de ecos que se origina a

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.7

efecto de coincidencia: De un panel o partición, un fenómeno que se produce cuando la longitud de onda de una onda flexural en un panel es igual a la de la onda de la misma frecuencia viajando en el aire. energía sonora: De una zona de un medio, la energía total en esta zona menos la energía que existiría en la misma zona del medio sin ondas sonoras presentes. Unidad: julio. enmascaramiento: (1) El proceso mediante el cual se eleva el umbral de audición para un sonido mediante la presencia de otro sonido. (2) La cantidad en que se aumenta el umbral de audición de un sonido en presencia de otro sonido. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB.

Una descripción de una cantidad en función de la frecuencia; el término puede utilizarse para significar un rango continuo de componentes, habitualmente amplio en extensión, que poseen algunas características comunes, como el espectro de frecuencias auditivas. espectro:

espectro continuo: El espectro sonoro cuyos componentes están distribuidos continuamente sobre un rango de frecuencia especificado. (El ruido aleatorio tiene un espectro continuo porque contiene un número muy grande de componentes de frecuencia.) espectro de banda de octava:

Un espectro que tiene una octava de anchura.

espectro del sonido: Una representación de la magnitud (p. ej., amplitud y fase) de los componentes de un sonido complejo en función de la frecuencia. espectro lineal:

Un espectro que contiene sólo componentes de frecuencia discreta.

exposición al ruido:

Véase exposición sonora.

exposición sonora: La integración temporal de la presión sonora al cuadrado con ponderación A sobre un intervalo de tiempo igualo mayor al de un suceso. La ponderación de frecuencia puede ser distinta de A si así se indica. Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación de frecuencia A. En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad fundamental de exposición sonora se expresa en pascales al cuadrado por segundo, si el tiempo es en segundos, y en pascal es al cuadrado por hora, si el tiempo es en horas. Símbolo de la unidad: Pa 2 ·seg o Pa 2 ·h.

La exposición sonora de una día de 24 horas calculada añadiendo la exposición sonora diurna (7:00 a 22:00 horas) a 10 veces la exposición sonora nocturna (0:00 a 7:00 horas y 22:00 a 24:00 horas). Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. Unidad: pascal al cuadrado por segundo. Símbolo de la unidad: Pa 2 ·s. exposición sonora día-noche:

exposición sonora día-tarde-noche: La exposición sonora de una día de 24 horas calculada añadiendo la exposición sonora diurna (7:00 a 19:00 horas) a 3 veces la exposición sonora vespertina (19:00 a 22:00 horas) ya 10 veces la exposición sonora nocturna (0:00 a 7:00 horas y 22:00 a 24:00 horas). Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. Unidad: pascal al cuadrado por segundo. Símbolo de la unidad: Pa 2 ·s. factor cresta (pico):

De una cantidad oscilante, la proporción entre el valor pico y el valor

rms. factor de directividad: De un micrófono, la proporción entre el cuadrado de la sensibilidad del campo libre y las ondas sonoras que llegan a lo largo del eje principal, respecto a la sensibilidad media al cuadrado de una sucesión de ondas sonoras que llegan al transductor con igual probabilidad desde todas las direcciones.

2.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Para un valor particular de la variable independiente, la parte fraccional de un período a través del cual ha avanzado la variable independiente, medida a partir de una referencia arbitraria. fase de una cantidad periódica:

filtro:

Un aparato para separar los componentes de una señal sobre la base de su frecuen-

cia. filtro de paso de banda: Un filtro con una banda única de transmisión que se extiende desde el borde de una banda de frecuencia inferior mayor que cero hasta una frecuencia de corte superior finita.

Para un sistema con amortiguación viscosa, la proporción entre el coeficiente de amortiguación real c y el coeficiente de amortiguación crítica Cc'

fracción de amortiguación crítica (proporción de amortiguación):

fracción de la dosis diaria de ruido:

Véase dosis de ruido.

(1) De una función periódica en el tiempo, el número de veces que la cantidad se repite a sí misma en un segundo (v.g., número de ciclos por segundo). (2) El recíproco del período. Unidad: herzio. Símbolo de la unidad: Hz. frecuencia:

De una cantidad periódica, en radianes por unidad de tiempo, la frecuencia f multiplicada por la cantidad 211"; un movimiento tal que el desplazamiento es una función sinusoidal del tiempo. Letra del símbolo: w.

frecuencia angular:

De un panel o partición, la frecuencia más baja a que se produce el efecto de coincidencia. Unidad: herzio. Símbolo de la unidad: Hz.

frecuencia crítica:

frecuencia de resonancia:

La frecuencia a que se produce la resonancia. Unidad: herzio.

Símbolo de la unidad: Hz. (1) La frecuencia natural más baja de un sistema oscilatorio. (2) La frecuencia de un componente sinusoidal de una cantidad periódica que tiene el mismo período que la cantidad periódica. Unidad: herzio. Símbolo de la unidad: Hz. frecuencia fundamental:

frecuencia natural:

De un sistema, la frecuencia de oscilación libre. Unidad: herzio. Sím-

bolo de la unidad: Hz. De un sistema mecánico, la frecuencia de oscilación libre de un sistema lineal amortiguado. Unidad: herzio. Símbolo de la unidad: Hz.

frecuencia natural amortiguada:

De un sistema mecánico, la frecuencia de oscilación libre que resulta de las fuerzas elásticas y de inercia del sistema. Unidad: herzio. Símbolo de la unidad: Hz.

frecuencia natural no amortiguada:

frente de onda: De una onda progresiva en el espacio, una superficie continua en que la fase es la misma para un instante determinado. fuente puntual:

Una fuente que irradia sonido como si lo hiciera un punto único.

fuente sonora monopolar:

Véase fuente sonora simple.

Una fuente que irradia sonido por igual en todas las direcciones bajo condiciones de campo libre.

fuente sonora simple (fuente monopolar): ganancia direccional:

Véase índice de directividad.

grabadora de cinta magnética:

Un aparato utilizado para grabar las señales eléctricas

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.9

como variaciones de inducción magnética remanente de un medio registrador de cinta magnética. grados de libertad: De un sistema mecánico, el número mínimo de coordenadas independientes generalizadas que se requieren para definir completamente la configuración del sistema en cualquier instante de tiempo. habitación fuente:

Una habitación que contiene una o varias fuentes de ruido.

habitación muerta: Una habitación que se caracteriza por una cantidad inusualmente grande de absorción sonora. habitación viva: Una habitación caracterizada por una cantidad relativamente pequeña de absorción del sonido. herzio:

Véase frecuencia.

impacto: Una colisión única de una masa en movimiento con una segunda masa que puede estar en descanso o en movimiento. impedancia acústica específica: En un punto de un campo sonoro, la relación compleja entre la presión sonora instantánea y la velocidad de las partículas. Unidad: pascal segundo por metro. Símbolo de la unidad: Pa·s/m. impulso: La integración temporal de una fuerza a lo largo del intervalo de tiempo durante el que es aplicada la fuerza. índice de articulación: Un número (entre Oy 1) que es una medida de la inteligibilidad del habla; cuanto más alto es el número, mayor es la inteligibilidad. Abreviatura: lA. índice de directividad (ganancia direccional): (1) De un transductor, 10 veces ellogaritmo de base 10 del factor de directividad. (2) En campo libre, la diferencia entre el nivel de presión sonora en una dirección determinada (en el campo alejado de una fuente) y el nivel medio de presión sonora en ese campo. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. índice de ruido compuesto:

Un descriptor para evaluar la exposición al ruido de aero-

puerto. Abreviatura: CNR. índice de transmisión del habla: Un índice para evaluar la inteligibilidad del habla que tiene en cuenta tanto el ruido como la reverberación. Abreviatura: STI. infrasónico:

Relativo al infrasonido.

infrasonido: Ondas sonoras con una frecuencia inferior a la que produce la sensación auditiva habitual en los seres humanos, generalmente por debajo de 16 Hz. inteligibilidad: intensidad:

Véase articulación.

Véase intensidad del sonido.

intensidad del sonido: En un punto para una dirección especificada, la tasa media de energía sonora transmitida en una dirección concreta a través de una unidad de área normal a esta dirección en el punto considerado [véase Ecuación (1.11)]. Unidad: vatio por metro cuadrado. Símbolo de la unidad: W/m 2 • Letra del símbolo: I. ley inversa del cuadrado: En el campo alejado de una fuente, bajo condiciones de campo libre, la intensidad del sonido varía inversamente con el cuadrado de la distancia desde la fuente; esto da como resultado un descenso en el nivel de presión sonora de 6 dB por cada duplicación de la distancia desde la fuente.

2.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

limitación auditiva:

Véase Ecuación (19.2).

longitud de onda: De una onda periódica en un medio iso trópico, la distancia perpendicular entre los dos frentes de onda en que los desplazamientos tienen una diferencia de fase de un período completo. Unidad: metro. Símbolo de la unidad: m. Letra del símbolo: "-. máquina de golpeo: Un aparato utilizado para valorar las distintas construcciones del suelo contra los impactos; produce una serie de impactos sobre el suelo que se examina, 10 veces por segundo. mastoide artificial: Aparato utilizado para calibrar las vibraciones óseas; simula la impedancia mecánica del mastoide humano medio. medidor de vibración: Un aparato para medir el desplazamiento, velocidad o aceleración en un cuerpo vibratorio. melio: Una unidad de tono. Un tono puro, presentado frontalmente, con una frecuencia de 1000 Hz y un nivel de presión sonora de 40 dB re 20 micropascales (fLPa) produce un tono de 1000 melios. micrófono condensador:

Véase micrófono electrostático.

micrófono de gradiente de presión: diente de presión.

Un micrófono que responde esencialmente al gra-

micrófono de habla próxima: Un micrófono que está diseñado específicamente para ser utilizado cerca de la boca del hablante. micrófono de sondeo: significativamente.

Un micrófono adaptado a explorar un campo sonoro sin alterarlo

micrófono direccional: Un micrófono cuya respuesta depende de la dirección del sonido incidente sobre el micrófono. micrófono electrostático (micrófono condensador): miento depende de la variación de la capacidad eléctrica.

Un micrófono cuyo funciona-

micrófono omnidireccional: Un micrófono cuya respuesta es esencialmente independiente de la dirección del sonido incidente. modo fundamental: más baja.

De un sistema oscilatorio, el modo que tiene la frecuencia natural

modulación: En la transmisión de la señal: (1) proceso mediante el cual determinadas características de la onda, a menudo denominada portadora, varían o se seleccionan de acuerdo con una función moduladora; (2) el resultado de este proceso. montaje de vibración:

Véase aislador de vibración.

movimiento armónico simple: (Véase Figura 1.3.)

Un movimiento que es una función sinusoidal del tiempo.

nivel: El logaritmo de la relación entre una cantidad determinada y una cantidad de referencia del mismo tipo. Hay que indicar la base del logaritmo, la cantidad de referencia y el tipo de nivel. (El tipo de nivel se indica mediante el uso de un término compuesto, como nivel de potencia sonora o nivel de presión sonora. El nivel de la cantidad de referencia no se modifica ya se elija su punta, rms u otro.) nivel auditivo:

(1) Para una frecuencia determinada, el número de decibelios que el um-

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.11

bral de un oído supera el nivel cero de referencia de un audiómetro normalizado. (2) Para una señal especificada, para un tipo concreto de auricular y para una forma determinada de aplicación, el nivel de presión sonora de la señal producida por el auricular en un acoplador especificado u oído artificial, menos el nivel de presión sonora producido en el auricular correspondiente a un umbral de audición normalizado concreto. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: HL. nivel de aceleración:

Véase nivel de aceleración de vibración.

nivel de aceleración de vibración: Diez veces el logaritmo (de base 10) de la relación entre el cuadrado de una aceleración de vibración determinada y el cuadrado de la aceleración de referencia. Habitualmente, la aceleración de referencia es 19 o 1 mlsegl. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: V AL. Símbolo: La. nivel de banda de octava:

Véase nivel de presión sonora de banda de octava.

nivel de emisión de potencia de ruido: El logaritmo de base diez de la relación entre la potencia sonora con ponderación A y la potencia sonora de referencia de 1 picovatio (pW), habitualmente expresado en belios. Abreviatura: NPEL. Letra del símbolo: L NWE . nivel de exposición al ruido:

Véase nivel de exposición sonora.

nivel de exposición al ruido de un suceso único: El nivel de exposición sonora de un suceso de ruido único (como un avión que sobrevuela o un camión que pasa), medido sobre el intervalo, entre los tiempos inicial y final, en que el nivel sonoro del suceso supera el nivel del ruido de fondo. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: SENEL. Símbolo: L AX•

(1) Para un período de tiempo o un suceso determinado, el logaritmo de la relación entre la integración temporal de la presión sonora al cuadrado con ponderación de frecuencia y el producto de la presión sonora de referencia de 20 micropascales (¡tPa) por la duración de referencia de 1 segundo (seg). En decibelios, 10 veces el 10garitmo de base 10 de esta relación; se asume la ponderación de frecuencia A, salvo que se especifique lo contrario. (2) Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) de la relación entre la exposición y la exposición sonora de referencia, E o , de 400 micropascales al cuadrado por segundo (400 ¡tpa2 ·s). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: SEL (ASEL, si es con ponderación A). Símbolo: L ET o L AE (L AET, si es con ponderación A). nivel de exposición sonora:

nivel de exposición sonora con ponderación A:

Véase nivel de exposición sonora.

nivel de exposición sonora día-noche: Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) de la exposición sonora día-noche y la exposición sonora de referencia (Eo ) de 400 micro-

pascales al cuadrado por segundo (400 ¡tPa2 ·s). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de exposición sonora día-tarde-noche: Diez veces el logaritmo común (v.g., logaritmo de base 10) de la relación entre la exposición sonora día-tarde-noche y la exposición 2 sonora de referencia (Eo ) de 400 rnicropascales al cuadrado por segundo (400 ¡tPa ·s). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de intensidad:

Véase nivel de intensidad sonora.

nivel de intensidad sonora: Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) de una intensidad sonora determinada con respecto a la intensidad sonora de referencia de 1 picovatio por metro cuadrado (pW/m 2). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Letra del símbolo: L/. nivel de interferencia del habla:

Un índice para evaluar los efectos de interferencia del

2.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ruido sobre la inteligibilidad del habla, derivado de la medida del nivel del ruido de fondo de bandas de octava contiguas; v.g., la media aritmética de los niveles sonoros de bandas de octava centradas en las frecuencias de 500,1000,2000 Y4000 Hz (método de las cuatro bandas) o la media correspondiente a las bandas centradas en 500, 1000 Y 2000 Hz (método de las tres bandas). Si se utilizan otras bandas de octava, ha de especificarse. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: SIL.

nivel de potencia:

Véase nivel de potencia sonora.

nivel de potencia sonora: Diez veces el logaritmo (de base 10) de la relación entre una potencia sonora determinada y la potencia sonora de referencia de 1 picovatio (1 pW; v.g., 10-12 W). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: PWL. Símbolo: Lw. nivel de potencia sonora con ponderación A: Diez veces el logaritmo de base 10 de la relación entre una potencia sonora con ponderación A determinada y la potencia sonora de referencia de 1 picovatio (pW). Los valores con ponderación A se presentan en la Tabla 1.2. Abreviatura: APWL. Símbolo: Lwa' nivel de presión sonora: En el aire, 20 veces el logaritmo (de base 10) de una presión sonora determinada con respecto a la presión sonora de referencia de 20 micropascales (J.l.Pa). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: SPL. Símbolo: Lp. nivel de presión sonora de banda: El nivel de presión sonora dentro de una banda especificada de frecuencia. La banda suele estar especificada por su frecuencia central geométrica y anchura de banda, pero también puede especificarse por su frecuencias de corte inferior y superior. La anchura de la banda de frecuencia puede indicarse mediante un modificador, como el nivel (de presión sonora) de banda de octava, el nivel de banda de tercio de octava, etc. nivel de presión sonora de banda de octava (nivel sonoro de banda de octava o nivel de banda de octava): Para una frecuencia de banda de octava, el nivel de presión sonora del sonido contenido dentro de esa banda. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: OBSPL. Símbolo: L1/]. nivel de presión sonora de banda de tercio de octava (nivel sonoro de banda de tercio de octava o nivel de banda de tercio de octava): Para una frecuencia de banda de tercio de octava, el nivel de presión sonora del sonido contenido dentro de esa banda. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: TOBSPL. Símbolo: LJ/3. nivel de presión sonora de impacto: El nivel medio de presión sonora en una banda de frecuencia especificada en la habitación receptora cuando el suelo (por encima de la habitación receptora) que se examina es excitado mediante una fuente normalizada de sonido de impacto (v.g., la máquina de golpeo). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de presión sonora de pico a rms: El nivel pico de presión sonora menos la raíz cuadrática media del nivel de presión durante el período de tiempo establecido. nivel de presión sonora promediado en el tiempo (nivel sonoro de presión sonora continuo equivalente): Durante un período de tiempo establecido, el logaritmo de la relación entre la raíz cuadrática media de la presión sonora y la presión sonora de referencia. Para sonido transmitido por el aire, salvo que se especifique de otra manera, el nivel de presión sonora promediado en el tiempo en decibelios es 20 veces el logaritmo de base 10 del nivel de presión sonora durante el tiempo establecido respecto a la presión sonora de referencia de 20 micropascales (J.l.Pa). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Símbolo: L pT'

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.13

nivel de presión sonora instantánea: Diez veces el logaritmo común del cuadrado de la relación entre la presión sonora instantánea y la presión sonora de referencia de 20 micropascales (¡.¡.Pa). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de presión sonora pico: Diez veces el logaritmo común de la relación entre la presión sonora pico y la presión sonora de referencia de 20 micropascales (¡.¡.Pa); el máximo nivel de presión sonora instantánea durante un período de tiempo o acontecimiento establecido. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de ruido:

Igual que nivel sonoro. Habitualmente utilizado para describir el sonido no

deseado. nivel de ruido percibido de tono corregido: El nivel de presión sonora obtenido al añadir un ajuste al nivel de ruido percibido, que está relacionado con el grado de irregularidad que puede producirse entre bandas de tercio de octava contiguas. nivel de ruido percibido efectivo: El nivel de la integración temporal del antilogaritmo de un décimo del nivel de ruido percibido de tono corregido de un avión que sobrevuela, con una duración de referencia de 10 segundos. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de sensación: Para un oyente individual y un sonido especificado, la cantidad en que un nivel de presión sonora supera el umbral de audición para ese sonido. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel de señal a ruido:

El nivel de la señal menos el nivel de ruido, habitualmente en de-

cibelios. nivel de sonoridad: De un sonido, el nivel de presión sonora de una onda libre progresiva plana con una frecuencia de 1000 Hz que se juzga como igualmente sonora que el sonido desconocido, cuando se presentan a oyentes con audición normal situados frente a la fuente. Unidad: fono. Abreviatura: LL. nivel del espectro de presión: De un sonido a una frecuencia especificada, el nivel de presión sonora efectiva de la potencia sonora contenida dentro de una banda de 1 Hz de anchura, centrada en una frecuencia determinada. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: PSL. Símbolo: Lps. nivel del espectro de presión sonora:

Véase nivel del espectro de presión.

nivel del umbral auditivo: Para una señal especificada, la cantidad en que el umbral de audición de cualquiera de los oídos supera un umbral de audición estandarizado especificado. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel equivalente de ruido comunitario: (1) Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) del cuadrado de la presión sonora media día-tarde-noche a la presión sonora de referencia de 20 micropascaIes (¡.¡.Pa). (2) El nivel sonoro equivalente con ponderación A de 24 horas, de medianoche a medianoche, obtenido después de añadir 5 dB a los niveles sonoros que se producen entre las 19:00 y las 22:00 horas y 10 dB a los niveles sonoros que se producen entre las 0:00 y las 7:00 horas y las 22:00 y las 24:00 horas. Unidad: decibelio. Abreviatura: CNEL. Símbolo: Lden. nivel medio de presión sonora len una habitación): Diez veces el logaritmo de base 10 de la relación entre el espacio y el tiempo medio de la presión sonora al cuadrado y la presión sonora al cuadrado de referencia; se toma el espacio medio de toda la habitación, con excepción de aquellas partes en que la radiación directa de cualquier fuente sonora o campo próximo de los límites tiene una influencia significativa. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB.

2.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nivel de presión sonora de impacto: El nivel de presión sonora de impacto en la habitación receptora menos 10 veces el logaritmo (de base 10) del tiempo de reverberación en la habitación receptora, dividido entre el tiempo de reverberación de referencia. nivel normalizado de presión sonora de impacto: Para una banda de frecuencia especificada, el nivel medio de presión sonora en una habitación receptora debido a una fuente normalizada de impacto, menos diez veces el logaritmo (de base 10) de la relación entre una absorción de referencia y la absorción total del sonido en la habitación receptora. La absorción del sonido de referencia son 10 sabinos métricos. nivel percentil: Para una duración establecida del período total de medición, el nivel sonoro o nivel sonoro promediado en el tiempo que es superado el x por 100 del período total de medición. Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. Si se utilizan niveles sonoros, hay que especificar la ponderación temporal; si se utilizan niveles sonoros equivalentes, hay que especificar el período de medición de cada muestra. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. nivel pico: Nivel máximo instantáneo de un tipo establecido que se produce durante un intervalo de tiempo determinado. nivel sonoro (nivel ponderado de presión sonora): Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) del cuadrado de la relación entre la presión sonora con ponderación de frecuencia (y promedio temporal) y la presión sonora de referencia de 20 micropascales ( ..... Pa); 20 veces el logaritmo común (de base 10) de la relación entre una presión sonora determinada (obtenida con ponderaciones normalizadas de frecuencia y exponencial de tiempo promedio) y la presión sonora de referencia de 20 micropascales ( ..... Pa). Hay que especificar las ponderaciones de tiempo y frecuencia utilizadas; de no ser así, se sobreentienden las ponderaciones de frecuencia A y de tiempo rápido (fast). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad:dB. nivel sonoro con ponderación A: El nivel sonoro obtenido mediante el uso de la ponderación A. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. A menudo, el símbolo de la unidad es seguido de la letra A entre paréntesis, v.g., dB(A), para indicar que se ha utilizado la ponderación A. La Tabla 1.2 presenta los valores de la ponderación A. Abreviatura: AL. Símbolo: LA' nivel sonoro con ponderación C: El nivel sonoro obtenido mediante el uso de la ponderación C. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB; a menudo, el símbolo de la unidad es seguido de la letra C entre paréntesis, v.g., dB (C), para indicar que se ha utilizado la ponderación C. Abreviatura: CL. Símbolo: Le. nivel sonoro continuo equivalente (nivel sonoro promediado en el tiempo): El nivel de un sonido estable que, en un período de tiempo establecido y en una localización determinada, tiene la misma energía sonora con ponderación A que el sonido que varía con el tiempo. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: QL. Símbolo: Leq. nivel sonoro corregido día-noche: Diez veces el logaritmo común (v.g., logaritmo de base 10) del cuadrado de la relación entre la presión sonora corregida día-noche y la presión sonora de referencia de 20 micropascales ( .....Pa). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: DNL. Símbolo: Ldn' nivel sonoro corregido día-noche anual: do para todo el año. nivel sonoro de 8 horas:

El nivel sonoro corregido día-noche promedia-

El nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A para

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.15

un período de tiempo de 8 horas. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: 8HL. Símbolo: L8h' nivel sonoro diurno medio: El nivel sonoro continuo equivalente para un período de 12 horas de las 7:00 a las 19:00. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: DTL. Símbolo: L d12 • nivel sonoro máximo con ponderación A: El mayor nivel sonoro medido en un sonómetro, durante un intervalo de tiempo o suceso designado, utilizando la ponderación A y el promedio temporal rápido (fast). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: MXLA. Símbolo: LAma:<' nivel sonoro medio:

Véase nivel sonoro continuo equivalente.

nivel sonoro medio día-tarde-noche: Véase nivel de ruido equivalente en la comunidad. nivel sonoro medio horario: El nivel sonoro continuo equivalente para un período de tiempo de 1 hora, habitualmente calculado entre horas enteras. Puede identificarse por las horas de principio y final, o sólo por la hora final. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: 1HL. Símbolo: L/h' nivel sonoro medio nocturno: El nivel sonoro continuo equivalente, v.g., el nivel sonoro promediado en el tiempo con ponderación A, para un período de 9 horas dividido, de las 0:00 a las 7:00 horas y de las 22:00 a las 24:00 horas. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: NL. Símbolo: Ln' nivel sonoro percibido: Una valoración del «ruido» del sonido de un avión; el nivel de presión sonora con ponderación de frecuencia obtenido mediante un procedimiento establecido, que combina los niveles de presión sonora en las 24 bandas de tercio de octava centradas entre 50 Hz y 10 kHz. Véase Ecuación (47.2). Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: PNL. Símbolo: L PN • nivel sonoro pico: El valor instantáneo más alto de un nivel de presión sonora normalizado con ponderación de frecuencia, dentro de un intervalo de tiempo establecido. nivel sonoro pico con ponderación A: El máximo nivel sonoro instantáneo con ponderación A durante un período de tiempo o suceso establecido. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: PKAL. Símbolo: L Apk ' nivel sonoro promediado en el tiempo (nivel sonoro continuo equivalente): Diez veces el logaritmo común (v.g., de base 10) de la relación entre el cuadrado de la presión sonora de tiempo medio (con ponderación de frecuencia) y la presión sonora de referencia de 20 micropascales (IJ.Pa). Unidad: decibelio. Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: QL. Símbolo: Leq. nivel sonoro residual: El valor inferior bastante estable del nivel sonoro sobre el que se superponen los sucesos discretos. nivel sonoro superado por el percentil x: El nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A igualado o superado por un nivel sonoro fluctuante el x por 100 del período de tiempo establecido. Por ejemplo, la letra del símbolo L JO representa el nivel sonoro que es superado un 10 por 100 del período de tiempo establecido. nivel sonoro vespertino: El nivel sonoro continuo equivalente, v.g., el nivel sonoro con ponderación A de tiempo medio para un período de tiempo de 3 horas, de las 19:00 a las 22:00. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. Abreviatura: EL. Símbolo: Lev.

2.16 octava:

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El intervalo de frecuencia entre dos sonidos cuya relación de frecuencia es 2.

Un aparato usado para calibrar los auriculares; el oído artificial incorpora un micrófono calibrado para medir la presión sonora y un acoplador acústico, de manera que la impedancia acústica global sea parecida a la del oído humano medio normal, en una banda de frecuencia determinada. Está equipado con un micrófono para la medición de la presión sonora desarrollada por el auricular. oído artificial:

Una alteración que se propaga en un medio de tal manera que, en cualquier punto del medio, la cantidad que sirve como medida de la alteración es una función del tiempo; en tanto que, en cualquier instante, el desplazamiento en un punto es una función de su posición.

onda:

onda difractada: Una onda cuyo frente ha sido cambiado de dirección, por un obstáculo u otra in homogeneidad en el medio, de forma distinta a la producida por la reflexión o la refracción. onda libre progresiva:

Una onda que se propaga en un medio libre de los efectos de sus

límites. ondas esféricas:

Ondas cuyos frentes son CÍrculos concéntricos.

ondas estables:

Ondas en que el flujo neto de energía es cero en todos los puntos.

ondas estacionarias: Ondas periódicas con una distribución fija de amplitud en el espacio, que resultan de la interferencia de ondas progresivas de la misma frecuencia y tipo.

Ondas que tienen frentes planos; la dirección del desplazamiento de las partículas en cada punto del medio es normal al frente de onda.

ondas planas:

oscilación del sonido: Cualquier desviación de la frecuencia en el sonido reproducido que resulta de un movimiento no uniforme del medio de grabación durante el registro, duplicación o reproducción.

Una cubierta porosa para un micrófono, diseñada para reducir la señal eléctrica producida por el micrófono, como resultado del ruido generado por el paso del viento sobre el micrófono. pantalla antiviento:

Una unidad de presión. Símbolo de la unidad: Pa [1 pascal cuadrado (1 N/m 2)].

pascal:

=

1 newton por metro

De un transductor eléctrico a una frecuencia determinada en un plano especificado, la descripción del nivel de sensibilidad en función de la dirección de propagación del sonido irradiado o incidente. Esta descripción suele darse gráficamente en coordenadas polares. (Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende que el eje de referencia es el eje principal.) patrón direccional:

pérdida por inserción: De un atenuador del sonido, barrera del sonido u otro elemento diseñado para aportar reducción del sonido en una banda de frecuencia especificada, el descenso en el nivel de potencia sonora medido en el lugar del receptor cuando este elemento es insertado en la vía de transmisión entre la fuente de sonido y el receptor. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. pérdida por transmisión: De una partición, para una banda de frecuencia especificada, la diferencia entre los niveles medios de presión sonora de la habitación reverberante fuente y la habitación receptora (expresada en decibelios), más diez veces el logaritmo de base 10 de

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

2.17

la relación entre el área de la partición común y la absorción total sabino en la habitación receptora. Abreviatura: TL. pérdida por transmisión del sonido:

Véase pérdida por transmisión.

periodo: De una cantidad periódica, el menor incremento de la variable independiente para una función que se repite a sí misma.

Una unidad de potencia igual a la millonésima de un millonésimo de vatio (v.g., 10-12 W). Símbolo de la unidad: pW.

picovatio:

pistófono: Un aparato, utilizado en la calibración de micrófonos, que produce una presión sonora conocida dentro de una cavidad cerrada mediante el movimiento de pistones; el micrófono que se calibra es insertado en la cavidad. ponderación: Una respuesta de frecuencia normalizada que aporta un sonómetro. Véase Figura 5.7 y Tabla 1.2. porcentaje de dosis diaria de ruido: potencia:

Véase dosis de ruido.

Véase potencia sonora.

potencia de habla punta: El valor máximo de la potencia instantánea del habla dentro del intervalo de tiempo considerado. potencia instantánea del habla: La tasa a que se irradia la energía sonora por una fuente de habla en un momento determinado.

Para un intervalo de tiempo establecido, la media aritmética de la potencia sonora instantánea durante ese intervalo.

potencia media del habla:

potencia sonora (de una fuente): En una banda de frecuencia determinada, la tasa por unidad de tiempo en que la energía sonora es irradiada. Unidad: vatio. Letra del símbolo: W. potencia sonora de referencia: La potencia sonora de referencia seleccionada por convención; igual a 1 picovatio (1 pW; v.g., 10- 12 W).

En un punto de un medio, la presión que existiría en ausencia de ondas sonoras. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa [1 Pa = 1 newton por metro cuadrado = 10 dinas por centímetro cuadrado].

presión estática:

La raíz cuadrática media de la presión sonora instantánea durante un intervalo de tiempo especificado en una banda de frecuencia determinada, salvo que se indique otro proceso de promedio temporal. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora:

La raíz cuadrática media de la presión sonora instantánea que es ponderada para frecuencia con una característica normalizada de frecuencia (p. ej., A o C) y ponderada exponencialmente para tiempo de acuerdo con las características normalizadas lenta (slow, S), rápida (fast, F), impulso (1) o pico, con ponderaciones especificadas de acuerdo con la norma ANSI S1.4A. Hay que especificar tanto la ponderación de frecuencia como la de tiempo. Si no se presenta la ponderación de frecuencia, se sobreentiende la ponderación A. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora con ponderación de frecuencia:

presión sonora de referencia: La presión sonora de referencia seleccionada por convención; para aire, igual a 20 micropascales (f.LPa). presión sonora de tiempo medio (con ponderación de frecuencia): (1) La raíz cuadrada del cociente entre la integración temporal de las presiones sonoras instantáneas al cua-

2.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

drado con ponderación de frecuencia y el período del tiempo de integración en segundos, para un período de tiempo de integración establecido. (2) La raíz cuadrada del cociente entre la exposición sonora, en pascales-segundos, en un período de tiempo especificado, y el período de tiempo (establecido) de integración en segundos. Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora efectiva: En un punto, el valor de la raíz cuadrática media (rms) de las presiones sonoras instantáneas sobre un intervalo de tiempo seleccionado. En el caso de presiones sonoras perióaicas, el intervalo seleccionado ha de ser: (1) largo en comparación con el período o (2) un número integral de períodos. En el caso de presiones no periódicas, el intervalo debe ser lo suficientemente largo como para hacer que el valor obtenido sea esencialmente independiente de los pequeños cambios en la longitud del intervalo de tiempo. presión sonora instantánea: En un punto en un medio, la diferencia entre la presión existente en un instante especificado y la presión atmosférica. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora máxima: En un ciclo determinado de una oscilación periódica, el valor máximo absoluto de la presión sonora instantánea que se produce durante ese ciclo. Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora media día-noche: La raíz cuadrada del cociente de la exposición sonora día-noche dividida entre 86.400 segundos (v.g., el número de segundos en un día). Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa. presión sonora media día-tarde-noche: La raíz cuadrada del cociente de la exposición sonora día-tarde-noche dividida entre 86.400 segundos (v.g., el número de segundos en un día). Unidad: pascal. Símbolo de la unidad: Pa.

En un intervalo de tiempo especificado, el mayor valor absoluto de la presión sonora instantánea, en una banda de frecuencia establecida. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. presión sonora pico:

protector auditivo:

Véase aparato de protección auditiva.

protector de la audición:

Véase aparato de protección auditiva.

prueba de inteligibilidad del habla: Un procedimiento que mide la proporción de elementos de prueba (como silabas, palabras monosilábicas o frases) que se oyen correctamente.

RAYL:

Un RAYL es igual a 1 pascal por segundo por metro (Pa'seglm)

rayos sonoros: Líneas que emanan de una fuente de sonido, que se dibujan perpendiculares al frente de onda, indicando la dirección de propagación del sonido. receptor:

Una persona (o personas) o equipamiento que se ve afectado por el ruido.

recogida de vibración:

Véase transductor de vibración.

reducción del ruido: La diferencia en el nivel de presión sonora entre dos puntos cualesquiera a lo largo de una vía de propagación del sonido. refracción: (1) El fenómeno mediante el cual la dirección de propagación de una onda sonora cambia como resultado de una variación espacial de la velocidad del sonido. (2) El cambio angular en la dirección de una onda sonora al pasar oblicuamente de un medio a otro con distinta velocidad de onda.

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

relación de amortiguación:

2.19

Véase fracción de amortiguación crítica.

relación de amortiguación crítica:

Véase fracción de amortiguación critica.

resistencia de flujo: La proporción entre la diferencia de la presión del aire a través de una lámina de material poroso y el volumen del flujo de aire a través de la lámina. Unidad: pascal por segundo por metro. Símbolo de la unidad: Pa·seglm. resonancia: De un sistema en oscilación forzada, un fenómeno tal que cualquier cambio, por pequeño que sea, en la frecuencia de excitación da como resultado un descenso en la respuesta del sistema. respuesta rápida (fast) [(promedio temporal con ponderación exponencial rápida Ifas"]: Véase «Promedios de tiempo», Capítulo 5. respuesta lenta (s/owl [promedio temporal con ponderación exponencial lenta (slowl]: Véase «Promedios de tiempo», Capítulo 5. reverberación: La persistencia del sonido en un espacio total o parcialmente cerrado, después de que la fuente de sonido ha cesado; la persistencia es el resultado del reflejo repetido y/o la dispersión. ruido: (1) Sonido u otra alteración desagradable o no deseada; sonido no deseado. Por extensión, cualquier alteración no deseada dentro de una banda de frecuencia útil, como ondas eléctricas inadecuadas en un canal o aparato de transmisión. (2) Sonido con naturaleza general aleatoria, cuyo espectro no exhibe componentes de frecuencia claramente definidos. ruido aleatorio: (1) El ruido cuya magnitud no puede predecirse con precisión en un momento determinado. (2) Oscilaciones debidas a la agregación de un gran número de alteraciones elementales con ocurrencia al azar en el tiempo. (Un ruido aleatorio cuyas magnitudes instantáneas se producen de acuerdo con una distribución gaussiana se denomina ruido

gaussiano aleatorio.) ruido ambiental: El ruido envolvente asociado con un ambiente determinado en un momento específico, compuesto habitualmente del sonido de muchas fuentes en muchas direcciones, próximas y lejanas; ningún sonido en particular es dominante. ruido blanco: Un sonido cuya densidad de potencia espectral es esencialmente independiente de la frecuencia. (El ruido blanco no tiene por qué ser ruido aleatorio.) ruido de fondo: El ruido total de todas las fuentes distintas al sonido de interés (p. ej., otro que el sonido que se está midiendo u otra que el habla o la música que se está escuchando). ruido de impacto:

El ruido que se produce cuando colisionan dos masas.

ruido rosa: El ruido que tiene un espectro continuo de frecuencia y una potencia constante dentro de una anchura de banda proporcional a la frecuencia central de la banda. (Por ejemplo, la potencia por banda octava tiene una anchura de banda constante.) sabino: una unidad de medida de la absorción del sonido; una medida de la absorción del sonido de una superficie. Es equivalente a un ft2 de una superficie perfectamente absorbente; un sabino métrico es el equivalente a 1 m2 de una superficie perfectamente absorbente. sabino métrico:

Véase sabino.

Una excitación no periódica de un sistema mecánico que está caracterizada por ser repentina y severa y habitualmente produce un desplazamiento relativo significativo en el sistema. sacudida (de un sistema mecánico):

2.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

sacudida acústica: Una lesión en el oído producida por un ruido repentino e intenso, como el producido por una explosión o un estallido cerca de la cabeza, que produce cierto grado de pérdida auditiva permanente o transitoria. sacudida mecánica: Una excitación no periódica (p. ej., un movimiento de la base o una fuerza aplicada) de un sistema mecánico que se caracteriza por ser repentina y severa y habitualmente produce un desplazamiento relativo significativo en el sistema. sensibilidad axial: De un micrófono para una frecuencia especificada, la sensibilidad de campo libre a las ondas sonoras de plano progresivo cuya dirección de propagación es hacia el micrófono y a lo largo del eje principal. sensibilidad de presión: De un transductor electroacústico a una frecuencia especificada, la proporción entre el voltaje del circuito abierto y la presión sonora real existente sobre la región del transductor diseñada para recibir el sonido. sistema de grado de libertad único: Un sistema mecánico en que sólo es precisa una coordenada para definir completamente su configuración en cualquier instante. sonido: (1) Una alteración física en un medio (p. ej., aire) que puede ser detectada por el oído humano. (2) Sensación auditiva excitada por una alteración física en un medio. sonido ambiental: El sonido envolvente asociado con un ambiente determinado en un momento específico, compuesto habitualmente del sonido de muchas fuentes en muchas direcciones, próximas y lejanas, incluida(s) la(s) fuente(s) de interés específico. sonido audible: (1) Oscilaciones acústicas de tal carácter que pueden excitar la sensación de audición. (2) Sensación de audición excitada por las ondas sonoras. sonido directo: El sonido que llega a una localización determinada en línea directa desde la fuente, sin ninguna reflexión. sonido reflejado: El sonido que persiste en un espacio cerrado como resultado de reflexiones repetidas o dispersión; no incluye el sonido que se transmite directamente de la fuente sin reflexiones. sonido residual: El sonido envolvente, en un momento especificado, habitualmente compuesto de los sonidos de muchas fuentes en muchas direcciones, próximas y lejanas, que permanece en una posición determinada y una situación concreta, cuando se eliminan, se hacen insignificantes o no se incluyen todas las fuentes discretas de sonido identificables.

Sonido que llega al punto de interés mediante la propagación a través de una estructura sólida.

sonido transmitido por la estructura: sonido transmitido por sólidos:

Véase sonido transmitido por la estructura.

Unidad de sonoridad. Un sonio es la sonoridad de un tono puro, presentado frontalmente, como ondas planas progresivas de 1000 Hz Yun nivel de presión sonora de 40 dB, re 20 micropascales (¡.t.Pa). sonio:

sonómetro: Un instrumento que es utilizado para la medición del nivel sonoro, con ponderación de frecuencia y ponderación exponencial de tiempo promedio estandarizadas. Abreviatura: SLM.

El atributo de la sensación auditiva en términos mediante los que los sonidos pueden ordenarse sobre una escala que se extiende de bajo a alto. Unidad: sonio.

sonoridad:

DEFINICIONES. ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

tapón auditivo:

2.21

Un aparato de protección auditiva que se lleva dentro del canal auditivo

externo. A una frecuencia determinada, la tasa de tiempo a la que el nivel de presión sonora desciende en una habitación. Unidad: decibelio por segundo. Símbolo de la unidad: dB/seg.

tasa de descenso:

El intervalo de tiempo requerido para que el borde conductor de un pulso se eleve desde una fracción pequeña especificada hasta una fracción mayor determinada del valor máximo.

tiempo de ascenso del pulso:

De un espacio cerrado, para un sonido de una frecuencia o banda de frecuencia determinada, el tiempo que se requiere para que el nivel de presión sonora dentro de él decrezca 60 dB, después de haber cesado la fuente. Véase Ecuación (4.5). Unidad: segundo. Símbolo de la unidad: seg. Símbolo: T 60 •

tiempo de reverberación:

(1) Una oscilación (física) del sonido capaz de elicitar una sensación auditiva que tenga un tono. (2) Una sensación auditiva que resulta de una oscilación del sonido.

tono:

El atributo de la sensación auditiva en términos del cual pueden ordenarse los sonidos sobre una escala que va de bajo a alto. (El tono de un sonido complejo depende fundamentalmente del contenido de frecuencia del sonido, así como de la presión sonora y de la forma de onda.)

tono:

tono complejo:

Ondas sonoras que contienen componentes sinusoidales de distintas fre-

cuencias. tono puro:

Una onda sonora que es una función sinusoidal simple del tiempo (véase Fi-

gura 1.3). (1) Un aparato diseñado para recibir una señal de entrada de determinado tipo y aportar una señal de salida de distinto tipo, de tal manera que la característica deseada de la señal de entrada aparece en la señal de salida. (2) Véase transductor de vibración. transductor:

Un aparato que convierte la sacudida o movimiento vibratorio en una señal eléctrica (óptica o mecánica) que es proporcional a un parámetro del movimiento experimentado.

transductor de vibración:

Un transductor diseñado para recibir señales eléctricas de entrada y aportar señales acústicas de salida, o viceversa.

transductor electroacústico:

La transmisión del sonido desde una habitación fuente (v.g., una habitación en que se localiza una fuente sonora) hacia una habitación receptora adyacente mediante vías distintas a la partición común.

transmisión lateral del sonido:

ultrasónico:

Relativo a ultrasonido.

ultrasonido: Oscilaciones acústicas con una frecuencia por encima del límite superior de frecuencia del sonido audible por el oído humano, aproximadamente 20.000 Hz. umbral de audición (umbral de audibilidadl: Para un oyente determinado, la presión sonora mínima de un sonido especificado que es capaz de evocar una sensación auditiva. Se asume que el sonido que llega al oído desde otras fuentes es insignificante. (Hay que especificar las condiciones generales de medición, por ejemplo, oír con un oído, dos oídos, en campo libre o con auriculares.) umbral de audición normalizado:

El valor modal de los umbrales de audición para un

2.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

gran número de oyentes, con edades entre 18 y 30 años, que poseen oídos otológicamente normales. umbral de dolor: Para un oyente determinado, el nivel mínimo de presión sonora de un sonido especificado que producirá una sensación definitiva de dolor en el oído. umbral de inteligibilidad del habla: El nivel de presión sonora del habla en una banda de frecuencia establecida a la que pueden reconocerse con claridad el 50 por 100 de las palabras relativamente fáciles. Unidad: decibelio. Símbolo de la unidad: dB. umbral del dolor normal: Valor modal del umbral para el dolor de un gran número de oyentes otológicamente normales, con edades entre 18 y 30 años. unidad de exposición sonora:

1 pascal al cuadrado por segundo (Pa 2 ·seg).

unidad de exposición sonora día-noche: pascal al cuadrado por segundo (1 pa 2 ·s).

Una exposición sonora total día-noche de 1

unidad de exposición sonora día-tarde-noche: Una exposición sonora de día-tarde-noche de 1 pascal al cuadrado por segundo (1 Pa 2 ·s). valor de pico a pico: De una cantidad oscilatoria, la diferencia algebraica entre los valores extremos de la cantidad. velocidad de partícula: En un campo sonoro durante un intervalo de tiempo especificado, la raíz cuadrática media de las velocidades instantáneas de las partículas, salvo que se establezca de otra manera. Unidad: metro por segundo. Símbolo de la unidad: mlseg. vibración: Una oscilación en que la cantidad es un parámetro que define el movimiento del sistema mecánico. vibración ambiental: La vibración envolvente asociada con un ambiente determinado, compuesta habitualmente de la vibración de muchas fuentes próximas y lejanas.

SIMBOLOS y ABREVIATURAS Además de las abreviaturas que se presentan a continuación, otras diversas para varias organizaciones normativas se presentan en el Capítulo 15. A AAO-HNS AAOO Al AICUZ

AL AMA AMC

Símbolo: Absorción total del sonido en una habitación Abreviatura: (comité de) American Academy of Otolaryngology/ Head and Neck Surgery Abreviatura: American Academy of Ophthalmology and Otolaryngology Abreviatura: Indice de articulación Abreviatura: Instalación de aire compatible con zona de uso (normas) Abreviatura: Nivel sonoro con ponderación A Abreviatura: American Medical Association Abreviatura: Air Movement and Control Association

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

ANSI APWL ASA ASEL ASRRAE ASME ASTM ATS c CAB CEO CFR CRABA CL CNEL CNR cps CSEL

D dB dB(A) dB(C) DIL DL DNAL DNCL DNL DNSE

DOD DTL

2.23

Abreviatura: American National Standards Institute Abreviatura: Nivel de potencia sonora con ponderación A Abreviatura: Acoustical Society of America Abreviatura: Nivel de exposición sonora con ponderación A Abreviatura: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Abreviatura: American Society of Mechanical Engineers Abreviatura: American Society for Testing and Materials Abreviatura: Desplazamiento de umbral asintótico Símbolo: Velocidad del sonido Abreviatura: Civil Aeronautics Board Abreviatura: Council of Environmental Ouality Abreviatura: Código de normas federales Abreviatura: Cornmittee on Hearing and Bio-Acustics Abreviatura: Nivel sonoro con ponderación C Abreviatura: Nivel sonoro equivalente de ruido comunitario Abreviatura: Indice de ruido compuesto Símbolo de la unidad: Ciclos por segundo Abreviatura: Nivel de exposición sonora con ponderación C Abreviatura: Dosis de ruido Símbolo de la unidad: Decibelio Símbolo de la unidad: decibelio [la (A) indica el uso de la ponderación Al Símbolo de la unidad: decibelio [la (C) indica el uso de la ponderación C] Abreviatura: Pérdida por inserción dinámica Abreviatura: Nivel sonoro medio diurno Abreviatura: Nivel sonoro corregido día-noche con ponderación A Abreviatura: Nivel sonoro corregido día-noche con ponderación C Abreviatura: Nivel sonoro corregido día-noche Abreviatura: Exposición sonora día-noche Abreviatura: Departamento de Defensa Abreviatura: Nivel sonoro medio diurno Símbolo: Base neperiana = 2.718*** Símbolo: Exposición sonora con ponderación A Símbolo: Exposición sonora día-tarde-noche con ponderación de frecuencia A

2.24

Es.I.A. EPA EPNL f FAA FAAct FAL FAR FC Fed.Reg. FHWA FR FSTC FTL g GATT h HL 1HL 8HL HTL HUD HVAC Hz 1

IAL lEC IIC INCE INR

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Símbolo: Exposición sonora día-noche con ponderación de frecuencia A Símbolo: Exposición sonora con ponderación de frecuencia A y período de tiempo de medición Símbolo: Exposición sonora con ponderación C Exposición sonora de referencia [400 micropascales al cuadrado por segundo (400 J..I.pa 2 ·s)] Abreviatura: Estudio de impacto ambiental Abreviatura: Administración de Protección Ambiental Abreviatura: Nivel de ruido percibido efectivo Símbolo: Frecuencia Abreviatura: Federal Aviation Administration Abreviatura: Federal Aviation Act de 1958 Abreviatura: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A Abreviatura: Federal Aviation Regulations Abreviatura: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación C Abreviatura: Federal Register Abreviatura: Federal Hidghway Administration Abreviatura: Federal Register Abreviatura: Clase de transmisión sonora de campo Abreviatura: Pérdida por transmisión de campo Símbolo: Aceleración de la gravedad Abreviatura: Tratado General sobre Tarifas y Comercio Símbolo de la unidad: Hora Abreviatura: Nivel auditivo Abreviatura: Nivel sonoro horario Abreviatura: Nivel sonoro de 8 horas Abreviatura: Nivel de umbral auditivo Abreviatura: Department of Housing and Urban Development Abreviatura: Calefacción, ventilación y aire acondicionado Símbolo de la unidad: Herzio Símbolo: (-1 )112 Símbolo: Intensidad del sonido Abreviatura: Nivel sonoro de impulso con ponderación A Abreviatura: International Electrotechnical Commission Abreviatura: Clase de aislamiento de impacto Abreviatura: Institute of Noise Control Engineering Abreviatura: Indice del ruido de impacto

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

L Amax

Ldn

L dny

L d12 L8h

Leq

2.25

Abreviatura: International Organization for Standardization Símbolo de la unidad: Kilogramo Símbolo: Nivel de aceleración de la vibración Símbolo: Nivel sonoro con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro corregido día-noche con ponderación de frecuencia A Símbolo: Nivel de exposición sonora con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro continuo equivalente durante un tiempo promedio especificado T Símbolo: Nivel de exposición sonora con ponderación de frecuencia A y período de medición T Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A superado por el x por ciento del período total de medición Símbolo: Nivel sonoro de impulso con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro continuo equivalente de impulso con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro máximo con ponderación A durante un suceso Símbolo: Nivel sonoro pico con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro lento (slow) con ponderación A Símbolo: Nivel sonoro promediado en el tiempo con ponderación de frecuencia A para un período de medición T Símbolo: Véase L AFX Símbolo: Nivel sonoro con ponderación A para una constante exponencial de tiempo de T segundos en el momento t Símbolo: Nivel de exposición sonora con ponderación e Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación e Símbolo: Nivel sonoro lento (slow) con ponderación e Símbolo: Nivel sonoro diurno medio Símbolo: Nivel sonoro medio día-tarde-noche con ponderación de frecuencia o nivel de ruido equivalente en la comunidad Símbolo: Nivel sonoro corregido día-noche Símbolo: Nivel sonoro corregido día-noche anual Símbolo: Nivel sonoro diurno medio Símbolo: Nivel sonoro de 8 horas Símbolo: Nivel sonoro continuo equivalente; nivel sonoro promediado en el tiempo

2.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

L ET Lev

Símbolo: Nivel de exposición sonora Símbolo: Nivel sonoro vespertino medio Símbolo: Nivel de intensidad del sonido Símbolo: Nivel sonoro medio nocturno Símbolo: Nivel de sonoridad Símbolo: Nivel de contaminación de ruido Símbolo: Nivel de emisión de potencia de ruido Símbolo: Nivel sonoro horario Símbolo: Nivel de presión sonora Símbolo: Nivel de ruido percibido Símbolo: Nivel de ruido percibido efectivo Símbolo: Nivel máximo de ruido percibido Símbolo: Nivel de ruido percibido de tono corregido Símbolo: Nivel de espectro de presión sonora Símbolo: Nivel sonoro (de presión) de tiempo medio Símbolo: Nivel de potencia sonora Símbolo: Nivel de potencia sonora con ponderación A Símbolo: Nivel de presión sonora de banda de octava Símbolo: Nivel de presión sonora de banda de tercio de octava Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A superado el 10 por 100 del tiempo Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A superado el 50 por 100 del tiempo Símbolo: Nivel sonoro rápido (fast) con ponderación A superado el 90 por 100 del tiempo Abreviatura: Nivel de sonoridad Abreviatura: Nivel de reducción Símbolo de la unidad: Metro Abreviatura: Campo audible mínimo Abreviatura: Presión audible mínima Abreviatura: Nivel sonoro máximo con ponderación A Símbolo de la unidad: Newton Abreviatura: Sonoridad calculada Abreviatura: Nivel del ruido criterio Abreviatura: Previsión de exposición al ruido Abreviatura: Nivel de exposición al ruido Abreviatura: National Electrical Manufacturers Association Abreviatura: National Environmental Policy Act

L¡

Ln

LN L NP L NWE L¡h

Lp

L pN L pNE L pNmax

L pNT Lps LpT

Lw L WA LIII

Ll/3 LIO

L90

LL LR m

MAF MAP MXLA N N NC NEF NEL NEMA NEPA

DEFINICIONES, ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

NIC NIHL NI!

NIOSH NIPTS NL NPEL NPL NPRM NR NR NRC NRR OBA OBSPL OSHA OSPL p

Pa PDNSE PKAL PKT PNdB PNL PNR PSL PTS PWL

QL r RC rms s SAE SAL SCL

2.27

Abreviatura: Clase de aislamiento de ruido Abreviatura: Pérdida auditiva inducida por el ruido Abreviatura: Indice de impacto del ruido Abreviatura: National Institute for Occupational Safety and Health Abreviatura: Desplazamiento permanente de umbral inducido por el ruido Abreviatura: Nivel sonoro medio nocturno Abreviatura: Nivel de emisión de potencia de ruido Abreviatura: Nivel de contaminación de ruido Abreviatura: Aviso de propuesta de regla Abreviatura: Indice del ruido Abreviatura: Reducción del ruido Abreviatura: Coeficiente de reducción del ruido Abreviatura: Indice de reducción del ruido Abreviatura: Analizador de banda de octava Abreviatura: Nivel de presión sonora de banda de octava Abreviatura: Occupational Safety and Health Administration Abreviatura: Nivel de presión sonora global Símbolo: Presión sonora Símbolo de la unidad: Pascal Abreviatura: Nivel de exposición sonora día-noche ponderado para la población Abreviatura: Nivel sonoro pico con ponderación A Abreviatura: Nivel pico de presión sonora plana Símbolo de la unidad: Nivel sonoro percibido Abreviatura: Nivel sonoro percibido Abreviatura: Valoración del ruido del producto Abreviatura: Nivel de presión sonora del espectro Abreviatura: Desplazamiento permanente de umbral Abreviatura: Nivel de potencia sonora Abreviatura: Nivel sonoro continuo equivalente Símbolo: Radio; distancia de la fuente Abreviatura: Nivel RC Abreviatura: Raíz cuadrática media Símbolo de la unidad: Segundo Abreviatura: Society of Automotive Engineers Abreviatura: Nivel sonoro lento (slow) con ponderación A Abreviatura: Nivel sonoro lento (slow) con ponderación C

2.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

SEL SENEL SI SIL SLM SPL STC STI

Abreviatura: Nivel de exposición sonora Abreviatura: Nivel de exposición de un suceso único de ruido Abreviatura: Inteligibilidad del habla Abreviatura: Nivel de interferencia del habla Abreviatura: Sonómetro Abreviatura: Nivel de presión sonora Abreviatura: Clase de transmisión del sonido Abreviatura: Indice de transmisión del sonido Símbolo: Tiempo Símbolo: Tiempo de reverberación Abreviatura: Nivel sonoro medio durante el tiempo T Abreviatura: Pérdida por transmisión Abreviatura: Indice del ruido del tráfico Abreviatura: Nivel de presión sonora de banda de tercio de octava Abreviatura: Nivel de ruido percibido de tono corregido Abreviatura: Nivel de exposición sonora plano Abreviatura: Desplazamiento transitorio de umbral Abreviatura: ITS determinado 2 minutos después de cesar la exposición al ruido Abreviatura: Nivel sonoro medio con ponderación temporal para 8 horas Abreviatura: Población total ponderada Símbolo: Potencia sonora Abreviatura: Nivel anual de ruido equivalente en la comunidad Abreviatura: Nivel sonoro corregido día-noche anual Símbolo: Coeficiente de absorción del sonido Símbolo: Decremento logarítmico Símbolo: Longitud de onda Símbolo: Densidad del aire Símbolo de la unidad: micropascal

t

T60 TAL TL TNI TOBSPL TPNL TSEL ITS ITS 2 TWA TWP W YCNEL YDNL

a A p

¡..LPa

Capítulo

3

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE J. E. Piercy G. A. Daigle

INTRODUCCION La propagación del sonido en exteriores a través de la atmósfera suele originar una disminución de nivel al aumentar la distancia entre fuente y receptor. Esta atenuación es el resultado de varios mecanismos, principalmente la divergencia geométrica desde la fuente de sonido, la absorción de la energía acústica por el aire a través del que se propagan las ondas sonoras y el efecto de propagación cerca de las distintas superficies del suelo. En este capítulo se describen y evalúan estos mecanismos y también la atenuación debida a la vegetación y la reflexión en los edificios. Las condiciones atmosféricas, viento y temperatura principalmente, tienen efectos importantes sobre la propagación del sonido a distancias por encima de 100 m (300 ft). Estos efectos también se describen y especifican. En la práctica, el problema suele ser calcular el nivel sonoro debido a una fuente de ruido a una distancia r (que a menudo es grande) a partir de medidas disponibles cercanas a la fuente. Con este propósito, se combinan las evaluaciones de los mecanismos de atenuación y de los efectos atmosféricos. También se considera la eficacia acústica de las barreras contra el sonido y se presentan los métodos para calcular la pérdida por inserción de distintos tipos de barreras. Lo expuesto a lo largo del capítulo corresponde a la propagación desde una fuente puntual de sonido, a menos que se especifique lo contrario; se incluyen directrices para representar fuentes reales de esta manera. También se considera la propagación a partir de una línea incoherente que es adecuada para predecir el ruido del tráfico (rodado y ferroviario). Se comentan un número de situaciones topográficas, habitualmente explicitadas en el título: propagación cerca del suelo en áreas abiertas, propagación del ruido del tráfico, propagación lejos del suelo, etc. Con el fin de evitar tener que analizar materias complejas para encontrar una respuesta sencilla a un problema específico, se 3.1

3.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

debe seleccionar entre los títulos la situación más relevante para el problema. Por ejemplo, para la propagación lejos de los obstáculos y del suelo sólo es necesario considerar, para distancias cortas, la atenuación por divergencia, y para distancias mayores, además la de la absorción del aire.

CALCULO DE LA ATENUACION La atenuación total, Atotah viene dada por Atotal = A div

+ Aaire + Asuelo + A

dB

mise

(3.1)

Los primeros tres términos en la Ecuación (3.1) dan la atenuación producida por los tres mecanismos principales: divergencia geométrica (A div ), absorción del aire (A aire ) Y el efecto suelo (Asuelo)' Estos tres términos deben considerarse en primer lugar en todas las situaciones porque son casi universales. El último término, A rnise , cubre la atenuación por mecanismos adicionales que sólo surgen en casos específicos: reflexión en edificios (A refl ), propagación a través de la vegetación (Aveget) Y propagación a través de áreas de casas (A casa )' A continuación se presentarán distintas secciones dedicadas a la evaluación de cada uno de los términos en la Ecuación (3.1). Hay que contemplar cada término de forma independiente, salvo que haya instrucciones específicas de hacer lo contrario; hay que evaluarlos por separado, como si los demás estuvieran ausentes y luego sumar los resultados para obtener Atotah como muestra la Ecuación (3.1). La atenuación que resulta de la difracción alrededor de una barrera se ha omitido de la Ecuación (3.1) porque habitualmente interactúa con Asuelo' La evaluación del funcionamiento de la barrera se trata más adelante (véase «Pérdidas por inserción de barreras»). En general, es necesario calcular la atenuación de todas las bandas de octava de ruido por separado porque, a menos que se especifique de otra manera, la atenuación de cada término en la Ecuación (3.1) depende de la frecuencia. Los términos individuales de atenuación de la Ecuación (3.1) evaluados en un punto determinado pueden ser positivos, representando un descenso de nivel, o negativos, implicando un aumento.

Atenuación por divergencia geométrica (A,¡¡v)

La divergencia geométrica es la expansión esférica de la energía acústica en campo libre a partir de una fuente puntual, como se describe en el Capítulo 1 (véase Figura 1.2). Se desprende de la Ecuación (1.10) que la atenuación debida a la divergencia, A div , viene dada por A div

= 20 10gIo r + 10,9 - e

dB

(3.2a)

donde r es la distancia desde la fuente puntual en metros y e es un término de co-

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.3

rrección pequeño que puede obtenerse a partir de la Figura 1.11. Si r está en pies, la ecuación correspondiente es A div

= 20 10glO r + 0,6 - e

dB

(3.2b)

Nótese que estas expresiones no dependen de la frecuencia. El término 20 10glO de la Ecuación (3.2) significa que un nivel sonoro decrece 6 dB cada vez que se dobla la distancia desde la fuente o, de forma equivalente, 20 dB cada vez que la distancia se multiplica por 10. Atenuación resultante de la absorción del aire (A.lr.)

A medida que el sonido se propaga a través de la atmósfera, su energía se convierte gradualmente en calor (el sonido es absorbido) mediante varios procesos moleculares denominados absorción del aire. La atenuación del sonido debida a la absorción del aire durante la propagación, A aire , a través de una distancia de d metros, viene dada por A aire = ad/1oo

dB

(3.3)

donde a es el coeficiente de atenuación del aire en decibelios por kilómetro. El coeficiente de atenuación depende en gran medida de la frecuencia y la humedad relativa y, en menor medida, de la temperatura, como muestran los valores! de la Tabla 3.1. También depende ligeramente de la presión ambiental, lo suficiente como para notarse con cambios de altitud grandes (miles de metros), pero no con cambios climatológicos. Por ejemplo, a una temperatura de 30 oC y una humedad relativa del 50 por 100, la atenuación es 3,6 dB/km a una frecuencia de 500 Hz. Por tanto, a una distancia de 100 m es despreciable (0,36 dB); sin embargo, a una distancia de 10.000 m es 36 dB. Estos resultados ilustran que la absorción del sonido en el aire puede ser insignificante para distancias cortas desde la fuente (distancias inferiores a varios cientos de metros), salvo para frecuencias muy altas (por encima de 5000 Hz). A distancias grandes, donde la atenuación por absorción del aire es significativa para todas las frecuencias, el nivel sonoro ha de calcularse en función de las frecuencias a la temperatura y humedad relativa especificadas. El coeficiente de atenuación del aire para valores de temperatura y humedad relativa (o frecuencia) intermedios respecto de los que muestra la Tabla 3.1 puede obtenerse mediante interpolación. (Véase el ejemplo en «Propagación muy alejada del suelo».) Atenuación debida al suelo

(A.....o)

Por encima de un suelo plano reflectante (véase Figura 3.1), el sonido llega a un receptor R desde una fuente S a través de dos vías: directamente a través de una trayectoria rd y mediante la reflexión desde el suelo, a través de la trayectoria rr. La atenuación Asueto es el resultado de la interferencia entre el sonido directo y el re-

3.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 3.1. Coeficiente de atenuación del aire, dB/km, para una presión ambiental de 101,3 kPa (una atmósfera normal a nivel de mar) para la propagación del sonido al aire libre

Frecuencia, Hz Temperatura

Humedad relativa, %

U5

250

500

1000

30°C (86°F)

10 20 30 50 70 90

0,96 0,73 0,54 0,35 0,26 0,20

1,8 1,9 1,7 1,3 0,96 0,78

3,4 3,4 3,7 3,6 3,1 2,7

8,7 6,0 6,2 7,0 7,4 7,3

20°C (68 °F)

10 20 30 50 70 90

0,78 0,71 0,62 0,45 0,34 0,27

1,6 1,4 1,4 1,3 1,1 0,97

4,3 2,6 2,5 2,7 2,8 2,7

14 6,5 5,0 4,7 5,0 5,3

45 22 14 9,9 9,0 9,1

109 74 49 29 23 20

10°C (50°F)

10 20 30 50 70 90

0,79 0,58 0,55 0,49 0,41 0,35

2,3 1,2 1,1 1,1 1,0 1,0

7,5 3,3 2,3 1,9 1,9 2,0

22 11 6,8 4,3 3,7 3,5

42 36 24 13 9,7 8,1

57 92 77 47 33 26

O°C (32°F)

10 20 30 50 70 90

1,3 0,61 0,47 0,41 0,39 0,38

4,0 1,9 1,2 0,82 0,76 0,76

9,3 6,2 3,7 2,1 1,6 1,5

14 18 13 6,8 4,6 3,7

17 35 36 24 16 12

19 47

2000 29 15 12 12 13 14

4000

96 47 33 25 23 24

69 71 56 43

Fuente: De acuerdo con la Referencia 1.

flejado por el suelo y depende en gran medida del tipo de superficie de este último, el ángulo de rozamiento ljI, la diferencia de longitud de los recorridos (rr - rd) Y la frecuencia del sonido.

Clasificación de las superficies del suelo. Las superficies del suelo pueden clasificarse, para el caso de ángulos de rozamiento inferiores a 20°, de acuerdo con sus propiedades acústicas (lo cual cubre la mayoría de los problemas de propagación de sonido en exteriores) de la siguiente manera: 1. Suelo duro: Pavimento de asfalto u hormigón, agua y todas las demás super-

ficies que tengan poca porosidad. Por ejemplo, el suelo apisonado que a menudo rodea los centros industriales puede considerarse como suelo duro. 2. Suelo blando: El suelo cubierto por hierba, árboles u otra vegetación y todos

3.5

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

_-"/'O

R h,

~r----7~~------~----P

h. I

Vías de propagación entre la fuente Sy el receptor R. El rayo directo es el rayo reflejado por el plano PIque efectivamente surge de la imagen de la fuente 1) es f,.

FIGURA 3.1. fdY

los suelos porosos adecuados para el crecimiento de vegetación, tales como las tierras cultivables. 3. Suelo muy blando: Las superficies muy porosas, como el suelo cubierto de nieve, agujas de pino o material suelto semejante. 4. Suelo mixto: Una superficie que incluye áreas duras y blandas.

Cálculo de la atenuación del suelo para un caso especial. diciones específicas:

En las siguientes con-

• la propagación se produce sobre un suelo que es totalmente, o casi totalmente, acústicamente blando; • el espectro de ruido es particularmente amplio y gradual, como suele ocurrir con fuentes importantes de ruido compuestas de muchas fuentes contribuyentes distintas, por ejemplo, plantas industriales o arterias de tráfico rodado; • el espectro de ruido no contiene componentes destacados de frecuencias discretas; • sólo es de interés el nivel sonoro con ponderación A en la posición del receptor, el cálculo de la atenuación del suelo es mucho más simple que la del caso general. En las condiciones anteriores, la atenuación del suelo es independiente de la frecuencia y viene dada por Asuelo =

4,8 - (2h m /r)(17

+ 300/r)

dB

(3.4)

donde r es la distancia entre la fuente y el receptor en metros y hm es la altura media del camino de propagación por encima del suelo en metros [para suelo plano, h m = (h s + h,)/2]. Los valores negativos de Asuelo, obtenidos a partir de la Ecuación (3.4), no son significativos y deben ser reemplazados por ceros. Para un ejemplo de este cálculo véase «Pérdidas por inserción de barreras».

Cálculo de la atenuación del suelo para distancias cortas [r < 100 m (300 Jt)J. Para la propagación a corta distancia, donde los rayos acústicos pueden aproximarse a líneas rectas como las de la Figura 3.1, los valores de la atenuación del suelo se presentan en la Tabla 3.2 para distintos valores de bandas de octava, para las categorías de la superficie del suelo duro, blando y muy blando, y un rango de los valores prácticos de la configuración geométrica. La atenuación en posicio-

3.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 3.2. Valores para la atenuación del suelo, .4.U810' en decibelios para propagación a corta distancia [r< 100 m (300 ft)]

Suelo duro (asfalto, hormigón), h, = 1,8 m

-6,0

-3

l

-2

~

\

-1

1

1

·1

\

1

,

,1

1

2

'"""""' 1" 3

1

1

1

1

r¡. ~.J.

4

5

10

r/rd Altura de la fuente, m

Frecuencia, Hz Distancia, m

U5

250

500

1000

2000

4000

1,1

Suelo duro (asfalto, hormigón)

0,01

0,3

10 20 40 60 80 100

-5,7 -5 16 -5,5 -5,4 -5,4 -5,3

-5,0 -4,6 -3,9 -3,3 -2,7 -2,2

-3,6 -1,8 -1,4 4,2 6,8 9,2

-1,4 1,9 6,7 9,8 12,2 14,0

5,1 10,1 13,2 15,5 17,4

4,1 8,5 13,7 16,9 19,3 21,1

10 20 40

-5,4 -5,4 -5,4 -5,3 -5,2 -5,2

-4,3 -4,0 -3,4 -2,8 -2,2 -1,7

-0,9 -0,1 2,9 5,8 8,4 10,8

5,9 6,3 10,2 13,1 15,3 17,1

-2,5 -0,1 4,1 7,1 9,3 11,1

-1,9 -3,0 -2,9 -0,4 1,7 3,4

-4,0 -4,8 -4,9 -4,9 -4,8 -4,8

2,0 -1,9 -2,1 -1,6 -1,0 -0,5

0,1 7,5 6,9 9,1 11,6 13,8

-3,0 -2,7 0,5 2,9 4,8 6,4

-3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -2,8 -1,5

-3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0

60

80 100 1,2

10 20 40 60

80 100

nes intermedias a las que presenta la tabla puede obtenerse mediante interpolación o consultando la Referencia 3. La atenuación que aparece para la nieve es para una capa de más de 10 cm (4 pulgadas) de grosor. En caso de que la capa sea más fina, la atenuación en las tres bandas de octava más bajas puede ser algunos decibelios superior.

3.7

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

TABLA 3.2. Valores para la atenuación del suelo, A"uelo, en decibelios para propagación a corta distancia [r< 100 m (300 ft)) (Continuación)

Altura de la fuente, m

Frecuencia, Hz Distancia, m

125

250

500

1000

2000

4000

-3,1 -1,5 1,4 3,9 6,2 8,4

0,8 5,2 11,1 14,8 17,3 19,3

3,9 8,6 14,0 17,3 19,7 21,6

6,0 10,9 16,3 19,6 22,0 23,8

7,3 12,3 17,7 21,0 23,4 25,3

7,0 11,9 17,3 20,7 23,1 24,9

-2,3 -0,8 2,0 4,6 6,9 9,1

2,8 7,0 12,8 16,5 19,0 21,0

5,0 9,1 14,2 17,5 18,2 21,7

-0,8 2,9 7,9 11,2 13,5 15,4

-3,0 -2,9 1,4 4,5 6,8 8,6

-3,0 -3,0 -3,0 -1,3 0,8 2,6

0,1 0,9 3,6 6,3 8,7 10,9

4,5 7,0 11,6 14,8 17,1 18,9

-2,5 -0,7 3,3 6,3 8,5 10,3

-2,5 -3,0 -3,0 -0,6 -1,5 3,2

-2,5 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -2,6

-2,5 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0

Suelo blando (césped, vegetación), h, = 1,8 m (rr - rd)
0,01

(rr - rd)

>- todos A. 10 20 40 60

80 100 0,3

10 20 40 60

80 100 1,2

10 20 40 60

80 100

Para la propagación por encima del suelo mixto, la atenuación de cada banda de octava puede estimarse de la siguiente manera. Primero se calcula la atenuación para el caso de suelo duro entre la fuente y el receptor. Luego se calcula nuevamente la atenuación para el caso de suelo blando entre la fuente y el receptor. La atenuación Asuelo es entonces el valor intermedio de los dos resultados de acuerdo con la proporción de suelo blando y duro. Para un ejemplo de este cálculo, véase «Propagación cerca del suelo en áreas abiertas». Cálculo de la atenuación del suelo para largas distancias. Para la propagación a gran distancia, la atenuación se calcula asumiendo que las condiciones atmosféricas son favorables a la propagación, lo que significa que el rayo desde la fuente al receptor es refractado hacia abajo, como se describe y especifica en «Efectos del viento y la temperatura». La atenuación del suelo sigue siendo fundamentalmente el resultado de la interferencia entre el rayo directo y el reflejado por el suelo, del tipo mostrado en la Figura 3.1, pero el rayo curvado asegura que la atenuación está determinada fundamentalmente por las superficies del suelo cerca de la fuente y cerca del receptor. El siguiente métod02 para calcular Asuelo se ajusta a esta situación. A

J

3.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

distancias inferiores a 100 m (300 ft), los resultados obtenidos a partir de este método no se diferencian significativamente de los de la Tablá 3.2 y pueden, por tanto, utilizarse ambos métodos. Las pequeñas diferencias pueden atribuirse a las distintas condiciones atmosféricas. La superficie del suelo entre la fuente y el receptor se divide en tres zonas (como muestra la Figura 3.2) y a cada una de ellas se le asigna un factor de suelo: 1. La zona de la fuente abarca una distancia de 30 h" desde la fuente S hacia el receptor R, con un máximo de r (donde hs es la altura de la fuente y r es la distancia entre la fuente y el receptor). 2. La zona del receptor abarca una distancia de 30 h" desde el receptor hacia atrás, con un máximo de r (donde h, es la altura del receptor). 3. La zona media se sitúa entre las zonas de la fuente y del receptor. Si r < 30 (h s + h,), entonces las zonas de la fuente y el receptor se solapan y no existe zona media. El factor del suelo G de cada zona es: Suelo duro: G = O Suelo blando: G = 1 Suelo muto: G es igual a la proporción del suelo que es blando. (No hay valor disponible para el suelo muy blando.)

Para calcular la atenuación del suelo en cualquier banda de octava, se emplea la Tabla 3.3 de la siguiente manera: Paso l. Se calcula el componente de atenuación As para la zona de la fuente utilizando el factor de suelo G para esta zona como se ha descrito anteriormente. Paso 2. Se calcula el componente de atenuación A, para la zona del receptor empleando el factor de suelo G para esa zona. Paso 3. Si r > 30(h s + h,), se calcula el componente de atenuación Am para la zona media usando el factor de suelo G para esa zona. Paso 4. La atenuación total del suelo para cualquier banda de octava es la suma de los tres componentes de atenuación; o sea, Asuelo

= As + A, + Am

(3.5)

Para un ejemplo de este cálculo véase «Propagación cerca del suelo en áreas abiertas». r '" 30 hs hJj-'S --'1 f ~::f'~~"'~~'t

¡.-----_.'~,

r I

3Qh,

R

If

l--zo-n-a-d-e-11'------Z-o-n-a-m-e-d-¡a-----' : ~ona del recepto~ la fuente'

FIGURA 3.2. Tres zonas entre la fuente Sy el receptor Rseparados por una distancia r, empleadas para determinar la atenuación del suelo, A.uelo, a grandes distancias.

3.9

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

TABLA 3.3. Expresiones empleadas en el cálculo de la atenuación del suelo (Alu • lo ) en bandas de octava, en decibelios, para distancias largas [véase Ecuación (3.5)]. G es el factor de suelo, H es la altura y r es la distancia entre la fuente y el receptor. Los subíndices s, r y m indican zonas de fuente, receptor y media, respectivamente. (Véase Figura 3.2.) Elfactore es igual a (1 - [30(h. + h,)/rll

Frecuencia de banda de octava, Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Am,dB

AsoA"dB -1,5 (a· G) (h· G) (e' G) (d· G) (1· G) (1· G) (1· G) -

-3e -3e(1 -3e(1 -3e(1 -3e(1 -3e(1 -3e(1 -3e(1 -

1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

G) G) G) G) G) G) G)

Altura de la fuente o el receptor, m Distancia, m

0,5

1,5

3,0

6,0

>10,0

3,2 3,8 4,1 4,3 4,4

1,6 1,6 1,6 1,6 1,7

1,7 1,8 1,8

1,5 1,5 1,5

1,5 1,5 1,5

1,5 1,5 1,5

1,5 1,5

1,5 1,5

Factor a 50 100 200 500 >1000

1,7 1,9 2,3 4,6 7,0

2,0 2,2 2,7 4,5 6,6

2,7 3,2 3,6 4,6 5,7

Factor b 50 100 >200

6,8 8,8 9,8

5,9 7,6 8,4

3,9 4,8 5,3

Factor c 50 100 >200

9,4 12,3 13,8

4,6 5,8 6,5

1,6 1,7 1,7

Factord 50 >100

4,0 5,0

1,9 2,1

1,5 1,5

Angulos de rozamiento grandes. Para ángulos de rozamiento superiores a 30°, que suelen presentarse habitualmente en distancias cortas, los suelos blandos y muy blandos se convierten en buenos reflectores del sonido. Por ello, en este caso, se debe obtener Asuelo mediante los valores de la Tabla 3.2 para suelo duro.

J

3.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Otros tipos de atenuación (Am .... )

El término A misc de la Ecuación (3.1) cubre las contribuciones a la atenuación de los efectos que no se incluyen en los métodos generales para calcular A div , Aaire, Asuelo, descritos anteriormente. Estas contribuciones son Aref), el efecto de la reflexión de las paredes de los edificios o de superficies verticales próximas; Avegeh la atenuación cuando el sonido se propaga a través de la vegetación; y Acasa, la atenuación cuando el sonido se propaga a través de áreas de casas. Atenuación debida a la reflexión (Aren). La energía que llega al receptor debida a la reflexión sobre una superficie más o menos vertical, como la pared exterior de un edificio, aumenta la energía sonora que va directamente de la fuente al receptor. Para este caso, la atenuación debida a la reflexión, Aref), puede evaluarse de la misma manera que el valor para Asuelo descrito anteriormente. Con esta finalidad, supongamos que la Figura 3.1 representa una visión en que el plano P es la superficie exterior de un muro. Esta superficie suele ser acústicamente dura y el valor A refl puede obtenerse a partir de la Tabla 3.2 para suelo duro, de acuerdo con la diferencia en longitud de recorrido entre rd, el rayo directo de la fuente S al receptor R, y r" el rayo reflejado (que parece surgir de una fuente imagen 1). Obsérvese que: 1. Para ser un reflector razonablemente eficiente, la superficie ha de ser plana

en el punto de reflexión, al menos para una distancia de aproximadamente una longitud de onda del componente de menor frecuencia del sonido en cuestión. 2. Arefl tendrá

signo negativo, ya que la reflexión aumenta el nivel.

3. Si hay más de una superficie reflectante, puede haber más de un término en Arefl. Véase el ejemplo descrito más adelante. Atenuación debida a la vegetación (A veget )' Arboles y arbustos no son buenas barreras contra el ruido, ya que como pantalla aportan muy poca atenuación. Al mantener el suelo poroso, sus raíces sí aportan cierta atenuación por efecto suelo. Por tanto, la principal contribución de la vegetación no es una atenuación de barrera, sino una atenuación de suelo, que es inherente al cálculo de Asuelo (ver «Clasificación de superficies del suelo»). Sin embargo, si la vegetación es suficientemente densa como para obstruir completamente la visión y si también intercepta la vía de propagación acústica, se produce una atenuación adicional debida a la propagación a través de ella. Un seto, un grupo de arbustos, una banda de vegetación que crezca naturalmente o un bosque son ejemplos de vegetación densa. No se produce atenuación mediante ramas desnudas o troncos de árboles. La atenuación adicional (Aveget) de la propagación a través de cada metro de vegetación densa se presenta en la Tabla 3.4 para las frecuencias de cada banda de octava. No debe tenerse en cuenta una longitud de propagación superior a 200 m (650 ft) a través de la vegetación. Véase «Efectos del viento y la temperatura». Atenuación en zonas edificadas (A casa ).

Consideremos la propagación del sonido

3.11

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

TABLA 3.4.

Atenuación debida a la propagación a través de la vegetación Frecuencia central de banda de octava, Hz

Avegeh

dB/m

31,5

63

125

500

1000

2000

4000

8000

0,02

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,08

0,12

a través de una zona edificada con casas individuales. El siguiente método de cálcu102 permite variar la densidad de edificaciones incluyendo áreas urbanas y subur-

banas. Un valor de atenuación Acasa debido a la presencia de edificios se calcula en primer lugar a partir de Acasa

= 0,1 BSb

(3.6)

donde Sb es la longitud del camino acústico a través de la zona de viviendas, y B, la densidad de edificación a lo largo de la misma, que viene dada por

B

= área total de suelo con casas área total del suelo

(3.7)

Este valor de Acasa es independiente de la frecuencia. La atenuación debida al suelo sin casas, A sue1o , se calcula entonces a partir de la Ecuación (3.4). Se comparan los valores calculados para Acasa YA sue10 Yel menor se iguala a cero. El otro valor se inserta en la Ecuación (3.1). Nótese que la atenuación medida para la propagación del sonido a través de áreas edificadas depende claramente de la situación. El método anterior de cálculo produce un valor medio. Para mediciones individuales se pueden producir desviaciones de hasta 10 dB.

Ejemplo: Cálculo de la atenuación total

Supongamos que la Figura 3.1 representa una visión en planta; una taladradora (asumida como fuente puntual) opera sobre una calle pavimentada en el punto S, un micrófono se encuentra en R y un muro en P; no hay otras superficies reflectantes cercanas; rd = 50 m (150 ft), hs = 10 m (30 ft) y h r = 20 m (60 ft); las alturas efectivas de la fuente y el micrófono sobre el pavimento son 0,3 m (1 ft) Y 1,2 m (4 ft), respectivamente; el espectro de ruido de la taladradora se extiende desde 100 Hz a 2000Hz. La atenuación total viene dada por la Ecuación (3.1), donde, en este caso, Amisc = Aren· Por tanto, Atotal = A div + A aire + Asueto + Aren· 1. A partir de la Ecuación (3.2), la atenuación debida a la divergencia se calcula como A div = 11 + 20 log 50 = 45 dB. 2. A partir de la Tabla 3.1, la atenuación debida a la absorción del aire puede considerarse insignificante para todas las frecuencias relevantes, así A aire = O.

J

-

3.12

~-

--

--~

_.'-------------

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3. A continuación, se calcula la atenuación debida al efecto suelo. El valor de (rr - rd) para los rayos directo y reflejado por el suelo es 0,014 m (0,05 ft). La longitud de onda más corta del ruido es 0,2 m (0,6 ft). Por tanto, a partir de la Tabla 3.2 para suelo duro, Asuelo = -6 dB para todas las frecuencias en el espectro. 4. A continuación, se calcula el efecto de la reflexión sobre el muro. La distancia recorrida por el ruido reflejado sobre el muro del edificio es 58,3 m; por tanto (rr - rd) = 8,3 m (27,2 ft). La longitud de onda máxima es 3,3 m (10 ft), que es inferior a la diferencia de longitud entre los rayos y, por tanto, a partir de la Tabla 3.2 para suelo duro con (r ,Jrd) = (58,3/50) = 1,17, A refl = -2,4 dB. 5. La atenuación total Atotal = 45 + O - 6 - 2,4 = 36,6 dB, para todas las frecuencias de interés.

EFECTOS DEL VIENTO Y LA TEMPERATURA La propagación del sonido cerca del suelo para distancias horizontales inferiores a 100 m (300 ft) es esencialmente independiente de las condiciones atmosféricas; en este caso la atmósfera puede considerarse homogénea y los rayos sonoros aproximadamente como líneas rectas, como muestra la Figura 3.1. Las condiciones atmosféricas suelen ser un factor fundamental para distancias mayores. La humedad relativa y la temperatura ambiental tienen un efecto sustancial sobre la atenuación de frecuencias altas a grandes distancias debida a la absorción del aire (ver Tabla 3.1). Sin embargo, el efecto principal es el de la refracción (un cambio en la dirección de las ondas sonoras) producida por los gradientes verticales del viento y la temperatura3 • Durante el día, la temperatura del aire desciende regularmente al aumentar la altura por encima del suelo, una condición denominada gradiente de temperatura. Por contra, durante la noche, la temperatura suele descender al descender la altura (debido a la radiación fría de la superficie del suelo), una condición conocida como inversión térmica, que puede extenderse 100 m o más por encima del suelo durante la noche. Los rayos que aparecen representadas en la Figura 3.3 mediante líneas a FUENTE

__

'-..x-::----_ ... (a) ZONA DE SOMBRA

FUENTE

"

/.

á) _

-~-------~ )IO~::

(b)

FIGURA 3.3. Refracción del sonido (a) cuando la propagación es con el viento descendente o bajo condiciones de inversión de temperatura y (b) cuando la propagación es con el viento ascendente o bajo condiciones de gradiente de temperatura.

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.13

trazos muestran la dirección de la pr.opagación del sonid.o en presencia de gradientes verticales de viento y temperatura. El sonido se refracta (flexiona) hacia abaj.o, com.o muestra la Figura 3.3a, cuando la pr.opagación es con viento descendente, .o durante las inversiones de temperatura. Estas c.ondiciones de refracción hacia abajo son favorables a la pr.opagación, produciendo una atenuación mínima debida a vari.os factores. El s.onid.o se refracta hacia arriba, c.om.o muestra la Figura 3.3b, cuand.o la propagación es c.on vient.o ascendente, .o durante condiciones de lapso de temperatura. La refracción hacia arriba suele producir una zona de sombra cerca del suel.o, como muestra la figura, dando como resultad.o una atenuación adicional que habitualmente alcanza 20 dB .o más. Las condiciones favorables a la propagación (com.o en la Figura 3.3a) son ambientalmente relevantes (véase «Cálculo de niveles»). También c.onstituyen c.ondiciones de propagación estable, adecuadas para medidas repr.oducibles: la atenuación aquÍ es relativamente insensible a pequeñ.os cambios en las condiciones atmosféricas. Por estas razones, restringir la atenuación a las c.ondiciones atm.osféricas favorables a la propagación, especificadas a continuación, se ha convertido en práctica habitual en la descripción del ruido ambienta12,4: • Dirección del viento, s.opland.o de la fuente al receptor, dentro de un ángulo de 45° de la vía que conecta el centro de la fuente de sonid.o y el centr.o del área especificada. • Velocidad del vient.o entre aproximadamente 1 y 5 mis (3 y 15 ft/s), tomada a una altura de entre 3 y 11 m (10 y 36 ft) p.or encima del suelo. • Propagación (en cualquier dirección próxima a la horizontal) bajo una inversión de temperatura bien desarrollada. Esta práctica se sigue para el cálculo de los niveles y atenuación del s.onido a distancias de pr.opagación superiores a 100 m (300 ft). El cálcul.o de la atenuación del suel.o mediante la Tabla 3.3 es para estas condiciones atmosféricas específicas. Bajo éstas, el ray.o directo entre la fuente y el recept.or puede aproximarse mediante el arco de un círcul.o de 5000 m (16,000 ft) de radi.o, como muestra la Figura 3.4, y hay que calcular la longitud de la propagación a través de la vegetación (o edificación), utilizada en el cómputo de Aveget (A casa ), sobre este arco, como ilustra la Figura 3.4. La atenuación calculada para grandes distancias de propagación (cientos de metros o más) sólo es aplicable a la media de las c.ondiciones fav.orables de propagación, como se especificó anteriormente. La convergencia atm.osférica puede pro-

FIGURA 3.4. La atenuación debida a la propagación a través de la vegetación aumenta linealmente con la distancia 5 dentro de la vegetación; 5 = 51 + S:z. El radio del rayo curvado es 5000 m.

3.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ducir desviaciones de la media de hasta ± 20 dB. La convergencia, que está producida por la refracción no uniforme en que un gran volumen de la atmósfera actúa como una lente acústica, puede durar más de una hora y por tanto afectar a las medidas individuales, pero, para una valor medio, estas desviaciones se compensarán unas con otras.

CALCULO DE NIVELES

Dado que el nivel sonoro con ponderación A en un receptor exterior varía con el tiempo, la medida estándar4 del ruido ambiental suele ser su media (energética), el nivel de ruido continuo equivalente L eq , que se especifica a lo largo de un período de tiempo T. Esta sección describe el procedimiento para calcular el valor del Leq producido por una fuente puntual de sonido en un receptor exterior situado a una distancia r (que puede ser grande), a partir de las medidas acústicas disponibles próximas a la fuente.

Método general

En primer lugar, se calculan los valores de atenuación de los distintos mecanismos (A div , A aire , etc.) mediante los métodos descritos anteriormente en este capítulo para cada banda de octava de sonido. Estos números se suman entonces para producir la atenuación total A total para la banda de octava utilizando la Ecuación (3.1). A continuación se calcula el nivel de presión sonora de banda de octava Lp en el receptor, promediado para el tiempo T, usando la fórmula (3.8) donde Lw es el nivel de potencia sonora efectivo de la fuente puntual en esa banda de octava (definida respecto a condiciones de campo libre con unidades de decibelios re 1 picovatio). La evaluación de Lw en la Ecuación (3.8), en términos de medidas acústicas próximas a la fuente, viene dada a continuación en «Especificación de fuente». El procedimiento descrito anteriormente se repite entonces para todas las bandas de octava con contribución apreciable al nivel sonoro medio Leq con ponderación A en el receptor. Por último, se obtiene un valor de Leq en el receptor mediante la combinación de estas contribuciones, como muestra la Tabla 1.4.

Limitaciones del uso del método general. Para distancias r inferiores a 100 m, dado que la propagación es esencialmente independiente de las condiciones atmosféricas, el cálculo servirá para un Leq con prácticamente cualquier valor de promedio temporal T, que puede elegirse debido a otras consideraciones, como la variación en la emisión de la fuente. Sin embargo, para distancias superiores a 100 m, donde el nivel sonoro depende de las condiciones atmosféricas, las predicciones se restringen a: (1) condiciones favorables a la propagación3 (esto es, propagación con

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.15

viento descendente o bajo una inversión de temperatura) y (2) un promedio temporal de aproximadamente 1 hora (suficientemente prolongado como para promediar diversas alteraciones individuales, como una ráfaga de viento o el sol ocultándose tras una nube, pero no suficientemente largo como para que las condiciones meteorológicas subyacentes cambien de forma indebida). (Véase anteriormente «Efectos del viento y la temperatura».) Método directo

El método general descrito anteriormente ha de emplearse cuando se precisa un nivel sonoro con ponderación A con una precisión razonable (aproximadamente 1 dB) en presencia de atenuaciones que dependen de la frecuencia. Este es el caso habitual. Sin embargo, a veces surgen situaciones en las que sólo los términos de atenuación independientes de la frecuencia son relevantes [como A div calculado mediante la Ecuación (3.2), Asuelo calculado mediante la Ecuación (3.4) YAcasa calculado mediante la Ecuación (3.6)]. En tales casos es posible calcular el" nivel sonoro con ponderación A directamente y mucho más fácilmente, mediante una secuencia única de cálculos del tipo descrito anteriormente en el método general, en lugar de la secuencia múltiple usando los niveles de banda de octava. La Ecuación (3.8) todavía puede usarse para este cálculo, pero con los términos re interpretados de la siguiente manera: Atotal es la atenuación total independiente de la frecuencia obtenida a partir de la Ecuación (3.1); Lw se convierte en el nivel de potencia sonora efectiva con ponderación A de la fuente (que puede obtenerse como muestra la Tabla 1.5); L eq , el nivel sonoro medio con ponderación A, reemplaza al nivel medio de banda de octava en estos cálculos. (Las limitaciones en el uso de este método incluyen las citadas anteriormente para el método general.) Para la estimación, con menor precisión, mediante este método, es posible aproximar un término de atenuación dependiente de la frecuencia mediante el valor para la banda de octava dominante (a menudo la de 500 Hz). Véase el ejemplo para atenuación mediante una barrera gruesa en «Pérdida por inserción de barreras». Niveles medios en períodos largos

Para las predicciones más usuales, resulta válido, en el peor de los casos, el nivel sonoro continuo equivalente para 1 hora, L 1h , calculado para condiciones meteorológicas favorables a la propagación. Sin embargo, también puede ser necesaria una media a largo plazo, un valor de Leq para un período de tiempo que va de un mes a un año. Estos períodos incluyen gran variedad de condiciones meteorológicas, algunas de las cuales son menos favorables a la propagación. Para distancias superiores a 100 m (300 ft), no es posible predecir directamente los niveles para otras condiciones meteorológicas con una precisión comparable. Sin embargo, puede estimarse un nivel medio a largo plazo de la siguiente manera. Para distancias de propagación r inferiores a 100 m (300 ft), el nivel medio a largo plazo es el mismo que el nivel para el peor de los casos, L 1h , calculado como se describió anteriormente, ya que aquí la propagación es independiente de las con-

3.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

diciones atmosféricas. A medida que r aumenta por encima de 100 m también aumenta gradualmente la cantidad en que el nivel medio a largo plazo es menor que el nivel para el peor caso, desde cero hasta un valor que la experiencia indica que no supera los 5 dB. El valor de este pequefio término de corrección depende de las estadísticas meteorológicas locales.

Especificación de las fuentes

Nivel de potencia sonora (Lw). Una fuente puntual no direccional es aquella que, en ausencia de superficies reflectantes (o sea, en condiciones de campo libre), irradia sonido uniformemente y radialmente en todas direcciones, como muestra la Figura 1.2. Para esta fuente, Lw en la Ecuación (3.8) representa el nivel verdadero de potencia sonora de banda de octava, con unidades de decibelios relativas a 1 pW (10- 12 vatios) y su valor está relacionado con el nivel de presión sonora de banda de octava L p , medido a una distancia r en campo libre, como muestra la Ecuación (1. 7). Una fuente puntual direccional, por otra parte, es la que irradia sonido radialmente en todas direcciones, pero no irradia sonido igualmente en todas direcciones (por ejemplo, véase Figura 1.10 para el patrón de radiación de un avión). Para una fuente puntual direccional, el término Lw en la Ecuación (3.8) es el nivel de potencia sonora de la fuente que es efectivo para irradiar sonido (en esa banda de octava), en la dirección de propagación de la fuente al receptor. Su valor está por tanto relacionado con las medidas de los niveles de presión sonora de banda de octava en campo libre, como expresa la Ecuación (1.7), pero sólo si se realizan en la dirección de propagación deseada de la fuente al receptor. Sin embargo, en la práctica, suele ser necesario utilizar otros métodos para determinar L w , ya que las medidas en campo libre rara vez están disponibles. Representación de lasfuentes reales. En la práctica, hay tres métodos fundamentales para obtener un valor del nivel de potencia sonora efectiva Lw de una fuente de ruido: (1) puede especificarse de partida, por ejemplo, por el fabricante; (2) puede calcularse rigurosamente a partir de un conjunto de medidas de nivel de presión sonora para una variedad de fuentes de sonido en situaciones prácticas utilizando varios métodos estandarizados5 ; (3) también puede deducirse de una medida única del nivel de presión sonora, donde el camino de propagación entre la fuente y el receptor es la dirección deseada, pero no en campo libre. En éste, el caso más habitual, el procedimiento suele seguir las Ecuaciones (3.1) y (3.8), como ilustra el siguiente ejemplo. Ejemplo. El nivel sonoro con ponderación A de un equipamiento Lref = 100 dB, con un espectro de ruido que se extiende desde 100 Hz a 2000 Hz, se mide en un lugar de pruebas abierto, pavimentado, a una distancia de 15 m (59 ft). La altura eficaz de la fuente sobre la superficie pavimentada es 0,3 m (1 ft) y la altura del receptor es 1,2 m (4 ft). Determinar el nivel de potencia sonora con ponderación A de la fuente. A partir de la Ecuación (3.1), la atenuación total es: Alolal = A div + A aire + Asuelo, porque A misc = O y, por tanto:

3.17

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

1. A partir de la Ecuación (3.2a), la atenuación debida a la divergencia es A div = 11 + 20 log 15 = 34,5 dB. 2. A partir de la Ecuación (3.3), la atenuación debida a la absorción del aire puede ignorarse para distancias cortas, así A aire = o. 3. Se halla que el valor de (rr - rd) es 0,05 m en el lugar de pruebas. La longitud de onda más corta del sonido es 0,2 m. Por lo tanto, a partir de la Tabla 3.2, para suelo duro, Asuelo = -6 dB. 4. La atenuación total a partir de la Ecuación (3.1) es Atotal = 34,5 + O - 6 = 28,5 dB, Ya partir de la Ecuación (3.8), el nivel de potencia sonora con ponderación A es Lw = 100 + 28,5 = 128,5 dB.

Representación defuentes grandes. En la práctica, una fuente de ruido, por grande que sea, puede representarse como una fuente puntual situada cerca de su centro si el receptor está suficientemente alejado. Una planta industrial de 500 m (1600 ft) o más de diámetro, por ejemplo, puede ser representada de forma útil como una fuente puntual. La distancia entre el receptor (o la barrera) y la fuente debe ser al menos el doble de la dimensión más larga de la fuente. Si la distancia es menor, la fuente suele poder dividirse en varias fuentes discretas, cada una de las cuales satisface este criterio. El nivel de presión sonora en el receptor se calcula entonces por separado para cada una de estas fuentes puntuales y los resultados se combinan usando la Figura 1.14.

Propagación alejada del suelo

Para distancias cortas [r < 100 m (300 ft)], las únicas contribuciones significativas a la atenuación total en la Ecuación (3.1), Atotah es la divergencia geométrica (A div ), que es independiente de la frecuencia. La atenuación por la absorción del aire (A aire ), sin embargo, aumenta al aumentar la distancia y lo hace rápidamente al aumentar la frecuencia. Para distancias largas, por tanto, la contribución de Aaire ha de añ~dirse a la de A div en cada banda de octava.

Ejemplo: Cálculo del ruido por el sobrevuelo de un avión. Calcular el nivel sonoro máximo con ponderación A de un vuelo rasante de un gran avión a toda potencia. La Figura 3.5 muestra algunos niveles de banda de octava máximos con ponderación A representativos, a una distancia de 250 m (800 ft). Para una temperatura ambiental de 15 oC (59°F) Yuna humedad relativa del 70 por 100, ¿cuál es el nivel sonoro máximo con ponderación A a una distancia de 2000 m? 1. Primero, se calcula la atenuación debida a la divergencia Ecuación (3.2): A div

(A div )

mediante la

= 20 10glO (2000/250) = 18 dB

Este valor representa la atenuación al pasar de 250 a 2000 m y es el mismo para todas las frecuencias. 2. A continuación, se calcula la atenuación debida a la absorción del aire (A aire )

3.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

a partir de la Ecuación (3.3). Por ejemplo, a la temperatura y humedad relativa asumidas y a una frecuencia de 1000 Hz, el coeficiente de absorción del aire a es 4,4 dB/km, a partir de la Tabla 3.1. Por tanto, la atenuación añadida, debida a la absorción del aire, al pasar de 250 a 2000 m es A aire = 4,4 (2000 - 250)/1000 = 7,7 dB 3. Ahora se determina la atenuación total Atotal al pasar de los 250 a los 2000 m, añadiendo los resultados de los pasos 1 y 2. Por ejemplo, en la banda de 1000 Hz, la atenuación total es Atotal

= (18 + 7,7) = 25,7 dB "" 26 dB

4. Para cada nivel de banda de octava en el espectro a 250 m, se resta la atenuación total, calculada en el paso 3, para obtener los niveles de banda de octava a una distancia de 2000 m; estos niveles de banda de octava se muestran en la Figura 3.5. Por ejemplo, a 1000 Hz, el nivel de banda de octava es (100 - 26)

= 74 dB

5. Combinamos los niveles de banda de octava, mediante la Figura 1.14, para obtener el nivel sonoro máximo con ponderación A LA. En este ejemplo, LA es igual a 79 dB(A), a una distancia de 2000 m. Para frecuencias bajas (v. g., por debajo de 250 Hz), la atenuación total se debe casi por completo a la divergencia. A frecuencias más altas, la atenuación total aumenta progresivamente con la distancia como resultado de la absorción por el aire, produciendo un tono bajo característico. Para una fuente direccional, como un avión, la distancia ha de medirse a un án110 100

.,/'

(J) o::::; 90

. /r--....

F

-250 m(8 O ft)

l.,...-'

.........

/

w

al

U 80 w

o z

w <{

.....

70

V

60 63

50 50

~ 2000 m (6400 ft) - r\

1 5 2~0 51 O 1k '1

1

100 200

\ 2

\4k

'1

500 1000 2000 5000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 3.5. Niveles sonoros de banda de octava con ponderación A del sobrevuelo de un avión, a distancias de 250 y 2000 m.

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.19

gula constante del receptor con respecto a la fuente. En el caso de un avión a plena potencia, el ángulo para el ruido máximo suele ser 135° desde el morro del aparato. Propagación cerca del suelo en áreas abiertas

Distancias cortas Ir < 100 m (300 Jt)). La refracción es insignificante para distancias cortas, de manera que se puede asumir que el sonido se transmite en líneas rectas, como muestra la Figura 3.1, y la atenuación del suelo Asuelo puede calcularse utilizando la Tabla 3.2. La atenuación debida a la absorción del aire A aire también puede eliminarse, en la mayoría de los casos, para todas las frecuencias (ver Tabla 3.1). Por tanto, la propagación del sonido es independiente de las condiciones atmosféricas y el cálculo de los niveles mediante las Ecuaciones (3.1) y (3.8) se mantiene para cualquier promedio temporal T. Para la propagación en un área abierta A misc = OYla Ecuación (3.1) se reduce por tanto en este caso a Atotal = A div + Asuelo. Ejemplo. Dados los niveles de potencia sonora de banda de octava de una pequeña fuente de ruido no direccional, calcular el nivel sonoro con ponderación A en un receptor a 80 m (260 ft), (a) en verano, cuando el suelo está cubierto de hierba, y (b) como comparación, en invierno, cuando el suelo está cubierto de nieve. Supóngase que la altura eficaz de la fuente es 1,2 m (4 ft) y la altura del receptor es 1,8 m (6 ft). Consideremos en primer lugar la atenuación para la banda de octava de (por ejemplo) 250 Hz. 1. Se calcula la atenuación debida a la divergencia A div mediante la Ecuación (3.2): A div = 11 + 20 lag (80) = 48 dB. 2. Se determina la atenuación debida al suelo. A partir de la Tabla 3.2, en verano, Asuelo = -1,0 dB, Yen invierno, Asuelo = 17,1 dB. 3. Se determina la atenuación total Atotal. A partir de la Ecuación (3.1), la atenuación total en verano es (49 - 1,0) = 48,0 dB, Yen invierno, es (49 + 17,1) = 66,1 dB. Dado que el nivel de potencia sonora de la fuente en la banda de octava de 250 Hz es 110 dB (re 1 pW), el nivel de presión sonora en esta octava en el receptor, de acuerdo con la Ecuación (3.8), es 110 - 48,0 = 62,0 dB (re 20 J..LPa) en verano y 110 - 66,1 = 33,9 dB en invierno. Claramente, la nieve en invierno es un atenuador superior para la propagación del ruido de baja frecuencia cerca del suelo. La atenuación para sonidos de baja frecuencia puede ser incluso mayor en el caso de una capa delgada de nieve [menos de 10 cm (4 in)]. Para obtener el nivel sonoro con ponderación A en el receptor, en verano o invierno, se repite el procedimiento anterior para cada banda de octava de interés y se combinan los niveles resultantes, como muestra la Tabla 1.4.

Distancias largas. En distancias largas, los efectos de la refracción se hacen más importantes (véase anteriormente «Efectos del viento y la temperatura») y la atenuación del suelo Asuelo sólo puede calcularse satisfactoriamente para condiciones atmosféricas favorables a la propagación, utilizando la Tabla 3.3. La atenuación debida a la absorción del aire A aire también ha de calcularse usando la Ecuación (3.3)

3.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

y la Tabla 3.1. El cálculo de los niveles en este caso, mediante las ecuaciones (3.1) y (3.8), está restringido a un tiempo medio de aproximadamente 1 hora. Dado que la propagación es en un área abierta, A misc = Oy, por tanto, la Ecuación (3.1) se reduce en este caso a Atotat = A div + Aaire + Asueto'

Ejemplo: Ruido de un avión operando en el suelo. Calcular el nivel sonoro con ponderación A producido por un avión en tierra a una distancia de 2000 m, conociendo el nivel de potencia sonora de la fuente para todas las octavas eficaces en la dirección de propagación deseada (alturas de la fuente y del receptor = 1,5 m). Consideremos en primer lugar la atenuación para la banda de octava centrada en la frecuencia de (por ejemplo) 500 Hz. 1. Se calcula la atenuación debida a la divergencia mediante la ecuación (3.2): A div

= 11 + 20 log (2000) = 77 dB

2. Se calcula la atenuación debida a la absorción del aire. A partir de la Tabla 3.1, el coeficiente de atenuación del sonido es 2,7 dB/km, para una temperatura de 20 oC y una humedad relativa del 50 por 100. Así, a partir de la Ecuación (3.3) Aaire

= 2,7 x 2 = 5,4 dB

3. Se calcula la atenuación debida al suelo. Es la suma de las tres atenuaciones del suelo en la ecuación (3.5): Asueto = As + Ar + Am' a) La atenuación de suelo debida a la zona de la fuente se extiende hasta una distancia de 30 hs = 30 X 1,5 = 45 m. Un total de 20 m son calle asfaltada (duro), en tanto que en los 25 m restantes hay hierba cubriendo el suelo (blando). El factor de suelo G es por tanto la proporción de suelo que es blanda (suelo mixto): G = (45 - 20)/45 = 0,56. Se obtiene la atenuación As a partir de la Tabla 3.3. El factor e = 6,5 se obtiene de la Tabla 3.3 y por tanto As =

-1,5 + 0,56 x 6,5

=

2,2 dB

b) La zona del receptor también se extiende hasta una distancia 30 h, = 30

X

1,5 = 45 m. Está cubierta de hierba (blando) y por tanto G = 1. A partir de la Tabla 3.3, la atenuación del suelo en la zona del receptor es

+ 1,0 X 6,5 = 5,OdB e) Existe zona media, ya que 30 hs + 30 h, = 45 + 45 = 90 < 2000 m. SuponA, = -1,5

gamos que el 90 por 100 del suelo de la zona media está cubierto de hierba; por tanto, G = 0,9. Entonces, a partir de la Tabla 3.3, e = 1 - (45 + 45)/2000 = 0,96 Y Am = -3 X 0,96 (1 - 0,9)

= -0,3 dB

d) La atenuación total debida al suelo es la suma de las contribuciones de es-

tas tres zonas:

3.21

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

Asuelo

= 2,2 + 5,0 -

0,3

= 6,9 dB

4. Se determina la atenuación total A tota1 de todos los mecanismos. En este caso, Atotal

= A div + A aire + Asuelo = 77 + 5,4 + 6,9 = 89,3 dB

Si el nivel de potencia sonora de la fuente, en la banda de octava de 500 Hz que es efectiva en la dirección de propagación, es 155 dB (re 1 pW), el nivel de presión sonora en el receptor para esta octava, de acuerdo con la Ecuación (3.8), es 155 89,3 = 65,7 dB (re 20 ,""Pa). Para obtener el nivel sonoro con ponderación A en el receptor, repita el procedimiento anterior para todas las bandas de octava de interés y combine los niveles resultantes como muestra la Tabla 1.4.

PERDIDA POR INSERCION DE BARRERAS {/LbarreraJ Una barrera contra el sonido es cualquier obstáculo sólido relativamente opaco al sonido que bloquea al receptor la línea de visión de la fuente sonora. Las barreras pueden instalarse específicamente para reducir el ruido, por ejemplo, vallas sólidas o diques de tierra, o pueden producirse naturalmente por otras razones, como edificios o muros aislados. Las barreras pueden usarse en exteriores para apantallar áreas residenciales o instalaciones de ocio que requieran silencio (p. ej., parques, parcelas, campings) frente al ruido del tráfico, industrial o frente a la molestia del ruido producido por las instalaciones de ocio. El uso de una barrera es sobre todo adecuado cuando no es posible, o sería demasiado caro, reducir la emisión de ruido de la fuente molesta. La medida habitual de la eficacia acústica de una barrera es la pérdida por inserción. La pérdida por inserción de una barrera para una banda de octava, en un punto determinado, es la diferencia entre los niveles de presión sonora de la banda (medidos en ese punto) antes y después de la construcción de la barrera: ILbarrera

= Lp( antes)

- Lp( después)

dB

(3.9)

Esta medida es de interés práctico para quienes estén considerando la construcción de una barrera; también evita la ambigüedad que surge debido a que la barrera, además de introducir la atenuación debida a la difracción, como ilustra la Figura 1.8, también suele reducir la atenuación debida al suelo (al aumentar la altura del recorrido del rayo por encima del suelo). La pérdida por inserción de una barrera varía dependiendo de distintos parámetros, sobre todo la frecuencia del sonido (las frecuencias altas son más atenuadas). La pérdida por inserción puede determinarse mediante cálculo o medida. Ver la Referencia 6 para los procedimientos normalizados de medida. El cálculo de la pérdida por inserción de los distintos tipos de barreras se describe en las siguientes secciones, desde el caso más simple (que es también el más habitual) al más complejo. A menos que se indique lo contrario, siempre se asumirá

3.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que: (1) la barrera es muy larga en comparación con su altura y (2) el sonido emana de una fuente puntual. La construcción de una barrera también debe asegurar que tiene una superficie cerrada sin grandes grietas o agujeros y que la masa de la superficie es de al menos 10 kg/m2 (2 lb/ft2 ). En «Atenuación por barreras» del Capítulo 48, se considera en detalle el cálculo de la pérdida por inserción de barreras para una fuente lineal. Barreras delgadas

Una barrera delgada es la que atenúa el sonido mediante una difracción única, como muestra la Figura 3.6. Una vall~ sólida, del tipo que habitualmente se construye para barrera contra el ruido, y un muro aislado son ejemplos de barrera delgada. Para calcular la pérdida por inserción para un sonido con longitud de onda A, se determina en primer lugar el número Fresnel N mediante N

=

(2/A) [dI + d 2

-

(3.10)

d]

donde dI, d 2 Yd son las distancias que muestra la Figura 3.6. Cuando el borde de la barrera toca la línea de visión entre la fuente y el receptor, o está por debajo de ella, el valor N es cero. Cuanto más se extiende la barrera por encima de la línea de visión, mayor es el valor de N. Entonces se calcula la pérdida por inserción ILbarrera para este valor N a partir de ILbarrera

=

10 lag [3 + lONK] - Asueto

dB

(3.11)

El término Asueto de la Ecuación (3.11) es la atenuación aportada por el suelo antes de que se insertara la barrera. El primer término es la atenuación que aporta la barrera más cualquier otra atenuación todavía eficaz en la vía de propagación, resultado de los efectos del suelo y atmosféricos después de la instalación. K, en la Ecuación (3.11), es el factor de corrección para los efectos atmosféricos. Para distancias entre la fuente y el receptor inferiores a 100 m, K = 1, lo cual significa que los efectos atmosféricos pueden ignorarse. Los valores negativos de la Ecuación (3.11) se igualan a cero.

Ejemplo. Calcular la pérdida por inserción de una barrera delgada cuya altura es 5 m (16 ft) por encima de un suelo cubierto de hierba, colocada a 10 m (33 ft) de

R

• -1

FIGURA 3.6. Distancias fundamentales del método para calcular la pérdida por inserción ILb.".,. de una barrera delgada.

3.23

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

una fuente de ruido y a 70 m (230 ft) del receptor. Las alturas de la fuente y el receptor son 1,2 m (4 ft) y 1,8 m (6 ft), respectivamente. 1. En primer lugar se obtiene la atenuación del suelo para cada banda de octava

a partir de la Tabla 3.2 para suelo blando. Luego, por ejemplo, a 250 Hz, se halla que Asuelo = -1,0 dB. 2. A continuación, se calcula el número Fresnel para cada banda de octava mediante la Ecuación (3.10). Entonces, por ejemplo, para 250 Hz, N = 1,12 Y a partir de la Ecuación (3.11), ILbarrera = 11,5 + 1,0 = 12,5. La Tabla 3.5 presenta los resultados para bandas de octava entre 125 y 1000 Hz. En el caso de la banda de 500 Hz, la pérdida por inserción de la barrera es pequeña debido a la gran atenuación que aporta el.suelo antes de la instalación de la misma.

Efectos del viento y la temperatura. Los rayos curvados ascendentes, como en la propagación ascendente o con el gradiente de temperatura característico de los días soleados (véase Figura 3.3 y comentario que acompaña), no reducen el rendimiento acústico de una barrera. Sin embargo, los rayos curvados descendentes, como sucede en la propagación descendente o las inversiones de temperatura habituales durante la noche, reducen la pérdida por inserción de la barrera. Esta reducción varía con la distancia de propagación. Para una distancia r entre la fuente y el receptor inferior a 100 m (300 ft), la reducción suele ser insignificante; en este caso, el cálculo puede realizarse igualando K a 1 en la Ecuación (3.11), para una precisión de 1 dB. Para distancias r superiores a 300 m (800 ft), por otra parte, la influencia de las condiciones meteorológicas frecuentemente se traduce en valores muy bajos de pérdida por inserción. A distancias intermedias (100 m < r < 300 m), la reducción aumenta gradualmente al aumentar la distancia r. Dentro de este rango, la pérdida por inserción de una barrera delgada puede calcularse para condiciones atmosféricas favorables a la propagación (refracción descendente, como se especifica en conexión con la Figura TABLA 3.5. Muestras del cálculo de la pérdida por inserción para cuatro bandas de octava N es el número de Fresnel (sin dimensiones), A"ue'o es la atenuación debida al suelo antes de que se instale la barrera, Abarrer. es la atenuación de la barrera e ILbarrera es la pérdida por inserción o eficacia de la barrera. Véase Ecuación (3. 10) Frecuencia, Hz

N

125 250 500 1000

0,56 1,12 2,24 4,48

A.ue1o, dB -4,8 -1,0 11,5 4,8

(Lbam.., dB 14,1 12,5 2,5 12,0

3.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3.3) usando la Ecuación (3.11), con el factor K de corrección atmosférica obtenido mediante K = exp [-0,0005

J (d d d)/(NA) l

2

(3.12)

donde los parámetros d b d2 , d Y N tienen el mismo significado que en la Figura 3.6 y la Ecuación (3.10). Este cálculo aporta el valor para el peor caso de pérdida por inserción de una barrera delgada.

Otros tipos de barreras

Ba"eras gruesas.

Una barrera gruesa es la que atenúa el sonido mediante difracción doble, como muestra la Figura 3.7. Un edificio o un dique de tierra suelen ser ejemplos de barrera gruesa. Si la dimensión t en la Figura 3.7, el grosor de la barrera, es mayor que 3 m (10 ft), se considera que la barrera es gruesa para los componentes de sonido de todas las frecuencias. Si t es inferior a 3 m, la barrera se considera gruesa para los componentes cuya longitud de onda sea inferior a t/5. Si no se cumplen estas condiciones, la barrera debe considerarse delgada y su pérdida por inserción se calcula mediante la Ecuación (3.11). En el caso de un barrera gruesa, el número N Fresnel se calcula en primer lugar a partir de N = (2/A) [di

+ t + d2 -

d]

(3.13)

donde di, d 2 , d Yt son las distancias que muestra la Figura 3.7. La pérdida por inserción de la barrera puede calcularse entonces a partir de ILbarrera

=

10 log [3 + 30NK] - Asuelo

(3.14)

donde K es el factor de corrección atmosférica de la Ecuación (3.12), pero con el

FIGURA 3.7.

Distancias fundamentales del método para calcular la pérdida por inserción ILb.".,. de una barrera gruesa.

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.25

grosor t que se añade a la menor de las dos distancias, d l o d 2 , en la ecuación. Para distancias de propagación inferiores a 100 m (300 ft), K puede igualarse a 1, como ocurre con las barreras delgadas. Los valores negativos obtenidos en la Ecuación (3.14) para la pérdida por inserción se igualan a cero.

Ejemplo. El espectro de ruido con ponderación A de una instalación concreta es muy amplio y contiene componentes de frecuencia discretos no prominentes. La altura efectiva de la fuente es 0,3 m. El receptor está localizado a 100 m y está a 1,2 m por encima del suelo cubierto de hierba. ¿Cuál es la pérdida por inserción de un dique de tierra muy ancho (t = 5 m) cuya altura es 3 m y cuya localización está a 10 m de la fuente? Asúmase que la pérdida por inserción viene dada aproximadamente por la atenuación que aporta la barrera a una frecuencia d~ 500 Hz. 1. En primer lugar, se calcula la atenuación debida al suelo en ausencia de la barrera. En este caso, puede emplearse la Ecuación (3.4) haciendo Asuelo

= 4,8 -

(2

X

0,75/100) (17

+ 300/100) = 4,5

donde la altura media del camino de propagación h m

= (0,3 + 1,2)/2 = 0,75.

2. A continuación, se calcula la pérdida por inserción del dique de tierra. Como t> 5A = 3,43 m a 500 Hz, se tiene que N = 0,22 a partir de la Ecuación (3.13) y, de la Ecuación (3.14), asumiendo K = 1 ILbarrera

=

10 log [3

+ 30(0,22) (1)]

- 4,5

=

5,3 dB

Fuente y receptor elevados: un caso especial. Si en la Figura 3.6: (1) la distancia dI entre la fuente y la barrera es inferior a 5 m, (2) la altura de la fuente por encima del suelo es mayor que d l y (3) la altura del receptor es superior a d 2 [por ejemplo, la fuente de sonido puede ser el tubo de escape de un gran tractor-remolque situado a 4 m (13 ft) por encima del suelo y el receptor puede ser un oyente situado en el piso segundo o superiores de un edificio], la pérdida por inserción de la barrera puede calcularse utilizando una fórmula particularmente sencilla: ILbarrera

= 10 log 20N

(3.15)

donde N se calcula a partir de la Ecuación (3.10) en el caso de barreras delgadas y con la Ecuación (3.11) para el caso de barreras gruesas.

Ba"eras de longitud finita. Para una barrera de longitud finita, hay que considerar tres vías de propagación entre la fuente y el receptor (véase Figura 3.8): una vía a sobre la parte alta de la barrera y las vías b y e alrededor de cada extremo. Para obtener el nivel en el receptor es necesario, en este caso, llevar a cabo cálculos separados para cada vía y luego combinar los niveles en el receptor, como muestra la Figura 1.13. El cálculo del encaminamiento sobre la barrera se lleva a cabo exactamente como se describió anteriormente para una barrera de longitud infinita. El procedimiento para los encaminamientos b y e es distinto al de a en lo siguiente: se calcula

3.26

FIGURA 3.8.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Pérdida alrededor de una barrera de longitud finita.

primero las distancias dI. d2 , d Y t en las Ecuaciones (3.10) a (3.14), usando las Figuras 3.6 o 3.7 para una visión en planta de la propagación en las vías b y c. Se calcula entonces la pérdida por inserción para las vías b y c usando la Ecuación (3.11) o (3.14), con el factor de atenuación del suelo Asuelo igualado a cero y el factor de corrección atmosférica K establecido en l. La difracción lateral, como indican los encaminamientos b y c, suele reducir la eficacia de la barrera. La difracción lateral alrededor de la barrera puede ignorarse si la altura efectiva de la misma (distancia del borde superior hasta una línea que une la fuente de sonido y el receptor) en los bordes más alejados es, al menos, 4 veces mayor que la del borde próximo.

Superficies absorbentes. Una barrera cuyas superficies sean acústicamente absorbentes aporta atenuación adicional. La atenuación real de la barrera debida a la superficie absorbente aumenta a medida que lo hace el ángulo al que el sonido ha de difractarse; los valores típicos son 1 dB cuando el ángulo de difracción (ángulo de flexión ex en la Figura 3.6) está entre 10 y 15° Yaproximadamente 3 dB cuando el ángulo es de 45°. Además, la influencia de las superficies absorbentes sobre las barreras es significativa, cuando están cerca de la fuente de ruido, al impedir una reducción de la atenuación como resultado de las reflexiones múltiples entre la fuente y la barrera. (Nótese que existe un problema para obtener material que sea absorbente del sonido y resistente al agua, aunque este material sólo ha de cubrir el área de la superficie que está dentro de una distancia equivalente a una longitud de onda del límite superior de la barrera.) Diques de tie"a, colinas y desmontes. El cálculo de la atenuación de la barrera en términos del número Fresnel N, en cualquiera de los procedimientos descritos anteriormente, puede aplicarse a diques de tierra o colinas o una barrera que resulte de un corte en el terreno circundante, como en la Figura 3.9. En estos casos, la parte superior de la barrera en B se extiende por encima de la línea de visión SR (si la barrera no estuviera presente) en una cantidad que está indirectamente relacionada con la altura del dique o la profundidad del corte.

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.27

FIGURA 3.9. Un ejemplo del uso del método de cálculo de la pérdida por inserción de barrera ILb.".,. en el caso de un dique de tierra o colina.

En algunos casos, una berma o colina cubierta de vegetación (suelo blando) aportan más atenuación a frecuencias altas que las predichas de acuerdo con la Ecuación (3.14).

Cálculo de los niveles en presencia de barreras

Los niveles sonoros de una fuente puntual con un nivel de potencia sonora efectiva Lw en presencia de una barrera pueden calcularse a partir de Lp

(después)

= Lw -

Atotal

(antes) -

Il-barrera

(3.16)

donde Atotal (antes) es la atenuación total antes de que la barrera se instale, obtenido mediante la Ecuación (3.1). Nótese que el término Asuelo en la Ecuación (3.1) es idéntico al del cálculo de 14arrera y, por tanto, se compensan. Las condiciones que se aplican al uso de la Ecuación (3.8) figuran en «Cálculo de n,iveles», para las condiciones que se aplican a la Ecuación (3.16). Nótese también que no existe una correspondencia de uno a uno entre los términos de atenuación en la Ecuación (3.6) para una fuente puntual y los de la Ecuación (48.14) para una fuente lineal. Esto se debe a que los distintos mecanismos de atenuación se coordinan de distinta manera en los dos capítulos; sin embargo, son equivalentes.

RUIDO DEL TRAFICO (RODADO Y FERROVIARIO) Atenuación por divergencia

Fuente puntual. Consideremos el ruido radiado por una fuente puntual que se mueve, pasando por una posición determinada a una velocidad v. Asumimos que el nivel sonoro con ponderación A LA varía con el tiempo, como indica la curva a trazo continuo en la Figura 3.10. El nivel sonoro máximo al paso de la fuente desciende 6 dB al duplicarse la distancia r, y se determina mediante

dB

(3.17)

siempre que tanto r como rref sean perpendiculares a la vía. En la Ecuación (3.17), LA ref es el nivel sonoro con ponderación A medido a una distancia rreC'

------------------~~--------~~---------------------------------------------------

3.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

- -f\"" ,. ¡-bIVi

/,1\

...J

'\' "

,/

1\

,\'

~

\

\,

'/

\,

'_

"

,1

\

\ ,1

,/

TIEMPO

FIGURA 3.10. El nivel de ruido de una línea de tráfico (línea a trazos) o una fuente única (línea continua) al pasar a una velocidad V; la letra b representa el espaciamiento entre las fuentes de ruido individual en la línea.

Otra medida del sonido producido por una fuente puntual que se desplaza es el nivel sonoro continuo equivalente Leq (con ponderación A), que desciende 3 dB al duplicarse la distancia, como indica (3.18)

Fuente lineal de longitud infinita. Consideremos una línea discontinua de fuentes puntuales no direccionales (como automóviles o trenes) con la misma potencia sonora W y espaciamiento b a lo largo de la línea. Asumimos que las fuentes puntuales se mueven con velocidad constante v a lo largo de una vía recta y que la línea es de longitud infinita. A una distancia perpendicular r, mucho más pequeña que (bl7r), el nivel sonoro asciende y desciende con cada fuente que pasa, como muestra la línea a trazos en la Figura 3.11. El nivel sonoro máximo (obtenido cuando una fuente está enfrente del observador) decrece al aumentar r, a 6 dB al duplicarse la distancia r, como determina la Ecuación (3.17) para una fuente única; el nivel sonoro mínimo, que se produce cuando el observador está a medio camino entre las fuentes, es independiente de r, como muestra la Figura 3.11. Por tanto, las fluctuaciones de nivel decrecen al aumentar r, haciéndose imperceptibles para r mayor que (bhr). Lejos de la fuente (para r > bl7r), el nivel sonoro es constante en el tiempo; disminuye 3 dB por cada duplicación de la distancia. Nótese, sin embargo, que el nivel sonoro continuo equivalente Leq se reduce a una constante de 3 dB por cada duplicación de la distancia, a todas las distancia de una fuente lineal infinita, como indica la Ecuación (3.18). (Véase también la Figura 3.11.) El plano reflectante cerca de la fuente lineal tiene el mismo efecto sobre los niveles sonoros, a cierta distancia de la fuente, que el que tenía el plano sobre la fuente puntual. Fuente lineal de longitudfinita. Para una fuente lineal finita de longitud 1, que es mucho mayor que el espaciamiento b, existe una tercera zona de divergencia para r mayores que 117r. Ahora, toda la línea está tan alejada del observador que actúa como una fuente puntual; el nivel sonoro con ponderación A, LA, decrece en 6 dB por cada duplicación de la distancia, como muestra la línea a trazos H en la Figura

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.29

'" .2

Qj

.o 'C::; Q)

"O

eQ) o

(5 e o

'"

,J

Qj .~

Z

H' 0.2 0.4

1.0 2

4

10 20 40

Distancia ren unidades de b/rr

FIGURA 3.11. Efecto de la divergencia sobre el nivel de ruido de una línea de tráfico. La letra r representa la distancia perpendicular a la línea; b es el espaciamiento entre fuentes individuales en la línea y I es la longitud de la línea.

3.11. El nivel sonoro continuo equivalente Leq de la línea finita en esta región depende de si ésta (como distinta de las fuentes) se mueve o es estacionaria. Por ejemplo, si la línea se mueve y pasa delante del observador, como un tren, el nivel sonoro continuo equivalente Leq decrece a 3 dB por cada duplicación de la distancia (como en el caso de una fuente puntual) en las tres regiones, como muestra la línea T en la Figura 3.11. Si la línea es estacionaria respecto al observador, como el tráfico que fluye libremente en un segmento fijo de una autopista, entonces el nivel sonoro continuo equivalente cambia de 3 dB por cada duplicación de la distancia para r inferior a IITr a 6 dB por cada duplicación de la distancia para r mayor que 117r, siguiendo la línea H en la Figura 3.11.

Previsión de los niveles de ruido

El principal factor para determinar el nivel sonoro del ruido del tráfico en un punto distante suele ser la divergencia. Para el ruido de los vehículos de motor, se calcula primero la atenuación debida a la divergencia, Adiv en la Ecuación (3.1), usando el método ilustrado en la Figura 3.11, descrito anteriormente; para el ruido de ruedas/ raíl de los trenes, se calcula la atenuación debida a la divergencia de la misma manera, pero en este caso b (en la Figura 3.11) es el doble del espaciamiento entre los vagones del tren y el parámetro 1es el doble de la longitud del tren; para el ruido del tren, se calcula la atenuación debida a la divergencia A div , usando la Ecuación (3.17) para una fuente puntual. La atenuación del ruido del tráfico, irradiado por trenes o por una línea de vehículos de motor sobre una autopista y que se propaga directamente en áreas no pavimentadas relativamente abiertas, incluye un término adicional Asueto para la atenuación en áreas abiertas, dado aproximadamente por dB

(3.19)

;

;

¡

;

;

;

¡

o

¡

;

=

-

~

-

=

-

=

-

=

=

-

~

=

=

=

=

=

=

.

-

;

~

_

~

-

~

~

_

~

3.30

__

. . . . . . . . . ._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS V CONTROL DEL RUIDO

(1,5 dB por cada duplicación de la distancia) si la altura media de la vía de propagación es inferior a 3 m (10 ft) por encima del suelo; si la altura media es superior a 3 m, la atenuación del suelo Asuelo es igual a cero. La Ecuación (3.19) no considera el efecto de apantallamiento directo de los obstáculos, como filas de casas o barreras. Para distancias superiores a unos 300 m (1000 ft), hay que incluir la atenuación por absorción del aire (A aire ), como se describe en el comentario que acompaña a la Figura 3.5.

Ejemplo: Cálculo del ruido del tráfico rodado en un área abierta

Supongamos una carretera única por la que circulan 1000 coches/hora a 80 km/hora (50 mi/h); el espacio medio entre vehículos bes 12,5 coches/km u 80 mlcoche (260 ftlcar). A 80 km/h, un coche medio produce un nivel sonoro de aproximadamente 70 dB(A) a 15 m (50 ft).

1. Entonces (bhr) = 80hr "'" 25 m (80 ft). 2. El nivel sonoro con ponderación A a 25 m (80 ft) para un solo vehículo "'" 70 dB(A) - 20 IOglO(25/15) = 70 - 4 = 66 dB(A). A partir de la Figura 3.11, éste es también el Leq a 25 m (80 ft) de una línea de tráfico. 3. El nivel sonoro con ponderación A producido por una línea de tráfico, como resultado de la divergencia, decrece con una atenuación (A div ) igual a 10 log (rlrref) y, como resultado del suelo, decrece con una atenuación igual a 5 log(r/rref). Por tanto, a 300 m de la carretera, Leq

= 66 -

10 log (300/25) - 510g (300/25) "'" 50 dB

4. Asumiendo que el flujo de tráfico aumenta con la adición de un 10 por 100 de camiones que, de media, producen un nivel sonoro con ponderación A de 85 dB(A) a 80 kmlh a 15 m, entonces, el nivel sonoro continuo equivalente Leq sólo para los camiones, a 300 m (100 ft) de la carretera, puede calcularse de una forma parecida al de los coches. De forma alternativa, puede deducirse del valor de los coches de la siguiente manera: Leq(camiones) = Leq(coches) + 10 log (nO camiones/no coches) + (nivel sonoro por camión - nivel sonoro por coche) = 50 + 10 log (10011000) + (85 - 70) = 55 dB El valor conjunto de Leq para coches y camiones"'" 57 dB.

Ejemplo: ruido del tren

Supongamos que una locomotora produce un nivel sonoro pico con ponderación A aproximadamente igual a 95 dB(A), a 30 m (100 ft), independiente de la velocidad; la locomotora viaja a una velocidad de 50 kmlh (30 milh). La fuente se mueve desde 30 m (100 ft) antes del punto receptor hasta 30 m después (el descenso de 3 dB si no se asume direccionalidad) en aproximadamente 5 segundos. Supongamos que hay dos trenes por hora, cada uno remolcado por 3 locomo-

PROPAGACION DEL SONIDO AL AIRE LIBRE

3.31

toras. La duración equivalente de tiempo es 2 trenes X 3 locomotoras X 5 seg = 30 seg = 1/120 h. El nivel sonoro continuo equivalente (con ponderación A) Leq del paso de las locomotoras es, por tanto, aproximadamente 95 dB + 10 log (1/120) = 74dB. Consideremos ahora el ruido de las vías: el nivel sonoro con ponderación A a 30 m (100 ft) es 85 dB(A) a 50 km/h, como anteriormente; asumimos que hay 2 trenes de mercancías por hora, cada uno aproximadamente de 1,6 km (1 mi) de longitud (100 coches). El tiempo de duración equivalente es 2 trenes X 2 min = 4 min = 1/15 h. El valor del nivel sonoro continuo equivalente Leq del ruido de las vías es, por tanto, aproximadamente igual a 85 + 10 log (1/15) = 73 dB. Las dos fuentes de ruido se mueven sobre una línea esencialmente infinita que pasa delante del observador; por tanto, Leq decrece 3 dB por cada duplicación de la distancia en cada caso. Suponga que el observador está a 300 m (1000 ft) del punto más cercano sobre la vía. Entonces, para el ruido de las locomotoras, el nivel sonoro continuo equivalente a 300 m es: Leq = [74 - 10 log (10)] = 64 dB; de la misma manera, la corrección para esta distancia, para el ruido de la vía de ferrocarril, da Leq = 63 dB. Si se asume una atenuación direccional de 5 log (r/rree) para el suelo, entonces ambos valores de Leq a 300 m han de reducirse en 5 log (300/30) = 5 dB.

REFERENCIAS 1. Aeousties - Attenuation of sound during propagation outdoors, 1. 8 Parte, «Calculation of the absorption of sound by the atmosphere», ISOIDIS 9613-1, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1990. 2. Acousties - Attenuation of sound during propagation outdoors, 2. 8 Parte, «A general method of calculation», ISOIDP 9613-2, International Organization for Standardization, CH1211 Ginebra 20, Suiza, diciembre 1989. 3. T. F. W. Embleton, «Sound propagation outdoors - Improved predictions schemes for the 80's», Noise Control Engineering Joumal, 1982, vol. 18, n.o 30. 4. Aeousties - Description and measurement of environmental noise, La Parte, «Basic quantities and procedures», ISO 1996-1, 1982; 2. 8 Parte, «Acquisition of data pertinent to land use», ISO 1996-2, 1987; 3. 8 Parte, «Application to noise limits», ISO 1996-3, 1987; International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza. 5. Aeousties - Determination of sound power levels of noise sourees - Engineering methods for free field eonditions over a refleeting plane, ISO 3744, 1981; Aeousties - Determination of sound power levels of multi-souree industrial plants for the evaluation of the sound pressure levels in the environment - engineering method, ISOIDIS 8297, 1989; International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza. 6. Methods for the determination of insenion loss of outdoor noise harriers, ANSI S12.8-1987, American National Standards Institute, Nueva York, 1987.

Capítulo

4

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS Cyril M. Harris

INTRODUCCION El comportamiento espacial del sonido alrededor de una fuente en un espacio cerrado, como una habitación, es distinto de lo que sería si la misma fuente estuviera localizada al aire libre, lejos de cualquier superficie reflectante (en un «campo libre»). Esto se debe a que el sonido se refleja sobre los límites del cerramiento y sobre los objetos en su interior. En los límites del cerramiento, parte de la energía sonora incidente se refleja, parte es absorbida y parte es transmitida a través de las paredes del mismo. Este capítulo muestra cómo calcular el nivel de presión sonora a varias distancias de la fuente en una local cerrado y cómo determinar la reducción del nivel sonoro que se produce al instalar materiales absorbentes del sonido. REFLEXION y ABSORCION DE LAS ONDAS SONORAS Las ondas sonoras viajan hacia fuera en todas direcciones a partir de la fuente. Cuando chocan con un obstáculo, como una pared, su dirección de propagación cambia; se reflejan. La Figura 4.1a ilustra la reflexión de las ondas originadas en una fuente sonora, al chocar contra un gran muro plano. Las líneas continuas curvadas representan ondas expandiéndose hacia fuera a partir de la fuente; las líneas curvas a trazos representan las ondas después de que se han reflejado en la pared. Las líneas rectas con flechas indican la dirección de propagación de las ondas sonoras (se denominan rayos sonoros). Nótese que aquí el ángulo del sonido reflejado es igual al ángulo del sonido incidente; se denomina ley de reflexión a este fenómeno. Esta ley sólo se aplica a la reflexión del sonido sobre una superficie que es grande comparada con la longitud de onda (ver Figura 1.4 para la relación entre frecuencia y 4.1

4.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO PARED

:;o IMAGEN

FUENTE

(a)

'" '"

PARED

PARED

PARED

~

--

0,3 m

-*-

/

",

.~

T

/

~,

t

/

-*-

1000 Hz

100 Hz (b)

"

T

0,3 m

0,3 m

-*10.000/ Hz

(e)

Id)

FIGURA 4.1. (a) Reflexión de las ondas sonoras sobre una superficie que es muy grande en comparación con la longitud de onda del sonido incidente. (b) Reflexión de un sonido con una frecuencia de 100 Hz (longitud de onda, 3,4 m) sobre una superficie plana con chaflanes que son pequeños comparados con la longitud de onda; en este caso, el sonido se refleja de una manera semejante a (a). (e) Reflexión del sonido que tiene una longitud de onda parecida al tamaño de los chaflanes; en este caso, el sonido es dispersado por los chaflanes en todas direcciones. (d) Reflexión del sonido cuya longitud de onda es muy pequeña comparada con el tamaño de los chaflanes; en este caso, la ley de reflexión es válida.

longitud de onda). Las ondas sonoras reflejadas se transmiten como si se hubieran originado a partir de la «imagen» de la fuente de sonido. Una «imagen» es una fuente imaginaria de sonido localizada a la misma distancia detrás de la pared que la fuente real delante de ella (a lo largo de una línea perpendicular dibujada entre la fuente y la pared). Si la superficie reflectante no es porosa y es perfectamente rígida, no hay pérdida de energía acústica por la reflexión. Entonces las ondas reflejadas producen el mismo nivel de presión sonora en un punto determinado que el que produciría la fuente imagen si el muro se retirara y tuviera la misma potencia sonora que la fuente real. Sin embargo, ninguna superficie física es un reflector perfecto; parte de la energía acústica siempre es absorbida por la superficie.

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

4.3

Si la superficie reflectante no es grande comparada con la longitud de onda del sonido incidente, no se mantiene la ley de la reflexión; entonces el ángulo de incidencia no es igual al ángulo de reflexión. Por ejemplo, la Figura 4.lb muestra una superficie muy grande con chaflanes, que distan 0,3 m (1 ft) entre sus centros. El sonido a una frecuencia de 100 Hz tiene una longitud de onda de 3,4 m (11 ft), que es grande comparada con las dimensiones de los chaflanes. Por tanto, las ondas sonoras se reflejan sobre la pared como si fuera lisa. Esto se debe a que las dimensiones de las irregularidades de la superficie son pequeñas comparadas con la longitud de onda. Por otra parte, el sonido a una frecuencia de 1000 Hz, que tiene una longitud de onda de 0,34 m (1,1 ft) no obedece a esta ley; las ondas sonoras son reflejadas en todas direcciones, como ilustra la Figura 4.lc. A una frecuencia de 10.000 Hz, el sonido tiene una longitud de onda de 0,034 m (0,11 ft); los chaflanes son grandes comparados con esta última, así la ley de la reflexión se mantiene para la reflexión, como ilustra la Figura 4.ld. Nótese la diferencia entre este último comportamiento de reflexión y el correspondiente a las ondas sonoras de 100 Hz en la Figura 4.lb.

ABSORCION DEL SONIDO POR LOS MATERIALES, EL MOBILIARIO YELAIRE

Coeficiente de absorción sonora

Se denomina coeficiente de absorción del sonido a la parte de la energía acústica absorbida cuando las ondas sonoras chocan con una superficie. El coeficiente de absorción de un material depende de éste y de la frecuencia del sonido que choca contra la superficie del material. Los coeficientes de absorción del sonido se consideran en detalle en el Capítulo 30. Un coeficiente de 0,00 indica una reflexión perfecta (O por 100 de absorción); un coeficiente de 1,00 indica una absorción perfecta (100 por 100). Los coeficientes de absorción del sonido para varios materiales de edificación se presentan en la Tabla 30.1. Las propiedades de absorción del sonido de un material dependen del ángulo con que la onda sonora incide sobre él, de manera que, por conveniencia, el coeficiente se presenta como un tipo de media de todos los ángulos de incidencia. El coeficiente de absorción del sonido que se usa a lo largo de este libro, y en la mayoría de las publicaciones, corresponde a valores medidos en laboratorio mediante un método de ensayo del que se obtiene esta media. Así, la American Society for Testing and Materials (ASTM) define la absorción del sonido como: «Una medida de las propiedades de absorción del sonido de un material (como la obtenida con el método ASTM C243, Ensayo de absorción y coeficientes de absorción del sonido mediante el método de la cámara reverberante). De forma ideal, la parte de la potencia sonora con incidencia aleatoria que es absorbida o en caso contrario que no es reflejada por el material.»

4.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Absorción sonora total en un local cerrado

La absorción total del sonido A en un local cerrado es igual a la suma de: (1) la absorción debida a las distintas superficies que la limitan, Asuperficie; (2) la absorción debida al aire, A aire ; Y (3) la absorción debida al mobiliario en la habitación, Amobi. liario' Con lo que la absorción total del sonido viene dada por:

A =

Asuperficie

+ A aire + Amobiliario

(4.1)

La unidad de absorción del sonido es el sabino. En unidades SI, 1 sabino métrico es equivalente a 1 m 2 de superficie perfectamente absorbente; en las unidades estadounidenses habituales, 1 sabino es equivalente a 1 ft 2 de superficie perfectamente absorbente. Por ejemplo, una superficie S de 10 m 2 con un coeficiente de absorción sonora ( l de 0,65, tiene una absorción total ( l de 6,5 sabinos métricos. Una superficie de 10 ft 2 , con un coeficiente de absorción sonora de 0,65, tiene una absorción total de 6,5 sabinos.

Superficie de absorción. Asuperficie se obtiene multiplicando el área de cada superficie del local, S, por su coeficiente respectivo de absorción sonora ( l y hallando el total para todas las superficies. Entonces, (4.2) La Tabla 4.1 presenta una muestra de cálculo de la absorción de la superficie en una habitación pequeña, sin mobiliario, a 500 Hz.

Absorción del aire.

A aire

viene dada por A aire

= 4mV

sabinos

(4.3)

donde m es el coeficiente de atenuación del aire por metro (o por pie) y V es el volumen de la habitación en m3 (o ft3). En la Figura 4.2 se presentan los valores de m en función de la humedad relativa! para varias frecuencias, a una temperatura de 20 oc. La Referencia 2 incluye información más detallada, en forma de tabla y para otras temperaturas. Al calcular la absorción del aire en interiores, no se deben emTABLA 4.1. vacía

Cálculo de la absorción de superficie, A.uperf, a 500 Hz en una habitación

Superficie Suelo de hormigón Techo de escayola Paredes, escayola y cristal Otros

Coeficiente de absorción 0,02 0,03 0,06

Absorción total

AreaS

Absorción Ab

2

rf

Sabinos métricos

Sabinos

90

968 968 1.356

1,8 2,7 7,6 0,9

19 29 82

13,0

140

m

90 126

10

4.5

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

0,09 0,026

/ """\

0,08

V

í

~ 0.D7

j

4í

E c::

0,05

/) '/

Q)

"O

1//

~ 0,04

NI

Q)

.¡:¡

'; o

0,01

""""'""'

r

0,022

1\

\

í

0,020

12,5 kHz

\

'\

/"'o

\

\

f\.

1\ '\

'"

20

Q)

E c::

-o .¡:¡ 0,016

""-

0,014

"" '" "" "'"

'" '"'-

~ l. '/ \1.4 \ V. V 1\1'" 1'.... "' " """" ['-....... ............ ' " ¡............ VI, b 1'\3í2"-... r-r---r¡ ~2:5 ....... ¡......... r-1-r-.... 2 O -í r-10

Ul

.c.

111 ::J

c::

8

"6,3

0,018

\\

10 \

rjl, ~5

0,03

0,02

---

¡//

111 ::J

U

\

/ /

E 0,06 -o .¡:¡ ~ 1ij

/

0,024

1\

"""" 1'--...

Q) Q)

0,012 E Q)

¡-.....

.¡:¡

1'---.. . .

0.Q10 -.............

............

r--

'"--

30 40 50 Humedad relativa, porcentaje

111

"O

60

:;= Q)

o

U

----

- - --- r--

~

0,008 0,006 0,004 0,002

70

FIGURA 4.2.

Valores del coeficiente total de atenuación m en función del porcentaje de humedad relativa del aire a 20 oC y presión atmosférica normal, para frecuencias entre 2000 y 12.500 Hz. Los valores de m se presentan tanto en unidades del SI como en las habituales del sistema estadounidense. (De acuerdo con C. M. Harris1.2.)

plear los valores de la constante de atenuación del aire m para propagación en exteriores (descrita en el capítulo 3), ya que los valores para esta última incluyen las contribuciones debidas a los efectos meteorológicos que no están presentes en locales cerrados. Ejemplo. Supongamos que una habitación tiene un volumen de 17.000 m 3 (600.000 ft 3 ). ¿Cuál es la absorción total del aire a una frecuencia de 4000 Hz y una humedad relativa del 40 por lOO? Para esta situación, el valor m es igual a 0,0072 por metro (0,0022 por pie). Por tanto, a partir de la Ecuación (4.3), la absorción del aire A aire es aproximadamente igual a 490 sabinos métricos (5300 sabinos). Por otra parte, si se hiciera un cálculo semejante a 500 o 1000 Hz, el efecto de la absorción del aire sería insignificante.

Absorción debida al mobiliario.

En muchos lugares de reunión, la principal con-

4.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tribución a esta categoría es la absorción del sonido por las sillas, Asilla. Esta suele medirse, y los datos son aportados por los fabricantes de las mismas, en términos de absorción en sabinos métricos (o sabinos) por silla, dependiendo del sistema de unidades empleado. Habitualmente se presentan dos valores: (1) la absorción del sonido por silla ocupada, v.g., con una persona sentada, y (2) por silla vacía. El uso de estos valores permite el cálculo de la absorción total del sonido en un auditorio para cualquier porcentaje de ocupación. REFLEXIONES MULTIPLES DEL SONIDO EN UN LOCAL CERRADO Consideremos un local cerrado, del tipo de una habitación rectangular, que contenga una fuente de sonido. Los límites del cerramiento suelen reflejar parte de la energía sonora que incide sobre ellos, dando como resultado una complicada distribución espacial de sonido dentro de la habitación. La Figura 4.3 ilustra el progreso de una onda sonora en un local cerrado. Estos diagramas muestran en planta una habitación con paredes reflectante s, dentro de la cual se localiza una fuente de sonido. El círculo oscuro representa (el frente de) una única onda sonora; las líneas de puntos y flechas (los rayos sonoros) indican las direcciones en que se desplaza la onda. La Figura 4.3a muestra el frente de onda 0,005 segundos después de que ha dejado la fuente S; todavía no han tenido lugar las reflexiones de las paredes. La figura 4.3b muestra el frente de onda 0,01 segundos después de que ha dejado la fuente; el frente ahora ha recorrido el doble de distancia que en la Figura 4.3a y parte de él se refleja en el extremo más próximo del muro. La Figura 4.3c muestra el frente de onda 0,02 segundos después de haber dejado la fuente; tienen lugar las reflexiones sobre las paredes laterales y las reflexiones dobles sobre la pared del fondo y las laterales, como muestran las flechas. La Figura 4.3d muestra el frente de onda 0,06 segundos después de dejar la fuente; ahora el patrón de reflexión es complicado. El frente original, mostrado como un círculo, se rompe en gran número de segmentos, todos moviéndose por la habitación en distintas direcciones. Además, quedan segmentos del frente de onda original, que no se muestran en esta ilustración, reflejados por el techo y el suelo. Una vez que la fuente empieza a emitir el sonido, toda la habitación comienza a llenarse con ondas sonoras reflejadas viajando en muchas direcciones distintas. Estas ondas reflejadas: (1) aumentan el nivel de presión sonora dentro del cerramiento; v.g., el nivel de presión sonora combinado del sonido directo más el reflejado es mucho más alto que el nivel del sonido que proviene directamente de la fuente; y

(a)

1/200 5e9.

FIGURA 4.3.

(b)

1/100 5e9.

(e)

1/50 5e9.

(d)

1/17 5e9.

Progreso de una única onda sonora en un local cerrado.

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

4.7

(2) da como resultado una persistencia del sonido después de que la fuente ha cesado; esto se debe a que mientras la fuente de sonido está irradiando (ver Figura 4.3), la habitación se llena de ondas sonoras reflejadas. Si la fuente para en un momento determinado, estas ondas reflejadas continúan reflejándose sobre las superficies de la habitación. En cada reflexión sucesiva, los límites de la habitación y los objetos de su interior absorben una parte de energía sonora, con lo que el nivel de presión sonora disminuye gradualmente. Los efectos anteriores de las reflexiones múltiples se ilustran mediante las curvas idealizadas de la Figura 4.4, que muestra el nivel de presión sonora del sonido reflejado [ver a continuación «Nivel de presión sonora del sonido reflejado (nivel sonoro reflejado)>>] en un local cerrado en que la fuente se activa y luego se para. Se asume que, por lo demás, el local está en silencio y que la potencia sonora de la fuente es constante. La línea continua es para el caso de superficies interiores muy reflectantes; en este ejemplo, el nivel de presión sonora aumenta hasta un valor de 80 dB después de que comience el sonido y decae lentamente una vez que ha cesado. La línea a trazos muestra el efecto del tratamiento del mismo local con material acústico; ahora, el nivel de presión sonora alcanza un valor de tan sólo 70 dB Ydecae más rápidamente. En general, la instalación de materiales absorbentes del sonido reduce el nivel de presión sonora de las ondas reflejadas (reduciendo por tanto el nivel sonoro estable en la habitación cuando la fuente emite continuamente una determinada potencia acústica); estos materiales absorbentes también aumentan la «ratio» a la que disminuye el sonido reflejado una vez que la fuente ha cesado.

NIVEL DE PRESION SONORA DEL SONIDO DIRECTO (NIVEL SONORO DIRECTO)

El sonido directo es aquel que se transmite directamente de la fuente al punto de observación; no hay reflexión del sonido, luego no se ve afectado por las características de la habitación en que se encuentre la fuente. De ahí que el nivel de presión sonora del sonido directo (Ld ) tenga el mismo valor a una distancia determinada r

c,g'"

80 ,----;0<------.------,

'0 al

:e

'¡¡; ~ ~ 70 I---+....,,¡....-~-'-r----;

c'-o

~~ ~ m ,~

60~ft--.~--+~-~

O

Z~50

O

1

2

Tiempo en segundos

FIGURA 4.4

Progreso de una única onda sonora en un local cerrado.

4.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que el que tendría al aire libre, alejado de cualquier superficie reflectante; ver la Ecuación (1.10). En unidades SI:

Ld

= Lw -

20 10glO r - 10,9

dB

(4.4a)

donde r es la distancia desde la fuente en metros y Lw es el nivel de potencia sonora de la fuente en decibelios re 1 picovatio (pW). En el sistema habitual de unidades estadounidense:

Ld

=

Lw - 20 10glO r - 0,6

dB

(4.4b)

donde r es la distancia desde la fuente en pies; Lw es el mismo que en la Ecuación (4.4a). El nivel de potencia sonora de una fuente se relaciona con su potencia sonora, en vatios, mediante la Ecuación (1.6).

CORRECCION DEL NIVEL DE POTENCIA SONORA PARA UNA FUENTE LOCALIZADA CERCA DE UNA SUPERFICIE REFLECTANTE Una fuente sonora típica es más eficaz (en la producción de nivel sonoro a cierta distancia) cuando está sobre una superficie reflectante que cuando está localizada a cierta distancia (al menos 1 m) de ella. Por tanto, al calcular los niveles sonoros en un local, es necesario tenerlo en cuenta corrigiendo el nivel de potencia sonora de la fuente en función de su localización. Para una fuente situada a más de 1 m de cualquier superficie reflectante, no suele hacer falta corrección; para una fuente localizada sobre una superficie plana perfectamente reflectante, añada 3 dB; para una fuente situada en la intersección de dos de estas superficies planas (como donde se unen el suelo y la pared), añada 6 dB; para una fuente localizada en la intersección . de tres superficies (como en una esquina), añada 9 dB. Estos valores son aproximados, pero son habituales en los cómputos técnicos.

Ejemplo.

Consideremos un difusor de aire como fuente de sonido. Este está situado a 2 m del techo; su nivel de potencia sonora es 100 dB re 1 picovatio (pW). El nivel de presión sonora del sonido directo a una distancia de 3 m (10 ft) para esta fuente, a partir de la Ecuación (4.4a), es

Ld = 100 - 20 10glO (3) - 10,9 = 79,6 dB Se obtiene el mismo valor sustituyendo una distancia de 10 ft en la Ecuación (4.4b). Si la misma fuente se encuentra al nivel del techo, hay que añadir una corrección de 3 dB al nivel de potencia sonora, de manera que el valor de Ld sería 82,6; si está localizada en la intersección entre el techo y la pared, hay que añadir 6 dB, de forma que el valor de Ld sería 85,6 dB; si la fuente se encuentra en una esquina de la habitación, hay que añadir 9 dB, así el valor de Ld sería 88,6 dB.

4.9

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

REVERBERACION Si los oyentes están en un local cerrado, las ondas reflejadas llegan a sus oídos en una sucesión tan rápida que habitualmente no se oyen como repeticiones distintas del sonido original. En lugar de ello, los receptores oyen el sonido original, prolongado después de que la fuente ha cesado, hasta que se reduce el sonido hasta la inaudibilidad. Esta prolongación del sonido después de que la fuente ha cesado se denomina reverberación.

Tiempo de reverberación

La reverberación influye en el nivel sonoro en un local cerrado. El tiempo de reverberación, para una frecuencia determinada, es el número de segundos que tarda en descender 60 dB el nivel medio de presión sonora en un local cerrado (originalmente en un estado estable) después de que la fuente ha cesado. Por ejemplo, la reverberación en la figura 4.5 es 1,8 segundos. En un local en que predominen las condiciones difusas, el tiempo de reverberación T 60 es aproximadamente V

= 0,161 ¡

T60

(4.5a)

segundos

donde Ves el volumen de la habitación en metros cúbicos y A es la absorción total del sonido en la habitación en sabinos métricos. En el sistema habitual de EE.UU.: V T60 = 0,059¡

segundos

(4.5b)

donde V es el volumen en pies cúbicos y A es la absorción en sabinos. 80

~

\

f! c; '"

(/1

'o.Q~

'¡¡; a¡ ~:e

o.

ál

"O "Oc: Q)

-

70

~

:\

~

VJ

~ 60

"V, h

I'\..l\

o

u

~

Q)'-

.~ ~

E 50

zoo C;N

'\..,\

o(/1

v

~"

1.0

1.2

40

o

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo en segundos

FIGURA 4.5. Registro de alta velocidad mostrando cómo decae el nivel de presión sonora en una habitación con el tiempo.

4.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

La tasa de descenso, tasa media a que el nivel sonoro reverberante (reflejado) desciende después de que la fuente ha parado, viene dada por Tasa de descenso

= 60/T60

dB/segundo

(4.6)

Por ejemplo, la tasa de descenso en la Figura 4.5 es de 33,3 dB/segundo. La Ecuación (4.5) indica que el sonido reverberante en un local de un tamaño determinado desciende más rápidamente si la absorción aumenta dentro de ella, por ejemplo, mediante la adición de material acústico.

NIVEL DE PRESION SONORA DEL SONIDO REFLEJADO (NIVEL SONORO REFLEJADO) El sonido reflejado en cualquier punto en un local incluye las contribuciones de las reflexiones sobre todos los cerramientos del local; no incluye el sonido que se transmite directamente desde la fuente hasta el punto, de manera que es relativamente independiente de la distancia de la fuente. El nivel del sonido reflejado sólo depende de las características acústicas de la habitación y, en cierta medida (como se indica a continuación), de las características de la fuente. En general, el nivel de presión sonora reflejado es bastante uniforme en todo el local para una fuente de sonido estable si: (1) el local tiene proporciones regulares; v.g., la dimensión mayor del suelo no es superior a 5 veces la altura del techo; (2) el coeficiente de absorción media de la habitación es pequeño, menos de 0,3; (3) los cerramientos del local son irregulares; y (4) la fuente no contiene fuertes componentes discretos de frecuencia. Si el nivel de presión sonora es bastante uniforme en todo el local, se dice que el sonido es difuso. El sonido en un local es perfectamente difuso si las ondas sonoras reflejadas viajan en todas direcciones con igual probabilidad. Bajo estas condiciones, el nivel de presión sonora es igual en todo el local, salvo cerca de los cerramientos. Si la fuente tiene un nivel de potencia sonora Lw [expresado en decibelios re 1 picovatio (pW)], el nivel medio de presión sonora del sonido reflejado (nivel sonoro reflejado' L,) en un local cerrado viene dado por la siguiente ecuación si la fuente ha estado funcionando el tiempo suficiente como para que se haya alcanzado un nivel sonoro estable:

L, = Lw - 10 IOgloA + 6,0

dB

(4.7a)

donde A es la absorción total en sabinos métricos .

• A veces se denomina nivel sonoro reverberante, pero el término sonido reverberante implica un sonido que está decayendo; por otra parte, el sonido reflejado, por ejemplo, puede estar descendiendo o ser estable.

4.11

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

En el sistema habitual de EE.UU.,

Lr = Lw - 10glOA + 16,3

(4.7b)

dB

donde A es la absorción total en sabinos. Esta ecuación sólo se aplica cuando Ln el nivel de presión sonora del sonido reflejado, es uniforme en todo el local, por ejemplo, bajo las condiciones especificadas. De acuerdo con la ecuación anterior, Lr es independiente de la distancia de la fuente.

Ejemplo.

Supongamos que la fuente considerada anteriormente, con un nivel de presión sonora Lw igual a 100 dB, se coloca en una habitación con una absorción total A = 20 sabinos métricos, en la que existen condiciones difusas. Entonces, el nivel sonoro reflejado Lr viene dado por

Lr = 100 - 10 10glO 20 + 6,0 = 93,0 dB Relación entre el nivel sonoro reflejado con la absorción del local

De acuerdo con la Ecuación (4.7), el nivel sonoro reflejado debido a una fuente de determinada potencia sonora se reduce a medida que aumenta la absorción en el 10cal. Esta reducción del nivel de presión sonora del sonido reflejado en un local en el que prevalecen las condiciones difusas viene dado por Nivel de reducción = 10 10glO (Aa/A b )

dB

(4.8)

donde Ab es la absorción total del sonido antes del tratamiento en sabinos y Aa es la de después del tratamiento. Esta relación se muestra gráficamente en la Figura 4.6. Cuanto menor es la absorción en el local antes del tratamiento, mayor es la reducción que se puede obtener con determinado tratamiento. Por ejemplo, si la absorción total del sonido después del tratamiento, Aa, es cuatro veces superior a su valor antes del tratamiento, A b , hay una disminución de 6 dB en el nivel del sonido reflejado. Pueden obtenerse reducciones muy grandes en habitaciones relativamente vacías cubriendo todas las superficies, incluido el suelo, con materiales que tengan un coeficiente de absorción del sonido igualo superior a 0,90. [Nota: se producirán reducciones inferiores a las indicadas en la Ecuación (4.8) Reducción en decibelios

O

I

1

I

,

2

3

4

I

I

2

5 I

3

I

6 I I 4

8

7

I

, I 5

I

I

10 9 , ¡ , I 1"1 ,1 I,

6

7

8 9 10

11

12

I , I I I I I

15

Relación de absorción AjAb

FIGURA 4.6. Reducción del nivel de presión sonora del sonido reflejado en un local de proporciones regulares en que predominan las condiciones difusas, debido a un aumento en la absorción total desde Ab hasta A B •

4.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

si el tratamiento se aplica sólo a un techo muy alto de una habitación o si prevalecen las condiciones no difusas.]

Ejemplo. Supongamos una oficina, de 6 m X 15 m X 3 m de altura, que tiene superficies y muebles interiores reflectores convencionales del sonido. Calcular el efecto del tratamiento acústico del techo en la reducción del nivel sonoro reflejado. En primer lugar se determina la absorción total Ab en la habitación antes del tratamiento como muestra la Tabla 4.1. Ahora, si se trata toda la superficie del techo con un material que tiene un coeficiente de absorción de 0,70 (cubriendo una superficie de escayola que tiene un coeficiente de absorción de 0,03), el coeficiente de absorción neto añadido por el tratamiento es (0,70 - 0,03) = 0,67. La absorción añadida a la habitación es, por tanto, 90 m2 X 0,67 = 60,3 sabinos métricos (649 sabinos en el sistema habitual de unidades estadounidense). Por tanto, la absorción total después del tratamiento es Aa = (13,0 + 60,3) = 73,3 sabinos métricos (789 sabinos en el sistema habitual de unidades estadounidense). A partir de la Ecuación (4.8), la reducción en el nivel sonoro reflejado resultado del tratamiento acústico del techo (calculado en unidades métricas) es aproximadamente Nivel de reducción

= 10 10glO (Aa/A b ) = 10 10glO (73,3/13,0) = 7,5

dB

Se obtiene este mismo valor si la proporción de la absorción se expresa en el sistema habitual de unidades estadounidense; entonces el nivel de reducción = 10 10glO (789/140) = 7,5 dB. Reducción del nivel sonoro reflejado en función de la frecuencia; reducción del nivel sonoro con ponderación A

El procedimiento para calcular la reducción del nivel sonoro reflejado (con ponderación A) que resulta de la instalación de material absorbente del sonido en un local es el siguiente: 1. Se determina el nivel de presión sonora en cada banda de octava (los niveles de presión sonora de banda de octava) del nivel sonoro reflejado antes del tratamiento. 2. Se efectúa el ajuste para la ponderación A (ver Tabla 1.2); luego se calculan los niveles de banda de octava con ponderación A antes del tratamiento. 3. Se calcula la reducción en nivel de cada banda de octava a partir de la Ecuación (4.8), usando el valor del coeficiente de absorción del sonido para la frecuencia central de cada banda. 4. Se calculan los niveles de banda de octava con ponderación A después del tratamiento. 5. Se combinan los niveles de banda de octava con ponderación A (usando la Figura 1.14) para obtener los niveles sonoros con ponderación A en dB(A) antes y después del tratamiento. 6. La diferencia entre los niveles sonoros del Paso 5 representa la reducción en el nivel sonoro con ponderación A en dB(A).

4.13

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

TABLA 4.2. Muestra del cálculo de la reducción en un local cerrado mediante tratamiento acústico

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Nivel de banda de octava antes del tratamiento, dB

Corrección por ponderación A,dB

Nivel de banda de octava con ponderación A antes del tratamiento, dB

125 250 500 1000 2000 4000

83 81 79 77 75 72

-16,1 -8,6 -3,2 O 1,2 1,0

66,9 72,4 75,8 77,0 76,2 73,0

Reducción en nivel de banda de octava producido por el tratamiento, dB

Nivel de banda de octava con ponderación A después del tratamiento, dB

-2,6 -5,8 -8,7 -8,9 -8,5 -7,9

64,3 66,6 67,1 68,1 67,7 65,1

Nivel sonoro con ponderación A después del tratamiento: 74,4 dB(A)

Nivel sonoro con ponderación A antes del tratamiento: 82,3 dB(A)

Ejemplo. Supongamos que el ruido en una habitación tiene los niveles de banda de octava que muestra la Tabla 4.2 y que el nivel sonoro con ponderación A para este espectro de frecuencias es 82,3 dB(A). Por simplificación, en este ejemplo se asume que el coeficiente medio de absorción del sonido es de 0,05 para todas las frecuencias. La habitación es tratada cubriendo el 40 por 100 de su superficie con material acústico de 2,5 cm (1 in) de grosor, con los siguientes coeficientes de absorción del sonido: Frecuencia, Hz Coeficiente de absorción

125 0,15

250 0,40

500 0,85

1000 0,90

2000 0,80

4000 0,70

La Tabla 4.2 muestra los valores calculados de la reducción del nivel del sonido reflejado para cada banda de octava. La reducción calculada del nivel sonoro con ponderación A es (82,3 - 74,4) = 7,9 dB(A). En este ejemplo, se asume que las contribuciones al nivel sonoro con ponderación A de otras frecuencias centrales son insignificantes.

MAGNITUD DEL TRATAMIENTO DE ABSORCION REQUERIDO La cantidad de absorción adicional de sonido precisa para un control satisfactorio del ruido en un local cerrado se determina de la siguiente manera: 1. Se calculan los niveles de ruido existentes. 2. Se calculan los niveles de ruido aceptables; véase Tabla 43.1.

4.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3. Se restan los niveles sonoros aceptables de los niveles sonoros existentes para obtener el nivel de reducción preciso. 4. A partir de la Ecuación (4.8), se determina la cantidad de absorción que hay que añadir para lograr la reducción precisa en el nivel sonoro reflejado. En ausencia de la información precisa para usar el procedimiento previo, se puede usar la siguiente regla empírica: la absorción total en una habitación debe ser igual numéricamente a entre el 20 y el 50 por 100 del área total de la superficie de una habitación. En general, la parte inferior de este rango es adecuada para locales con techos bajos o que contengan fuentes de potencia sonora moderada, y la parte superior del rango, para todas las demás condiciones. Para producir una reducción apreciable en el nivel de ruido de un local, la relación entre la absorción después del tratamiento y la absorción antes del tratamiento ha de estar entre 3 y 10; una relación de 3 es aproximadamente la mínima requerida para que la reducción del nivel de ruido sea reconocida por el oído, en condiciones medias. En una habitación con paredes duras y muy altas y techo absorbente del sonido, el incremento de absorción del sonido en las paredes suele ser de gran ayuda. La aplicación del procedimiento anterior (para determinar la cantidad de absorción que hay que añadir a una habitación para lograr la reducción del ruido requerida) está estrictamente limitada a locales en que prevalezcan condiciones difusas. En un local con una cantidad moderada de absorción, la adición de más material absorbente puede no dar como resultado una reducción significativa del nivel de sonido reflejado. Sin embargo, en habitaciones normales en que no predominan las condiciones difusas, los ocupantes suelen informar de que el aumento de absorción es beneficioso, incluso cuando éste no dé como resultado una reducción significativa del nivel sonoro reflejado. Esto puede explicarse por el hecho de que la absorción adicional: (1) puede reducir significativamente las reflexiones iniciales del sonido que oyen los ocupantes y (2) puede mejorar la habilidad de los ocupantes para localizar sonidos dentro de la habitación.

NIVEL SONORO DIRECTO MAS NIVEL SONORO REFLEJADO El nivel de presión sonora Lp que resulta de la combinación total del nivel sonoro directo y el nivel sonoro reflejado (el nivel sonoro directo más reflejado o nivel sonoro total) se calcula a partir de los niveles Ld y L" que se encuentran en las Ecuaciones (4.4) y (4.7), combinándolos mediante el uso de la Figura 1.14.

Nivel de potencia sonora menos nivel de presión sonora (Lw - Lp) para condiciones difusas

La Figura 4.7 muestra una gráfica del nivel de potencia sonora de la fuente, L w , menos el nivel total de (presión) sonora, L p , en función de la distancia r a la fuente. Se muestran curvas para varios valores de absorción del local. Como se indicó en una sección anterior, «Corrección del nivel de potencia sonora para una fuente locali-

4.15

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

5 ul

.2 Cii

e

10 15

'~

~ 20 ~ 4í 25 c: E al c: 30 35

..J

40 45

-

rC'~o

1

2

-5

O

ul

= 5 .2Cii =10 .o.~.~ =15 -c o-

100 200 ~ -....; :-500 .... .... 1000 ~ ;::2000 5000 -= .... 10.000 := ........ 8 0 1 I D/,i ~/Do

---:::--

-"al

"1 . .

1 Absorción t ptal A .......... 150 -¡;;

:---

. . ..

II

4 6 8 10 20 40 60 Distancia de la fuente r

20 ~ ~ 25 :} .... I

30

..J

35

100

FIGURA 4.7.

Gráfico para convertir el nivel de potencia sonora Lw [re 1 picovatio (1 pW)] en nivel total de presión sonora Lp• (Lw - Lp) se registra en función de la distancia de la fuente en unidades (a) SI y (b) sistema habitual de EE.UU. Nótese que hay que añadir una corrección al nivel de potencia sonora de la fuente cuando está cerca de una superficie reflectante (véase «Corrección del nivel de potencia sonora para fuentes localizadas cerca de una superficie reflectante))).

zada cerca de una superficie reflectante», hace falta una corrección para una fuente localizada sobre o cerca de una superficie reflectante. Las curvas muestran que, en un punto cercano a la fuente, el nivel sonoro directo contribuye con el mayor componente al nivel sonoro total. A medida que nos alejamos de la fuente, la importancia relativa del nivel sonoro directo decrece; entonces, el nivel de presión sonora total decrece, acercándose al valor del nivel sonoro reflejado. Las curvas sólo se aplican cuando prevalecen en el local las condiciones difusas. En una habitación normal, éste no suele ser el caso, por lo que los valores aportados por las curvas de la Figura 4.7 son, en el mejor de los casos, aproximaciones. Por ejemplo, la Figura 4.8 muestra el nivel de presión sonora (medido en una oficina) en función de la distancia de la fuente. Cuando la fuente produce un tono puro de 1000 Hz, la curva de nivel de presión sonora en función de la distancia exhibe marcadas irregularidades; para una octava de ruido centrada en 850 Hz, al aumentar la distancia de la fuente, el nivel de presión sonora de la banda de octava muestra un descenso mucho más suave. Sin embargo, los valores medidos no son los mismos que los obtenidos mediante las curvas derivadas teóricamente de la Figura 4.7 porque las condiciones difusas no prevalecen. Calcular el nivel sonoro directo Ld y el nivel sonoro reflejado Lr a dos distancias del terminal de un aparato de aire: (1) en un punto cercano, a 1 m de la fuente, y (2) en un punto a 8 m de ella; los niveles de potencia sonora en bandas de octava de la fuente se muestran en la Tabla 4.3. Estos valores de la absorción total de la habitación para cada frecuencia se muestran en la Tabla 4.3. En estos cálculos, se asume que el terminal del aparato de aire cuelga hacia abajo desde el techo a suficiente distancia como para que sea necesaria una corrección de los efectos de una superficie reflectante cerca de la fuente. Las características direccionales de la fuente, si las hay, son insignificantes. El valor Ld se obtiene a partir de la Ecuación (4.4) Yel valor Lr se obtiene de la Ejemplo.

4.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO 00

o

80r---,----,----,----,---,r---,----,----,----,---,

::::; w

Q 70~--~~-+----+---~--~~--+----+----~---r--~ w o z

~ 60~--~---+--~~~~~~~~+-_7~--+_~~-r~~

a:

o z

~ 50~--~---T--~T----r~--r---~~-+~--r-~~--~ -' w

>

Z 40

0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

DISTANCIA EN PIES

FIGURA 4.8. Nivel de presión sonora en función de la distancia de una fuente de sonido; estas medidas fueron tomadas en una oficina típica para dos fuentes distintas: (a) un tono puro de 1000 Hz y (b) una banda de octava de ruido blanco con una frecuencia central de 850 Hz. Nótese que estas curvas se apartan significativamente de las de la Figura 4.6 debido a la falta de condiciones difusas en la habitación. (V. O. Knudsen y C. M. Harris'l.)

Ecuación (4.7); el valor combinado de Ld y Lr (v.g., Lp) se obtiene mediante la Figura 1.14.

Efecto de la absorción sobre el nivel sonoro total Lr Supongamos que se añade material absorbente a la habitación. Dado que el nivel combinado de los sonido directo y reflejado depende tanto de la absorción total de la habitación como de la distancia a la fuente, la reducción del nivel sonoro total Lp, debida a la absorción añadida, depende no sólo del aumento de ésta, sino también de la distancia a la fuente. Como muestra la Figura 4.7, la reducción del nivel sonoro total en puntos lejanos respecto a la fuente es la misma que la reducción del nivel sonoro reflejado obtenido en la Ecuación (4.8). Por ejemplo, si la absorción total de la habitación A aumenta de 50 a 200 sabinos, la reducción del nivel sonoro total para distancias largas desde la fuente es 6 dB; cerca de la fuente, la reducción correspondiente del nivel sonoro es mucho menor. Como regla general, cuanto mayor es la absorción total en una habitación, mayor es la distancia de la fuente a la que determinado aumento de la absorción es totalmente eficaz en la reducción del nivel sonoro total. Fuentes de ruido múltiples. Supongamos que en un local cerrado, en lugar de una fuente única como hemos considerado anteriormente, hay varias fuentes de ruido. Asumimos que predominan condiciones esencialmente difusas, de manera que el nivel de presión sonora del sonido reflejado es el mismo en todo el local; bajo estas condiciones, el nivel sonoro reflejado tiene el valor dado por la Ecuación (4.7), teniendo en cuenta que Lw es el nivel de potencia sonora total de todas las fuentes. Por ejemplo, si hay n fuentes de ruido de igual potencia sonora, su nivel combinado de potencia sonora es (10 10glO n) dB más alto que el nivel de una fuente única; Aumento del nivel potencia sonora

= (10 10glO n)

dB

(4.9)

4.17

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

TABLA 4.3. Cálculo de los niveles sonoros producidos por una fuente de ruido en un local cerrado

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Niveles de potencia sonora de banda de octava de la fuente dB re 1 picovatio

Absorción total en el local, sabinos métricos

125 250 500 1000 2000 4000

45 56 50 50 48 43

100 250 450 500 450 400

Niveles de presión sonora globales

Niveles de presión sonora en bandas de octava, a 1 m de la fuente, dB

Niveles de presión sonora en banda de octava, a 8 m de la fuente, dB

Ld

Lr

Lp

Ld

Lr

Lp

34,1 45,1 39,1 39,1 37,1 32,1

31,0 38,0 29,5 29,0 27,5 23,0

35,8 45,9 39,6 39,5 37,5 32,6

16,1 27,1 21,1 21,1 19,1 14,1

31,0 38,0 29,5 29,0 27,5 23,0

31,1 38,3 30,1 29,6 28,1 23,5

29,6 40,0 40,3

47,6 40,0 48,3

Por ejemplo, el aumento del nivel reflejado de presión sonora debido a cuatro máquinas en una habitación es 6 dB mayor que el nivel reflejado de presión sonora debido a una sola máquina. El nivel sonoro total en cualquier punto de una habitación puede calcularse, si se conocen la potencia y la distancia de cada fuente, de la siguiente manera. Se calcula primero el nivel sonoro directo para cada una de ellas, en el punto de observación, mediante la Ecuación (4.4); se combinan estos niveles de acuerdo con la Figura 1.14. Se calcula luego el nivel sonoro reflejado debido a todas las fuentes mediante la Ecuación (4.4). Por último, se combinan los niveles sonoros directo y reflejado, mediante la Figura 1.14, para obtener el nivel sonoro directo más el reflejado (el nivel sonoro de presión total), Lp-

Ejemplo. Supongamos que hay siete fuentes de ruido en una habitación, cada una de ellas con un nivel de potencia sonora de 100 dB re 1 picovatio (1 pW es una potencia sonora de 0,01 vatios), que están a 2, 3, 4, 5, 6, 7 Y8 metros de distancia de un punto de observación. Calcular el nivel de presión sonora total (el nivel del sonido directo más el reflejado) para dos condiciones: (1) la absorción de la habitación es 10 sabinos métricos (108 sabinos) y (2) la absorción aumenta a 100 sabinos métricos (1076 sabinos). A partir de la Ecuación (4.4), el nivel sonoro directo para cada fuente es Distancia, m Nivel sonoro directo, dB

2

3

4

83,1

79,6

77,1

5 75,1

6 73,6

7 72,2

8 71,1

De acuerdo con la Figura 1.14, el nivel sonoro directo que resulta de las siete fuentes es 86,4 dB. De acuerdo con la Ecuación (4.9), si hay siete fuentes de igual potencia, su nivel total de potencia sonora; es (10 10glO 7) = 8,5 dB más alto que una de estas fuentes. Por tanto, el nivel sonoro de potencia total Lw = 108,5 dB. A partir de la Ecuación

4.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(4.7), se sigue que para una absorción de 10 sabinos métricos el nivel sonoro reflejado (debido a las siete fuentes) es igual a (108,5 - 10 + 6) = 104,5 dB. De acuerdo con la Figura 1.14, los valores combinados del nivel sonoro directo de 86,4 dB yel nivel sonoro reflejado de 104,5 dB conducen a un nivel sonoro total de 104,6 dB. Si la absorción A aumenta de 10 a 80 sabinos, el nivel sonoro directo sigue siendo el mismo, pero, de acuerdo con la Figura 4.6, el nivel sonoro reflejado se reduce en 9 dB, obteniéndose un valor de 95,5 dB. Entonces, el nivel sonoro total es 96 dB, habiéndose obtenido una reducción de 104,6 - 96,0 = 8,6 dB. En este ejemplo, el nivel de potencia sonora de 100 dB re 1 picovatio para cada fuente se ha elegido arbitrariamente. Para cualquier otro nivel de potencia sonora, los niveles de presión sonora aumentarían o descenderían de forma acorde, pero la reducción calculada sería la misma. Nótese que esta reducción de 8,6 dB sólo se produce en una posición concreta seleccionada. En un punto más próximo a las fuentes, la reducción sería menor; en puntos más distantes, la reducción sería mayor, acercándose a 9 dB como límite (la reducción en el nivel sonoro reflejado). Nivel de potencia sonora menos nivel de presión sonora (Lw - Lp) para condiciones no difusas en una local cerrado

Las Ecuaciones (4.5), (4.7) Y(4.8) se basan en el supuesto de que el sonido en un local es perfectamente difuso. La razón para este supuesto es hacer posible la utilización de fórmulas técnicas simples y útiles. Una buena difusión en una habitación está provocada por irregularidades en sus superficies u objetos (como el mobiliario) que ayudan a la dispersión del sonido que choca con ellas; estas irregularidades son más eficaces cuando los agentes de dispersión tienen dimensiones entre 1/2 y 1 vez la longitud de onda completa. En la práctica, sobre todo debido a la falta de una irregularidad adecuada en las superficies del local, las condiciones difusas no predominan. Como resultado, los valores medidos para los niveles de presión sonora en función de la distancia no suelen concordar con las curvas graduales que muestra la Figura 4.7. En un local no se produce buena difusión: (1) si una de sus dimensiones es 5 veces mayor que otra o las otras dos dimensiones, como ocurre con oficinas muy grandes de techo bajo, o en un pasillo; (2) si la forma es inusual, como una iglesia cruciforme o un auditorio con grandes palcos suspendidos; o (3) si el sonido tiene uno o más componentes muy fuertes de frecuencias discretas. En general el descenso del nivel de presión sonora es razonablemente gradual para una banda de ruido, pero para una fuente sonora de frecuencia discreta, el descenso del nivel de presión sonora en función de la distancia está marcado por múltiples máximos y mínimos que resultan de las ondas que permanecen en la habitación (véase Figura 4.8). Para condiciones no difusas, el nivel de potencia sonora menos el nivel de presión sonora (Lw - Lp) es muy dependiente de las condiciones reales, pero la siguiente relación empírica ofrece una aproximación razonable (dentro de un rango de 2 dB) siempre que: (1) haya alguna dispersión y la absorción esté concentrada fundamentalmente sobre una superficie, como un techo absorbente del sonido o un suelo alfombrado; (2) las proporciones de la habitación sean razonablemente regulares (un ejemplo de un caso en que no lo son se comenta a continuación); (3) la

4.19

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

altura del techo está entre 2,5 y 3,5 m (8 y 12 ft); Y (4) no hay componentes de frecuencias discretas fuertes en el espectro de la fuente de ruid04 :

Lw - Lp

= 510g lO V + 310glO ! + 10 10glO r

- 12

dB

(4. lOa)

donde Ves el volumen de la habitación en metros cúbicos,! es la frecuencia en herzios y r es la distancia de la fuente en metros. La ecuación correspondiente en el sistema habitual de Estados Unidos es

Lw - Lp

= 510glO V + 310glO ! + 10 logro r -

25

dB

(4.lOb)

donde Ves el volumen de la habitación en pies cúbicos,! es la frecuencia en herzios y r es la distancia de la fuente en pies. Nótese que el valor de (Lw - Lp) desciende 3 dB cada vez que se duplica la distancia de la fuente. Esto contrasta con el descenso del valor de (Lw - Lp) al aumentar la distancia de la fuente en una habitación en que el sonido es difuso; en estas condiciones, como muestra la Figura 4.7, el descenso en el nivel es de 6 dB cada vez que se duplica la distancia de la fuente, con lo que se acerca a un valor constante que depende de la absorción total del sonido de la habitación. Por ejemplo, los datos que muestra la Figura 4.8 fueron obtenidos para una fuente puntual en una oficina rectangular en que no había condiciones difusas. Los datos para una banda de ruido muestran un descenso de 3 dB en el nivel de presión sonora al duplicar la distancia, de 5 ft a 10 ft, el valor predicho por la Ecuación (4.10).

Fuentes múltiples en un local ce"ado.

Un caso de particular importancia de un local en el que la difusión no es buena es aquel en que hay fuentes múltiples de sonido en el techo. Esta es la situación que encontramos en muchos edificios de oficinas, donde múltiples difusores de aire están empotrados en el techo. Para estas condiciones, los datos empíricos muestran que la Ecuación (4.10) predice niveles de ruido dentro de un margen de error de unos 2 dB, siempre que el volumen Ven esta ecuación se tome como el volumen de espacio servido por un solo difusor de aire.

Efectos de los componentes de frecuencias discretas en el ruido

La teoría en que se basan las fórmulas de campo difuso no considera la resonancia de la habitación o las ondas en ella; se asume que el campo sonoro es perfectamente difuso. Cuando la fuente tiene componentes discretos de frecuencia, hay comportamientos distintos del nivel de presión sonora; máximo en algunos lugares, mínimo en otros, como resultado de la adición de ondas reflejadas en algunos lugares y compensación en otros5 • Este efecto, ilustrado en la Figura 4.8, muestra el nivel de presión sonora en función de la distancia de una fuente de 1000 Hz en una oficina. Nótese las marcadas irregularidades en esta curva de distribución del nivel de presión en función de la distancia a la fuente, siendo de hasta 10 dB entre el mínimo y el máximo.

4.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Techos y suelos amplios

Si cualquiera de las dimensiones del suelo de una habitación es 5 veces mayor que la altura del techo, las condiciones difusas no predominan y las reflexiones sobre las paredes son insignificantes. Entonces, ninguna de las fórmulas anteriores es aplicable. Por ejemplo, consideremos el efecto del tratamiento acústico de un techo de 3 m (10 ft) de altura en una habitación muy grande, cuyas otras dimensiones superan 5 veces a ese valor. La Figura 4.9 muestra el nivel de potencia sonora total (Lw - Lp) en función de la distancia a la fuente; estos datos se presentan para tres valores de coeficiente de absorción del techo: 0,02, 0,50 Y 1,00. Cuando el coeficiente de absorción es igual a 1, no existen reflexiones múltiples; en lugar de ello, el nivel sonoro reflejado se debe a una reflexión única desde el suelo que, a una distancia considerable de la fuente, es aproximadamente igual al nivel sonoro directo. Para un techo muy reflectante, por ejemplo, uno que tenga un coeficiente de absorción de 0,02, el nivel de presión sonora desciende aproximadamente 3 dB cada vez que se duplica la distancia desde la fuente. Sin embargo, para un techo con un coeficiente de absorción de 0,50, el descenso es mucho más rápido.

Fuentes múltiples en un local cerrado. Si hay muchas fuentes de sonido en este tipo de local con techo bajo, los niveles sonoros directo, reflejado y total, en un punto determinado, dependen de la potencia sonora de cada fuente, la distancia entre DISTANCIA DE LA FUENTE EN PIES

0,4

,

0,60,8 1

2

, , "'"

o en

o:::¡

10

I~

~

al

.......

f' ~t:: 1"-

Ü

UJ

z

20

~ t::-"

UJ

,:-; t'- co......... r-- r-t"

-" ..... I ~

~

20

Techo 3 m (10 ft)

UJ

el

,

, ,4 , 6, , 8"'10

30

SONIDO DIRECTO

~' :-- ~ f"-- r"-t-, r"-I'

l'

, " l'

40

2

4

6

8

10

20

40

60 80 100

DISTANCIA DE LA FUENTE EN PIES

FIGURA 4.9.

Gráfico que muestra el nivel de potencia sonora menos el nivel de presión sonora total (Lw - Lp ) en un local en que una de las dimensiones es pequeña comparada con las demás. En este local no predominan las condiciones difusas. Si el techo tiene un coeficiente de absorción del sonido igual a 1, el valor de (Lw - Lp ) se acerca al valor del nivel de presión sonora del sonido directo. (De acuerdo con los datos recogidos por H. J. Sabine.)

EL SONIDO EN ESPACIOS CERRADOS

4.21

el punto de observación y cada una de ellas, la altura del techo y los coeficientes de absorción del techo y el suelo. Los niveles para cualquier conjunto de condiciones determinadas que impliquen fuentes múltiples pueden calcularse combinando los niveles sonoros de todas las fuentes individuales.

REFERENCIAS 1. C. M. Harris, «Absorption of sound in air vs. humidity and temperature», Joumal of

Acoustical Society of America, vol. 40, 1966, pp. 148-159. 2. C. M. Harris, «Absorption of sound in air vs. humidity and temperature», NASA contractor report NASA CR-647, Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Informatíon, Springfield, VA 22151, enero 1967. 3. V. O. Knudsen y C. M. Harris, Acoustical designing in architecture, Capítulo 8, Acoustical Society of America, Nueva York, 1978. 4. T. J. Schultz, «Relationshíp between sound power level and sound pressure level in dwelIings and offices», ASHRAE Transactions, vol. 91, n.o lA, 1983, pp. 124-153. 5. P. M. Morse, Vibration and sound, Capítulo 8, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017, 1980.

Capítulo

5

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA Daniel L. Johnson Alan H. Marsh Cyril M. Harris

INTRODUCCION Hay disponibles muchos tipos de aparatos distintos para medir los niveles sonoros. De entre ellos, el más utilizado es el sonómetro, un aparato para la medida del nivel de presión sonora ponderado en frecuencia y en tiempo (a menudo abreviado como nivel sonoro). La mayoría de éstos son de tamaño pequeño, poco peso y funcionan con pilas. La fiabilidad de las evaluaciones acústicas depende sobre todo de cómo se utilizan los aparatos. Por ejemplo, el voltaje que aporta el micrófono al sonómetro no debe ser tan alto como para que éste se sobrecargue; por otra parte, el voltaje del micrófono no debe ser tan bajo que el ruido inherente al aparato oscurezca algunas partes de la señal sonora que se está midiendo. Por ello, hay que estar muy familiarizado con los instrumentos del sistema de medida del sonido para utilizar plenamente sus prestaciones. Es esencial un estudio detallado de la bibliografía del fabricante para cada aparato. Más aún, es recomendable la práctica en el uso de los instrumentos de medida, sobre todo en establecer los diversos controles, y en comprender los efectos de los distintos ambientes sobre las medidas. En la Figura 5.1, se muestra un diagrama de bloques que indica los principales

l I Micróf!no

r-1

Amplificador

----

Ponderación temporal

r-----

Control del rango de nivel

-

Promediador de tiempo f-----o (rectificador)

Aparato indicador o pantalla

Preamplificador

FIGURA 5.1. Diagrama de bloques mostrando los principales componentes de los sonómetros.

5.1

5.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

componentes de un sonómetro. Estos incluyen el micrófono, preamplificador, amplificador, ponderación de frecuencia (la ponderación de frecuencia puede combinarse con el amplificador), control del rango de nivel, promediador de tiempo e indicador; todos estos componentes se describen a continuación, en secuencia. Las funciones representadas por estos bloques no se producen necesariamente en el orden indicado en la Figura 5.1. Por ejemplo, la amplificación, ponderación de frecuencia y control del rango de nivel a menudo se distribuyen sobre varias partes del instrumento de medida completo. El proceso de promediar el tiempo se lleva a cabo de dos formas. Desde la década de los 30, los sonómetros convencionales ofrecían resultados de un nivel sonoro de tiempo medio de funcionamiento con ponderación temporal exponencial. La llegada de la tecnología digital en la década de los 70 ha hecho posible un promedio temporal sin ponderación temporal exponencial; los que funcionan de esta manera se denominan sonómetros integradores. (Como se indica en el Capítulo 11, algunos aparatos ofrecen resultados de ambos tipos de promedio o ponderación temporal.) Después del comentario de los principales componentes del sonómetro, se consideran los tipos de precisión de los mismos. Dado que a menudo se utilizan junto con éstos, se incluye información general sobre los analizadores de espectro de banda de octava y de banda de tercio de octava. (Un comentario más detallado de los analizadores de espectro se presenta en el Capítulo 8.) El último tema descrito en este capítulo es el equipamiento auxiliar que puede usarse para almacenar los registros de las salidas de un instrumento de medida del sonido. Este capítulo está estrechamente relacionado con el Capítulo 9, que describe las aplicaciones generales de las medidas tomadas con estos aparatos; el Capítulo 11, que comenta los dos tipos básicos de niveles sonoros con media temporal y su medida, junto con la medida de los niveles sonoros con promedio temporal a largo plazo; y el Capítulo 50, que describe las medidas del ruido en la comunidad.

MICROFONOS {véase también Capítulo 9J Un micrófono convierte las variaciones de presión de las ondas sonoras en señales eléctricas que varían con el tiempo. De forma ideal, el micrófono ha de tener las siguientes características: 1. La señal eléctrica que genera debe ser una analogía exacta de la onda sonora. 2. La presencia del micrófono en el campo sonoro no debe alterarlo. 3. La respuesta en frecuencia del micrófono debe ser independiente de la frecuencia para un rango amplio de ésta (v.g., debe ser «plana»). 4. Para un rango amplio de presiones sonoras y para todas las frecuencias del rango de utilidad del micrófono, debe haber una relación lineal entre el nivel de la señal de salida del micrófono y el nivel de presión sonora en el mismo. 5. La sensibilidad del micrófono no debe cambiar con el tiempo ni las condiciones ambientales.

En la práctica, los micrófonos sólo se aproximan a estas características ideales.

5.3

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

A continuación se presentan una serie de consideraciones importantes a la hora de elegir un micrófono para las medidas acústicas. Características del micrófono

Sensibilidad en función de lafrecuencia (respuesta del micrófono). La sensibilidad de un micrófono es la relación entre su salida eléctrica y el nivel de presión sonora en el diafragma del micrófono. La salida eléctrica suele especificarse en términos del voltaje de salida de circuito abierto; v.g., el voltaje en los terminales de salida del micrófono cuando se le desconecta de su preamplificador. Habitualmente, la presión sonora se expresa en términos de la presión sonora que existiría en «campo libre» si el micrófono no estuviera presente (a partir de las instrucciones especificadas por el fabricante). Estos resultados suelen presentarse en términos de nivel de sensibilidad de la respuesta en campo libre del micrófono, expresado en decibelios. Por ejemplo, supongamos que la salida eléctrica es 5 milivoltios (mV) cuando la presión sonora en campo libre es 2 pascal es (Pa) a una frecuencia de 1000 herzios (Hz). Entonces el nivel de sensibilidad de respuesta del micrófono, en decibelios, es 20 10gIO [[(5 mV)/(2 Pa))/[(l V))/(l Pa)) = -52 dB a esa frecuencia y respecto al estándar de referencia de sensibilidad de 1 VlPa. La Figura 5.2 muestra las características típicas del nivel de sensibilidad en campo libre de los micrófonos de medidas más representativos. Todos los clasificados como micrófonos de medida deben satisfacer los requisitos relevantes de las normas nacionales e internacionales para instrumentos de medida del sonido en términos del nivel de sensibilidad de su respuesta, así como otras características físicas y electroacústicas1,2. Sensibilidad en función del ángulo de incidencia. La sensibilidad de un micrófono varía dependiendo del ángulo con que la onda sonora incide sobre él. La mayo-

(e) 13mm 111 (d) 25 mm (b)

~

-

111 111

13mm (a

6mm\

6

10 20

50 100 200 500 1000 I 2000

5000 I 20.000 I 10.000 50.000

Frecuencia, Hz

FIGURA 5.2. Característica de nivel de sensibilidad de la respuesta (sensibilidad en función de la frecuencia) de micrófonos con condensadores semejantes. (a) 6 mm de diámetro, sensibilidad moderada; (b) 13 mm, sensibilidad moderada; (e) 13 mm, sensibilidad alta; (d) 25 mm, sensibilidad alta. (Cortesía de Brüel y Kjaer.)

5.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ría de los micrófonos que tienen un diámetro de 13 mm (1/2 in) o menos son esencialmente omnidireccionales (o no direccionales); su sensibilidad es prácticamente la misma para todas las direcciones de incidencia del sonido, a frecuencias por debajo de unos 5000 Hz. (Algunos micrófonos son fabricados intencionalmente para tener escasa respuesta a sonidos que proceden de determinadas direcciones. Estos, denominados micrófonos direccionales, no tienen la cualificación de micrófonos de medida y rara vez se usan en mediciones de sonido dirigidas al control del ruido.) A medida que aumenta la frecuencia, el tamaño de cualquier micrófono acaba siendo comparable a la longitud de onda del sonido y la sensibilidad decrece para ángulos de incidencia alejados del ángulo de mayor sensibilidad en campo libre. La variación en sensibilidad de un micrófono con el ángulo de incidencia de las ondas sonoras, denominada su patrón de directividad, puede representarse gráficamente en un diagrama polar. Para la mayoría de los micrófonos de medición que tienen forma cilíndrica, el patrón de directividad es circularmente simétrico alrededor del eje del cilindro, pero cambia con el ángulo de incidencia y la frecuencia, en un plano a través del eje del micrófono, que es perpendicular al diafragma del mismo, como ilustra la Figura 5.3.

Respuestas de incidencia perpendicular y de incidencia horizontal. Cuando la dirección de propagación de las ondas sonoras que inciden sobre el diafragma es perpendicular a él (v.g., incidencia a 0°, como muestra la Figura 5.3), se dice que la respuesta del micrófono es de incidencia perpendicular o de incidencia frontal. Cuando la dirección de las ondas sonoras es paralela al plano del diafragma (v.g., incidencia a 90°), se dice que es una respuesta de incidencia horizontal. Para la mayoría de los micrófonos de medición, el ángulo de incidencia de sonido en campo libre al que corresponde la mayor sensibilidad es el perpendicular (0°). Cuando el sonido que se va a medir tiene una dirección de llegada al micrófono predominante, hay que usar una de estas dos direcciones fundamentales. La incidencia perpendicular (también denominada incidencia frontal) se recomienda para fuentes de sonido estacionarias. La incidencia horizontal se recomienda para fuentes de sonido en movimiento, de manera que el mismo ángulo de incidencia esté presente durante todo el período de medición. Respuesta de incidencia aleatoria (random). La respuesta de incidencia aleatoria (random) es la respuesta media para todos los ángulos de incidencia, siendo todos ellos igualmente probables a partir de todas las direcciones en un momento determinado o a lo largo de un período de tiempo. Es mejor utilizar la respuesta de estas características para medidas: (1) cuando se llevan a cabo en un local reverberante o semirreverberante a distancias relativamente grandes de la fuente de sonido o (2) cuando no se conoce la dirección de llegada del sonido o no está bien definida, como suele ocurrir con medidas de ruido en una comunidad mediante micrófonos no atendidos. Para micrófonos omnidireccionales (o micrófonos de medición que están diseñados para tener la respuesta en frecuencia más plana para el ángulo perpendicular de incidencia sonora), la respuesta de incidencia aleatoria (random) es parecida a la de un ángulo de incidencia entre 60° y BO°, con una respuesta que es entre 3 y 5 dB mayor (para frecuencias entre 8000 y 12000 Hz) que la respuesta

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.5

FIGURA 5.3. Patrones de direccionalidad (sensibilidad relativa del nivel de respuesta en función del ángulo de incidencia del sonido), en campo libre, de micrófonos con condensadores de 13 mm (1/2 in) de diámetro utilizados para medición acústica. Un micrófono con diámetro inferior es menos direccional. (Cortesía de Brüel y Kjaer.)

esencialmente plana para frecuencias inferiores a 1000 Hz. Los micrófonos de medición también pueden diseñarse para tener una respuesta, a sonidos que inciden con ángulos aleatorios, que es esencialmente independiente de la frecuencia (respuesta plana), para el rango de frecuencias que se extiende hasta aproximadamente 12000 Hz, para un micrófono de 13 mm (112 in) de diámetro. La Figura 5.4 muestra las correcciones de respuesta a las incidencias perpendicular, horizontal y aleatoria (random), en función de la frecuencia para un micrófono concreto de 13 mm (112 in). Por lo general, cuando se utiliza un único sonómetro para medir el nivel producido por fuentes estacionarias en campo libre y se conoce el ángulo principal de incidencia, o cuando se miden los niveles sonoros producidos por varias fuentes, en que se desconocen los ángulos de incidencia o éstos varían al azar, existen dos posibilidades:

5.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

10 -o «i

8

LV L~ """""

'C:;

e: al

::J

6

(,)

....~e:

4

al

(ti

tí al

.......::

2

~ ;:::;.- ¡....-

::J

c.

1/)

~

~

O

e:

-2

'C:; (,)

~

(;

-4

u

-5

I 5

~

¡..--1-

~/

V-

¡..-

300

60 0

r---~

.-

~¡..-r:::;:

~9 I, I , I I I r I 5

-

Azar

~

~ ~\ 90

al

-o

'o

00

L

.D

10

0

~ 180 150

0

0

-

1200 20

Frecuencia, kHz

FIGURA 5.4

Correcciones típicas que hay que añadir a la respuesta de un micrófono, como se mediría mediante un dispositivo electroacústico que simula la presión de campo de un acoplador cerrado, para obtener la respuesta equivalente de campo libre a los ángulos de incidencia indicados. Estos datos son para un micrófono del tipo condensador diseñado para respuesta más plana a las ondas sonoras que inciden a 00 (v.g., incidencia perpendicular o frontal).

1. Utilizar dos micrófonos diferentes: (a) un micrófono que esté diseñado para tener la respuesta en frecuencia más plana frente al sonido que llega con un ángulo de incidencia especificado por el fabricante (a menudo 0°) en campo libre y (b) otro micrófono que está diseñado para dar la respuesta de frecuencia más plana para el sonido que incide con ángulos aleatorios en el tiempo

(random). 2. Para medir los sonidos que llegan al diafragma del micrófono con ángulos de incidencia aleatorios (random), se utiliza una amplificación electrónica, que puede seleccionarse mediante un interruptor, que compensa la pérdida de sensibilidad para frecuencias altas cuando se usa un micrófono de determinado diámetro diseñado para la respuesta en frecuencia más plana para un ángulo de incidencia del sonido perpendicular (frontal). Esta última alternativa permite el uso de un solo micrófono diseñado tanto para medir situaciones con una respuesta de frecuencia óptima, como para cumplir las normas lEC y ANSI mediante la selección del establecimiento de los controles en el sonómetro.

Efectos de las condiciones ambientales sobre la sensibilidad del micrófono. La sensibilidad de un micrófono de medición varía con la temperatura, humedad y presión atmosférica. El fabricante del micrófono debe indicar el coeficiente de temperatura de la sensibilidad del nivel de respuesta; este coeficiente, expresado como el

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.7

cambio en el nivel de sensibilidad para un cambio de un grado en la temperatura ambiental, puede usarse para corregir los cambios de sensibilidad a corto plazo, cuando el micrófono se usa a temperaturas distintas a la empleada por el fabricante como referencia. Los cambios habituales en la presión atmosférica no suelen afectar de forma significativa a la sensibilidad de un micrófono a nivel del mar. La información que aporta el fabricante debe utilizarse para explicar el efecto de los cambios de presión atmosférica sobre la sensibilidad cuando el micrófono (cuya sensibilidad ha sido determinada mediante calibración a la presión a nivel de mar) se utiliza para medir un campo sonoro en que la presión atmosférica es significativamente mayor, o menor, que la del nivel de mar. Cuando la humedad relativa es baja o moderada tiene poco efecto sobre la sensibilidad o funcionamiento de un micrófono bien diseñado. Sin embargo, cuando la temperatura de los componentes del micrófono está cerca de, o por debajo de, la temperatura de condensación del ambiente, se pueden formar gotas de humedad en el espacio entre el diafragma y la placa del micrófono, o en el espacio detrás de la placa posterior, con acceso a través de la disposición para ventilar este espacio a la presión atmosférica. La presencia de gotas de agua sobre el diafragma de cualquier tipo de micrófono de medición puede tener serios efectos sobre su funcionamiento, debido a la masa añadida sobre él. Además, las gotas de agua en el interior de un micrófono de condensador pueden producir roturas locales en el campo eléctrico, dando resultado por tanto al surgimiento de voltajes extraños (semejantes a sonidos de «pequeños estallidos») y, en último término, al fallo en el funcionamiento del micrófono cuando la carga estática es reemplazada por una corriente eléctrica. Algunos fabricantes incluyen un mecanismo para prevenir la formación de gotas de agua dentro del micrófono; mediante la instalación de un preamplificador especial que utiliza un aporte de potencia eléctrica externa para calentar un elemento en el preamplificador, manteniendo por tanto la temperatura en el micrófono por encima del punto de condensación local. La condensación de la humedad atmosférica sobre el diafragma puede causar daño físico debido a la presencia de componentes ácidos en las gotas de humedad. Para minimizar los problemas causados por la contaminación atmosférica, algunos micrófonos se acompañan de un recubrimiento de material protector sobre el diafragma de metal; otros utilizan para el diafragma un material especial resistente a la corrosión.

Estabilidad de la sensibilidad a lo largo de períodos de tiempo largos. La sensibilidad de todos los micrófonos cambia gradualmente con el tiempo. Después de un corto período inicial de asentamiento, el cambio de sensibilidad con el tiempo puede, en general, ser muy lento para temperaturas normales. Por ejemplo, la sensibilidad de los micrófonos de condensador, que son habitualmente más estables que otros tipos, suele cambiar menos de 0,4 dB/año si los micrófonos son tratados con cuidado y no son expuestos a condiciones ambientales extremas. Los cambios en sensibilidad a corto plazo y a largo plazo son grandes si el micrófono es expuesto a temperaturas por encima de 50 oc. Distorsión no lineal. Si el nivel de presión sonora a que está expuesto el micrófono aumenta en x dB, el nivel de voltaje de salida del mismo también ha de au-

5.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

mentar en x dB; esta característica se conoce como respuesta lineal. El rango de niveles de presión sonora de entrada para los que la respuesta es lineal, dentro de tolerancias especificadas, varía con la frecuencia. A niveles de presión sonora suficientemente altos [habitualmente 140 dB o más para micrófonos de 25 mm (1 in), 150 dB para micrófonos de 13 mm (112 in) y 160 dB o más para micrófonos de 6,5 mm (1/4 in)], un aumento en éste de x dB resultará en un cambio en el nivel de voltaje inferior a x dB. Se dice entonces que la salida del micrófono no es lineal (la forma de onda del voltaje eléctrico de salida es una réplica distorsionada de la presión sonora de la señal de entrada). Más aún, a niveles de presión sonora superiores a aproximadamente 150 dB re 20 micropascales, un micrófono de condensador que tenga un diámetro de 13 mm (112 in) puede estar sujeto a fractura física. Tipos de micrófonos de medición

Los sonómetros que cumplen las normas de precisión nacionales e internacionales para instrumentos de Clase O, 1 ó 2 deben estar equipados con un micrófono diseñado y construido para cumplir las especificaciones estandarizadas de ciertas características críticas de rendimiento electroacústico. A éstos se les denomina micrófonos de medición. La mayoría de los micrófonos de medición generan un voltaje que es proporcional al nivel de presión sonora en el micrófono y es el análogo eléctrico de las ondas sonoras que inciden sobre el diafragma del micrófono. El mecanismo particular que convierte en señales eléctricas las variaciones de presión en la onda sonora de la señal sirve para distinguir los tres tipos principales de micrófonos de medición: (1) micrófonos de condensador de diseño convencional (o de condensador), (2) micrófonos prepolarizados y (3) micrófonos piezoeléctricos (o cerámicos). Micrófonos de condensador. Como su nombre implica, el principio de funcionamiento de un micrófono de condensador descansa sobre las variaciones en capacidad eléctrica para desarrollar las variaciones correspondientes en voltaje. Como ilustra la Figura 5.5, un micrófono de condensador de diseño convencional tiene una lámina delgada de acero inoxidable, extendida y fuertemente sujeta sobre el cuerpo cilíndrico del micrófono. Esta lámina se conoce como diafragma porque se deflecta a partir de su posición de equilibrio o descanso. El diafragma forma un lado de un condensador de placas paralelas. Una placa posterior de acero inoxidable se monta sobre un aislante eléctrico a corta distancia detrás del diafragma para formar el otro lado del condensador (véase Figura 5.5). El aire en el espacio entre la placa posterior y el diafragma es el dieléctrico del condensador. Se aplica un voltaje de corriente continua (dc) entre la placa posterior y el diafragma. El voltaje estable forma una carga estática constante entre las dos placas; se denomina voltaje polarizado al voltaje dc porque establece la polaridad eléctrica de la placa posterior respecto a la del diafragma. Cuando el voltaje polarizado no está presente, no hay carga en el dieléctrico y el micrófono no funciona; de ahí que los micrófonos de condensador convencional no estén prepolarizados. Los voltajes de polarización suelen ser del orden de 150 a 200 V, aunque algunos instrumentos de

5.9

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

Aislante de cuarzo

Soporte

Anillo de cierre

Rejilla protectora Agujeros de amortiguación

Terminal de salida

Ventilación de igualación de presión

FIGURA 5.5. Dibujo de una sección simplificada que muestra algunos detalles de la construcción de un micrófono de condensador. (Cortesía de Larson-Davis Ine.)

medida del sonido aportan voltajes de polarización entre 15 y 30 V para aplicaciones especiales, como la medición de niveles altos de presión sonora, donde es aceptable la sensibilidad reducida asociada al voltaje de polarización reducido. A medida que el diafragma delgado y de poco peso se mueve en respuesta a las variaciones de presión de la onda incidente, varía la distancia entre las dos placas y, en consecuencia, lo hace también la capacidad del condensador. Las variaciones alrededor de la capacidad estable formada por la carga estática fija dan lugar a las variaciones correspondientes del voltaje de polarización estable. Las variaciones de voltaje aparecen en los terminales eléctricos del micrófono para su transmisión a un instrumento de medición, como puede ser un sonómetro. La respuesta en frecuencia de un micrófono de medición del tipo condensador es gradual y plana (independiente de la frecuencia) para un rango amplio de frecuencias. La amplitud del rango de respuesta en frecuencia plana se limita a las frecuencias altas, en parte, por una resonancia mecánica de la masa del diafragma con la rigidez del espacio que llena el aire detrás del diafragma. Para frecuencias bajas, el rango de la respuesta plana está limitado por la necesidad de ventilar el espacio detrás del diafragma a la atmósfera. La resonancia mecánica del diafragma está controlada por la amortiguación mecánica aportada por los agujeros perforados en la placa posterior (véase Figura 5.5). El fabricante selecciona el número y diámetro de los agujeros para ajustar la respuesta de alta frecuencia del micrófono a distintas aplicaciones. Si el espacio detrás del diafragma no estuviera ventilado, el diafragma se desplazaría de su posición inicial, a medida que la presión atmosférica dominante fuera mayor o menor que la presión en el momento en que el diafragma fue instalado. Por ello, la cavidad se ventila para mantener la posición original de equilibrio. La ventilación ha de ser lo suficientemente grande como para permitir acomodaciones razonablemente rápidas a los cambios en presión atmosférica, pero no tan grande como para reducir la sensibilidad del micrófono a las frecuencias dentro del rango

5.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de interés. El límite de frecuencia inferior de la respuesta de frecuencia plana está determinado por el tamaño de la disposición de la ventilación y la constante de tiempo asociada, que el fabricante ajusta variando la resistencia mecánica de la vía de ventilación desde la cavidad a la atmósfera. Las ventajas de un micrófono de condensador incluyen: (1) buena sensibilidad de voltaje debido a que el diafragma de metal puede soportar una alta tensión [las sensibilidades típicas para los micrófonos de condensador de alta calidad están entre los 25 y los 50 milivoltios/pascal (mV/Pa) o entre -30 y -26 dB re 1 V/Pa]; (2) la sensibilidad a las frecuencias de bajas a medias puede diseñarse para ser prácticamente independiente de los cambios en las condiciones ambientales para rangos amplios; (3) un respuesta en frecuencia que puede ser casi independiente de la frecuencia en un rango amplio; (4) una respuesta a los cambios en el nivel de presión sonora de la señal, que es lineal dentro de tolerancias estrechas para un rango amplio, y (5) una sensibilidad que puede modificarse cambiando el voltaje de polarización. Debido a sus características superiores eléctricas y acústicas y debido a que su diseño mecánico aporta una reproductibilidad fiable de estas características, los micrófonos de condensador son la base de las normas nacionales e internacionales para los micrófonos estandarizados de laboratorio. Los micrófonos de condensador de diseño convencional están disponibles con diámetros del orden de 6,5 mm (1/4 in) o menos y con una respuesta en frecuencia que es casi independiente de la frecuencia para frecuencias ultrasónicas del orden de 50 kHz o superiores. Los micrófonos de diámetro pequeño también producen menos alteraciones del campo acústico que los grandes. Los micrófonos de condensador de diámetro pequeño tienen diafragmas mas rígidos y generalmente son menos sensibles que los diseños correspondientes de mayor diámetro. Debido a su inferior sensibilidad, los micrófonos de diámetro pequeño suelen usarse cuando los niveles de presión sonora son del orden de 130 dB (o más) re 20 micropascales. Para aplicaciones generales, los micrófonos de condensador de diseño convencional con un diámetro nominal de 13 mm (112 in) ofrecen una buena relación entre sensibilidad, rango de frecuencia en que la respuesta de campo libre es casi independiente del ángulo de incidencia del sonido (una respuesta aproximadamente omnidireccional) y el rango de frecuencias audibles en que la sensibilidad de campo libre es casi independiente de la frecuencia (el rango de respuesta de frecuencia plana). Las desventajas de los micrófonos de condensador convencionales incluyen: (1) la necesidad de un voltaje externo que aporte la carga en el condensador y (2) la susceptibilidad a problemas que pueden producirse cuando la temperatura del micrófono está próxima al punto de condensación. Los micrófonos convencionales de condensador de alta calidad deben acompañarse de la certificación documentada sobre sus características electroacústicas relevantes y los efectos de las distintas condiciones ambientales sobre la sensibilidad del micrófono. En el momento de la compra, la documentación debe incluir la calibración, de acuerdo con un laboratorio de normas nacionales, de la sensibilidad y respuesta de frecuencia de los micrófonos individuales mediante un número de serie. Resulta conveniente llevar a cabo pruebas de verificación periódica para ase-

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.11

gurarse de que la sensibilidad y la respuesta de frecuencia del micrófono se mantienen dentro de las tolerancias garantizadas, como requieren las normas nacionales e internacionales para las mediciones del nivel sonoro con un grado de precisión técnico.

Micrófonos prepolarizados o de ELECTRET-condensador. Los micrófonos prepolarizados funcionan de acuerdo con el mismo principio que los micrófonos de condensador de diseño convencional, en que se construye un condensador a partir de dos superficies paralelas con un campo electrostático entre ambas. Sin embargo, el campo -eléctrico no se establece mediante un voltaje externo de polarización, sino mediante cargas que están atrapadas «permanentemente» en o adjuntas a un material polímero especial, de manera que la preponderancia de la carga positiva reside en un lado del material y las cargas negativas en el otro. Como en los micrófonos convencionales, el aire es el dieléctrico entre las dos superficies del condensador. Existen dos diseños disponibles para micrófonos de medición prepolarizados. En uno de ellos, una capa fina de material ELECTRET se deposita en la placa posterior, siendo el resto de los detalles de la construcción del micrófono y sus características electroacústicas iguales a las descritas para los micrófonos de condensador convencional. En el otro diseño, el ELECTRET está contenido en una capa fina de un material polímero que se estira sobre apoyos salientes aislantes delante de la placa posterior, como ilustra esquemáticamente la Figura 5.6. Para completar el circuito eléctrico, se aplica un recubrimiento de metal a uno de los lados de la película polímera. Para distinguir entre los dos diseños, el primero es para un micrófono de condensador prepolarizado y el segundo para un micrófono ELECTRET. Como los micrófonos prepolarizados pueden tener esencialmente las mismas características electroacústicas que los micrófonos correspondientes convencionales de condensador, son adecuados para la medición de niveles sonoros cumpliendo los requisitos de precisión de Clase 1 o Clase Ode las normas nacionales o internacionales. Los micrófonos ELECTRET son adecuados para los aparatos de medición del nivel sonoro de Clase 2, medidores de la exposición personal al sonido y medidores de dosis (o dosímetros), así como para otros instrumentos de propósito general de medición del sonido.

REJ ILLA

De r\TJ:,rTrlC

".~ fl~::r:::n:::::a:::::c:::::n::::;:¡r¡

MATERIAL ELECTRET

FIGURA 5.6. Dibujo de una sección simplificada que muestra algunos detalles de la construcción de un micrófono ELECTRET. (Cortesía de GenRad.)

5.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Una ventaja potencial de los micrófonos prepolarizados o ELECTRET son los ahorros de los costes asociados a la simplificación de los circuitos electrónicos como resultado de la eliminación de la necesidad de aportar un voltaje externo de polarización. Sin embargo, la principal ventaja es la mejora de la posibilidad de operar en ambientes húmedos: al no haber cargas eléctricas libres, hay mucha mayor libertad para las descargas de voltaje en el hueco entre la placa posterior y el diafragma. Para los micrófonos prepolarizados, la estabilidad a largo plazo sin cambios significativos de las características electroacústicas originales puede ser muy buena (del orden de varios años), pero no tan buena como la de los micrófonos de condensador que requieren un voltaje externo de polarización (donde la sensibilidad original puede mantenerse esencialmente sin cambios durante varias décadas si el micrófono es tratado con cuidado). Una desventaja de los micrófonos prepolarizados o ELECTRET es que son inherentemente menos estables a lo largo del tiempo que los micrófonos convencionales de condensador porque la carga incorporada va disminuyendo lentamente; la proporción de pérdida aumenta cuando el micrófono está expuesto a temperaturas ambientales altas. Para los micrófonos ELECTRET construidos como el ilustrado en la Figura 5.6, otra desventaja es que la escasa fortaleza de la película de polímero (comparada con la fortaleza del diafragma de metal de los micrófonos prepolarizados) limita la tensión en el diafragma y por tanto el límite de frecuencia alta del rango de respuesta de frecuencia plana del micrófono. Más aún, la tensión en la película de polímero no es tan estable como la tensión en el diafragma de metal, un efecto que se acentúa cuando un micrófono ELECTRET se expone a temperaturas ambientales altas o la luz solar en exteriores durante largos períodos de tiempo. Micrófonos piezoeléctricos (micrófonos cerámicos). Un micrófono piezoeléctrico (o cerámico) tiene un diafragma que está mecánicamente conectado a un elemento piezoeléctrico, habitualmente cuarzo. El movimiento del diafragma en respuesta a las ondas sonoras incidentes produce una tensión en el elemento que genera un voltaje a través de los terminales de salida del micrófono. El voltaje de salida es proporcional a la presión del sonido incidente con tolerancias moderadas para un rango relativamente amplio de niveles de presión sonora. La respuesta de frecuencia puede ser plana dentro de los límites de tolerancia adecuados a los instrumentos de Clase 2, para un rango de frecuencias audibles razonablemente amplio. Las ventajas de un micrófono piezoeléctrico incluyen: (1) la posibilidad de operar en ambientes de más humedad que los micrófonos convencionales de condensador; (2) una sensibilidad al tratamiento brusco algo menor que los micrófonos de condensador de cualquier diseño, y (3) no es necesario un voltaje externo de polarización para el funcionamiento del micrófono. En comparación con los micrófonos de condensador de diseño convencional o prepolarizados del mismo diámetro, las desventajas de los micrófonos piezoeléctricos incluyen: (1) una sensibilidad que es relativamente baja incluso con diafragmas y elementos piezoeléctricos grandes; (2) una sensibilidad a la vibración significativamente mayor; (3) una respuesta menos omnidireccional para una frecuencia determinada; (4) una mayor variación de la sensibilidad a cambios en la temperatura

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.13

del ambiente, sobre todo a temperaturas del aire inferiores a 10 oC (50°F), Y(5) una impedancia de salida eléctrica que varía con la temperatura ambiental del aire.

Pantallas antiviento de los micrófonos

El flujo de aire que pasa junto al micrófono produce un ruido que puede afectar seriamente a las medidas de nivel sonoro. El ruido del viento puede reducirse mediante el uso de una pantalla antiviento, como se describe en el Capítulo 9.

Extensiones de micrófono (véase también Capítulo 9)

Aunque la mayoría de los sonómetros son relativamente pequeños, la caja del aparato y el cuerpo del observador que sujeta el instrumento pueden influir sobre la medida del nivel de presión sonora o nivel sonoro con ponderación de frecuencia si el micrófono está conectado directamente al instrumento; este efecto se ilustra en la Figura 9.10. Para evitar la influencia de la caja del instrumento, así como para aportar un medio, si fuera necesario, de cumplir con los requisitos de respuesta de frecuencia más estrictos, los fabricantes ofrecen pértigas y cables de extensión, con el fin de aislar el micrófono de los efectos alteradores de la caja del instrumento y el observador. Para las mediciones más precisas, el micrófono y su preamplificador deben montarse sobre un trípode, o aparato equivalente, con un cable de extensión bien protegido entre el preamplificador y el sonómetro. El preamplificador sirve fundamentalmente como fuente de corriente eléctrica y conversor de la impedancia alta de entrada a la impedancia baja de salida, sin cambio significativo en la amplitud del voltaje del micrófono, su contenido de frecuencia o fase. Si la potencia dc para que funcione el preamplificador viene dada por una fuente distinta del sonómetro y está localizada cerca del preamplificador, entonces el cable multiconductor especialmente protegido de extensión del micrófono puede ser reemplazado por un cable coaxial más barato. Hay que determinar la atenuación de frecuencias medias introducida por el cable de extensión del micrófono mediante el uso de un calibrador acústico o aparato equivalente.

Calibración del micrófono (véase también ((Aparatos para comprobar la sensibilidad del sistema de medida)), a continuación)

La técnica habitual del laboratorio para calibrar micrófonos sin utilizar un micrófono de referencia previamente calibrado se denomina método de reciprocidad3 • Este método se emplea en las normas de varios laboratorios, por ejemplo, en el National Institute of Standards and Technology en Estados Unidos, el National Physical Laboratory en Inglaterra y el Physikalisch- Technische Bundesanstalt en Alemania.

5.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

AMPLIFICADORES

El amplificador de un sonómetro ha de cumplir los siguientes requisitos: 1. Amplificar la señal del micrófono lo suficiente como para permitir la medida de los niveles bajos de presión sonora. 2. Amplificar los sonidos sobre un rango amplio de frecuencias, habitualmente entre 1 y 10 Hz para el límite inferior de una respuesta nominalmente plana y por encima de 20.000 Hz en el límite superior. 3. Generar un nivel de ruido eléctrico dentro del instrumento inferior al nivel más bajo de presión sonora de la señal que se va a medir, para cualquier frecuencia dentro del rango del micrófono. 4. Mantener la amplificación constante, a su valor designado, para cada rango de medida para todas las frecuencias dentro de la gama del instrumento.

PONDERACION DE FRECUENCIA

La ponderación de frecuencia en un sonómetro altera las características de la respuesta de frecuencia de acuerdo con las especificaciones de una norma nacional o internacional. Así, la indicación de un instrumento para medir el nivel sonoro, para un nivel determinado de presión sonora de entrada, depende de la frecuencia del sonido que llega al micrófono y de la ponderación de frecuencia seleccionada.

Ponderación A

Las normas nacionales e internacionales requieren que todos los aparatos que midan el nivel sonoro incorporen la ponderación de frecuencia designada mediante la letra A. Muchos años de estudio y experiencia práctica han demostrado que los niveles sonoros con ponderación A ofrecen una correlación adecuada con varias respuestas humanas (de personas o grupos en una comunidad) para distintos tipos de fuentes de ruido. En consecuencia, es la ponderación de frecuencia más utilizada. La Figura 5.7 Yla Tabla 1.2 muestran una respuesta con ponderación A relativa a la respuesta a 1000 Hz. La respuesta relativa con ponderación de frecuencia A decrece a frecuencias por debajo de 1000 Hz, de manera que las frecuencias medias y altas reciben mayor énfasis (son menos ponderadas). La característica de la ponderación A es que tiene en cuenta la sensibilidad reducida de la audición humana normal para frecuencias bajas, comparada con la respuesta frente a frecuencias altas (véase Figura 17.2 para la sensibilidad media de la audición humana en función de la frecuencia). La unidad del nivel sonoro con ponderación A es el decibelio, con el símbolo de unidad dB. Cuando se utiliza la ponderación A, la cantidad ha de describirse como nivel sonoro con ponderación A y hay que incluir la extensión del período temporal para que se promedia (por ejemplo, un nivel sonoro con ponderación A de 72 dB para una media de 5 minutos); a veces, el símbolo de la unidad dB va seguido de la

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.15

20r-----r---.----r-----r---.----r----,r---.---~

10

'" tí (1) 5. -30

a:'" (1)

__~ 5.00010.000 20.000

-50L-----~--~--~------~--~--~----~----~

20

50

100

200

500

1.000 2.000

Frecuencia en herzios

FIGURA 5.7. Objetivo de diseño de las características de la respuesta con ponderación de frecuencia, con respecto a la respuesta a 1000 Hz para una ponderación de frecuencia A, ponderación de frecuencia B y ponderación de frecuencia C.

letra A entre paréntesis para indicar que se ha utilizado la ponderación A; en este caso, es importante incluir el paréntesis y la A mayúscula [por ejemplo, un nivel sonoro de 72 dB(A)]; sin embargo, la unidad sigue siendo el decibelio. (Nótese que esta práctica no debe extenderse a la descripción de los niveles de potencia sonora con ponderación A, para los que también se utiliza el símbolo de la unidad dB.) La Tabla 1.2. presenta (el objetivo de diseño de) la respuesta en frecuencia relativa frente a sonidos que inciden aleatoriamente (random), para un sonómetro con ponderación A.

Ponderación B

La ponderación B (véase Figura 5.7) ya no suele incluirse en los instrumentos de medida acústica.

Ponderación

e

Como muestra la Figura 5.7, la respuesta con ponderación C es bastante uniforme entre 50 y 5000 Hz. A menudo, si un sonómetro no incluye la ponderación «plana o lineal», la ponderación C se utiliza para una medición «global» o de banda ancha del nivel sonoro. Cuando se usa la ponderación C, el símbolo de la unidad dB es se-

5.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

guido de la letra C entre paréntesis para indicarlo [por ejemplo, un nivel sonoro de 72 dB(C)]; sin embargo, la cantidad sigue siendo un nivel sonoro con ponderación C y la unidad el decibelio. Ponderación plana o lineal

Algunos sonómetros incluyen la ponderación plana, cuya característica de respuesta es que es en esencia independiente de la frecuencia para un rango que el fabricante ha de especificar, junto con las tolerancias mantenidas; en algunos instrumentos, la ponderación plana se designa como de «al/pass» o lineal. A veces, a la respuesta plana con un rango extra amplio se le denomina respuesta «al/pass». La ponderación plana suele utilizarse cuando la salida eléctrica del sonómetro aporta una señal a un instrumento auxiliar, como una grabadora de cinta magnética. Selección de la ponderación de frecuencia

La elección de la ponderación de frecuencia adecuada depende de la finalidad de la medida del ruido (véase Capítulo 9). En muchos casos, las normas de medición o el código de la práctica estipula la ponderación de frecuencia que debe emplearse. En la mayoría de las mediciones de control del ruido, si no se especifica ponderación de frecuencia, hay que seleccionar la ponderación A.

CONTROL DEL RANGO DEL NIVEL El control del rango de nivel ajusta el rango de los niveles sonoros que pueden medirse para una disposición determinada de los controles. Las adaptaciones suelen ser en pasos de 10 o 20 dB. Algunos sonómetros que tienen un rango de funcionamiento lineal nominal de 90 dB o más pueden no ofrecer la posibilidad de un control del rango de nivel. En cualquier sonómetro, los rangos de funcionamiento lineal deben solaparse al menos 5 dB si hay saltos de 10 dB en el control del rango de nivel, y al menos 10 dB, si los saltos son de 20 dB.

PONDERACION TEMPORAL La Figura 5.1 incluye un rectificador (promediadorde tiempo). El cuadrado de la señal de presión sonora con ponderación de frecuencia es integrado en el tiempo por el rectificador con o sin una ponderación exponencial de tiempo para dar lugar a la medida de nivel sonoro con o sin constante de tiempo. Las especificaciones para el promedio temporal sin ponderación temporal exponencial se describen en la norma lEC 8044 • Los sonómetros integradores son capaces de medir el nivel sonoro continuo equivalente para un intervalo de tiempo especificado [véase Ecuación (11.2)]. En

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.17

principio, los sonómetros integradores forman la integral de tiempo del cuadrado de la señal de presión sonora con ponderación de frecuencia sin ponderación temporal exponencial. La integración sin constante de tiempo conduce a una medida de la exposición sonora; véase Capítulo 12. Los sonómetros integradores se utilizan para medir el nivel de exposición sonora.

Ponderación temporal exponencial (véase también Capítulo 11)

Los sonómetros fueron inicialmente desarrollados en la década de los 30 con un marcador de esfera y aguja o puntero. Una aguja que se mueve sobre una escala calibrada de un medidor indica el nivel sonoro en decibelios. Dependiendo de las características del sonido que se esté midiendo, las fluctuaciones pueden ser tan rápidas que hacen difícil determinar la posición me~ia de la aguja. Una medida de nivel sonoro obtenida de esta manera se denominaba nivel sonoro rápido (fast). Para reducir la variabilidad en las medidas, se añadió amortiguación eléctrica; con este añadido, la medida se denominó nivel sonoro lento (slow). La ponderación temporal rápida (fast) y lenta (slow) puede lograse mediante un término exponencial equivalente que multiplique el cuadrado de la señal de presión sonora con ponderación A en la determinación del nivel sonoro promediado, como se comenta en el Capítulo 11. Para respuesta rápida (fast), la constante nominal de tiempo exponencial es 125 milisegundos; para respuesta lenta (slow), es 1000 milisegundos. La elección de la ponderación de tiempo exponencial, para usarla en una medida concreta, depende de la variabilidad de la señal del sonido y de los requisitos de la norma de medición aplicable o del código de ensayo. Para los sonómetros integradores, la ponderación temporal no debe afectar al tiempo medio del nivel sonoro, pero si la experiencia demuestra que la selección de la ponderación de tiempo exponencial influye sobre los resultados, se prefiere la rápida (fast). Para medidas estadísticas del nivel sonoro (como máximo, mínimo o mediana), distintas ponderaciones temporales pueden dar lugar a resultados diferentes y por ello se prefiere la ponderación temporal rápida (fast).

APARATOS INDICADORES

Después de que la señal del micrófono es: (1) ajustada por el control del rango de nivel, (2) amplificada, (3) modificada por la ponderación de frecuencia y (4) promediada para el tiempo, la señal es entonces (5) mostrada en un aparato indicador. Los niveles de presión sonora se indican en decibelios respecto al cuadrado de la referencia estandarizada de presión sonora de 20 micropascales [véase Ecuaciones (1.8), (11.1) u (11.2)]. El aparato indicador, denominado a veces lector (<
5.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Indicadores analógicos o cuasi analógicos

Una lectura analógica suele consistir en un puntero o aguja que se mueve sobre una escala graduada, calibrada en decibelios. Una lectura analógica puede ser simulada por un indicador cuasi analógico en forma de barra de gráficos; a menudo, estas lecturas son indicadores de cristal líquido (LCD) diseñados individualmente. Las graduaciones de la escala de los indicadores de sonómetros analógicos o cuasi analógicos pueden estar espaciadas lineal o logarítmicamente, dependiendo del circuito electrónico, aunque una graduación lineal es de lectura más fácil con precisión uniforme. Las normas especifican que la escala debe estar graduada en intervalos no superiores a 1 dB, sobre un rango de al menos 15 dB.

Indicadores digitales

Un indicador digital ofrece una muestra visual de la magnitud del nivel sonoro mediante un número o una disposición iluminada de lámparas pequeñas. Estos diseños para los sonómetros pueden ser precisos, estables y robustos. Un indicador digital resulta particularmente útil para medir una media temporal o el nivel máximo de un sonido que varía con el tiempo, por ejemplo, el nivel sonoro máximo rápido (fast) producido por un vehículo al pasar. Cuando el indicador digital se actualiza lentamente (p. ej., una vez por segundo) y el nivel sonoro indicado fluctúa rápidamente en varios decibelios, puede resultar difícil de leer y puede ser imposible observar la magnitud de las fluctuaciones. Para lograr el mejor de ambos enfoques, muchos aparatos de medición del nivel sonoro aportan ambos, indicadores cuasi analógicos y digitales. Un indicador digital suele ser una lectura numérica, con cuatro o más dígitos, más indicadores adicionales para sobrecarga, modo de indicación, estado de la batería y otros parámetros importantes. Algunos sonómetros muestran varias cantidades al mismo tiempo.

CLASES DE PRECISION DE LOS SONOMETROS Todos los sonómetros deben cumplir las normas nacionales e internacionales relevantes. Estas normas especifican los requisitos mínimos para el rendimiento acústico y eléctrico, junto con los correspondientes objetivos de diseño y tolerancias. El American national standard specification for sound level metersl, ANSI S1.4-1983, designa tres clases de precisión para los sonómetros, todos los cuales tienen el mismo objetivo de diseño de rendimiento; se diferencian en la tolerancia permitida para lograr los objetivos. En los instrumentos de Clase O (Tipo O) se permiten las menores tolerancias; las mayores, en la Clase 2 (Tipo 2): Clase O (Tipo O) : Laboratorio. Clase 1 (Tipo 1) : Precisión. Clase 2 (Tipo 2) : Propósito general.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.19

APARATOS PARA COMPROBAR LA SENSIBILIDAD DE LOS SISTEMAS DE MEDICION Calibrador acústico

Un calibrador acústico, también denominado calibrador sonoro, es un aparato que puede producir un nivel sonoro conocido, estable, en el diafragma de un micrófono que se inserta en una cavidad en el calibrador. Este aparato puede utilizarse para comprobar la sensibilidad global de un instrumento o sistema de medición del ruido. Los calibradores acústicos suelen ser del tipo pistófono o altavoz.

Pistó/ono. Un pistófono produce un nivel de presión sonora mediante pistones que se mueven dentro de una pequeña cavidad cerrada. El micrófono se inserta en la cavidad del pistófono cerrándola. (El micrófono ha de ser introducido y extraído de la cavidad lentamente para evitar dañar su diafragma.) Los pistones móviles varían el volumen de la cavidad a medida que son puestos en marcha a través de una leva mediante un motor accionado por una batería. El cambio de volumen produce una variación de la presión casi sinusoidal en la cavidad a una frecuencia en que la respuesta del micrófono es nominalmente plana (típicamente entre 200 y 1000 Hz). La presión sonora en la cavidad del pistófono depende fundamentalmente del cambio de volumen producido por el movimiento de los pistones y de la presión atmosférica ambiental. Dado que la presión atmosférica dominante varía, hay que aplicar una corrección de presión atmosférica para determinar la presión sonora real en la cavidad en el momento de comprobar la sensibilidad del sistema de medición del sonido. Es posible comprobar la sensibilidad de algunos micrófonos hasta una precisión de ± 0,1 a ± 0,2 dB. Sin embargo, pueden hacer falta correcciones de hasta 1 dB cuando se comprueba la sensibilidad en altitudes elevadas. El nivel de presión sonora real producido en la cavidad de un pistófono en las condiciones de referencia puede cambiar después de un período prolongado de funcionamiento y, por tanto, ha de comprobarse al menos una vez al año. Calibrador acústico del tipo altavoz. Un calibrador acústico del tipo altavoz produce un nivel de presión sonora nominal en una cavidad pequeña mediante un pequeño altavoz [habitualmente menos de 50 mm (2 in) de diámetro] que es excitado por la señal de un oscilador electrónico. En algunos aparatos, el nivel de presión sonora es corregido automáticamente para las variaciones de la presión atmosférica y la temperatura del aire. Para estos calibradores especiales no es necesario aplicar correcciones de las condiciones atmosféricas (véase las instrucciones del fabricante). La precisión de una comprobación de sensibilidad, a presión atmosférica y temperatura de referencia, puede estar en torno a ± 0,3 dB. A diferencia del pistófono, que habitualmente aporta una señal a una frecuencia única y un solo nivel de presión sonora, algunos calibradores acústicos del tipo altavoz aportan señales precisas para un rango amplio de frecuencias; p. ej., de 31,5 a 16.000 Hz. Además, algunos calibradores acústicos del tipo altavoz dan señales de presión sonora sinusoidal para

5.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

todo un rango de niveles de presión sonora; p. ej., 94, 104 Y114 dB re 20 micropascales. Al menos una vez al año, hay que realizar la verificación periódica del nivel de presión sonora producido por el calibrador acústico del tipo altavoz bajo las condiciones de referencia.

MEDIDAS DE NIVEL SONORO Las medidas de nivel sonoro se describen en detalle en los Capítulos 9, 11 Y50. El siguiente comentario evita la duplicación en esta materia.

Niveles sonoros máximos; niveles sonoros mínimos

Una medida de nivel sonoro máximo suele realizarse con ponderación temporal rápida (fast), pero algunos requisitos pueden prescribir la ponderación temporal lenta (slow). Cuando se selecciona el modo nivel sonoro máximo o mínimo, el aparato actualiza continuamente el valor indicado. En un sonómetro que «captura» y mantiene el valor máximo o mínimo del nivel sonoro con ponderación temporal exponencial rápida (fast) o lenta (slow) durante el tiempo de medición, el mayor nivel sonoro máximo y el menor mínimo son retenidos hasta que el circuito es reinicializado mediante un botón. Esta característica es muy útil para indicar el mayor nivel sonoro máximo rápido (fast) de un sonido que varíe con el tiempo, como el producido por un vehículo al pasar. Algunos aparatos digitales de medición del sonido tienen un circuito que mantiene el máximo o el mínimo, que se reinicializa automáticamente a intervalos fijos de tiempo. El mayor nivel sonoro máximo y el menor mínimo rápido (fast) medidos en los intervalos entre reinicializaciones se retienen hasta que lo solicite el operador del instrumento.

Niveles pico de presión sonora

Algunos sonómetros pueden mostrar una cantidad proporcional al nivel pico de presión sonora. En este modo, el instrumento captura y mantiene el nivel sonoro máximo instantáneo, pico, que se produce durante el período de medición. El circuito que mantiene el pico debe usar una constante de tiempo de 50 microsegundos o menor y debe retener el nivel pico de presión sonora hasta que se produzca un nivel de presión sonora más alto; entonces el indicador se actualiza. El circuito puede reinicializarse apretando el botón correspondiente (reset). La precisión de una medición del nivel pico de presión sonora depende de la precisión con que el aparato transforme y mantenga la forma de onda de la presión sonora. La fidelidad de la forma de onda eléctrica respecto a la forma de onda de la presión sonora original es una función de la frecuencia y de fase de respuesta del micrófono y del circuito electrónico. La ponderación de frecuencia «plana» de un aparato de medición del nivel sonoro, si está disponible, aporta la respuesta de frecuencia más amplia posible y habitualmente es la ponderación de frecuencia pre-

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.21

ferida para la medición del nivel sonoro pico. Para una máxima precisión, el micrófono ha de tener la mayor respuesta de frecuencia posible. La ponderación de frecuencia A no debe utilizarse para medir el nivel pico de presión sonora. Como muestra el Capítulo 11, una medida del nivel máximo de presión sonora rápido (fast) no sustituye al nivel pico de presión sonora.

Niveles sonoros percentiles

Cuando el nivel sonoro cambia rápidamente en un rango amplio durante un largo período de tiempo, puede ser útil un análisis estadístico tanto de las variaciones de nivel como de su duración. Para la medición del nivel de ruido en la comunidad, es práctica habitual medir el nivel sonoro con ponderación A que es superado durante x por 100 (habitualmente 10, 50 o 90 por 100) del tiempo durante el período de medida; por ejemplo, véase Figura 50.6. La ponderación temporal rápida (fast) es preferible para las mediciones de los niveles sonoros percentiles.

ANALIZADORES DE BANDA DE OCTAVA Y DE BANDA DE TERCIO DE OCTAVA

Una medida importante del ruido es su distribución de frecuencias, o sea, cómo se distribuye la presión sonora cuadrática media con la frecuencia. El proceso para determinar esta distribución se denomina análisis del espectro, y los instrumentos utilizados, analizadores de espectro5,6. El análisis de espectro y los analizadores de espectro se comentan en el Capítulo 8. Para análisis espectrales, la señal eléctrica que aporta el micrófono es amplificada y procesada en circuitos electrónicos. El resultado es presentado sobre un indicador o en alguna forma de muestra gráfica. El rango de frecuencias para el cual un filtro aporta relativamente poca atenuación se denomina el ancho de banda del filtro. Los analizadores que más frecuentemente se utilizan en el análisis acústico poseen un ancho de banda nominal que es proporcional (y un porcentaje constante) a la frecuencia central de la banda del filtro y son: (1) analizador de bandas de octava, que tiene una anchura de banda nominal de una octava, y (2) el analizador de bandas de un tercio de octava, que tiene una anchura nominal de una banda de tercio de octava. Algunos analizadores utilizan incluso anchos de banda proporcionales menores; otros utilizan bandas de frecuencia de ancho constante, en lugar de una relación de frecuencia constante. Un analizador de espectro en bandas de un tercio de octava puede aportar información más detallada acerca del contenido en frecuencias que un analizador de espectro de banda de octava. La atenuación de la respuesta de un filtro de paso de banda es pequeña en el entorno de la frecuencia central de la banda y luego aumenta rápidamente en las bandas de frecuencia de transición por debajo de la frecuencia del borde inferior y por encima de la frecuencia del borde superior, como ilustra la Figura 8.1. La Figura 5.8 muestra la atenuación relativa de la respuesta para implementaciones de filtros analógicos y digitales de banda de octava y banda de tercio de octava. La mayoría de los

5.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

-5 O

~~

~.

10

I

30 1 I

:

I

¡¡::

1

1

2:

·· .

/1

1)

3

- ...rv

70 80

\

,1 \.

\ 2

~,

,

/

60

\

\¡

/'

50

\

,

I

l

: \

I

I

40

ID "'C

~\

/

20

4

4

: .'

~

~

~~ ~~

I

g¡

'\

(a)

"'C

c:

'0

'oca

:l

c:

1

-5 O

I

CI)

~

10 .\

G.

,

20

~

/

1:

30

~\

':

1:

1:

40 1/

.

~

50

1:'

~/

60

':\ \ \ !

2

2: \ 3

/~. /

70

...

.. ....~ '

80 0,1

0,2

n)j

0,4

3

14

li

0,6 0,8 1

,

·, .

,

U~ 2

,

,

\ 1

i

4

6

810

Frecuencia normalizada, f/fm (b)

FIGURA 5.8. Atenuación medida en los filtros de banda de octava y de tercio de octava de los siguientes tipos: (1) implementación de un elemento activo analógico de un filtro Butterworth de 6 polos, (2) implementación digital de respuesta infinita de impulso de un filtro Chebyshev de 6 polos y (3) filtro digital de respuesta finita de impulso con un factor de forma aguda. En (4) se muestra un filtro ideal de paso de banda con atenuación de referencia en éste y atenuación infinita fuera del paso de banda. La atenuación del filtro depende de la atenuación de referencia especificada por el fabricante en el paso de banda del mismo. En el paso de banda del filtro, la frecuencia de la señal de entrada está normalizada por la frecuencia central exacta de la banda. (a) Para filtros de banda de octava; (b) para filtros de banda de tercio de octava. (Cortesía de Brüel y Kjaer, Larson-Davis y Phoenix Computing Services.)

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACUSTICA

5.23

analizadores de espectro pueden analizar niveles de señal a lo largo de un rango de 40 dB o más. El tiempo mínimo requerido para un análisis espectral preciso se comenta en el Capítulo 8. Los requisitos de rendimiento de las características eléctricas de los filtros incorporados en los analizadores de espectro de bandas de octava y de tercio de octava han sido estandarizados por el American National Standards Institute (ANSI)5 y por la International Electrotechnical Commission (IEC)6. Las frecuencias centrales nominales para los filtros de banda de octava y de tercio de octava de la Tabla 1.2 son las más habituales entre las frecuencias normalizadas7 ; las frecuencias centrales para los filtros de banda de octava se muestran en negrilla.

Analizadores de espectro de ancho de banda constante

Un analizador de espectro de ancho de banda constante posee filtros de anchuras de banda que son independientes de la frecuencia a que se emplea el filtro. Por ejemplo, supongamos que el ancho de banda del filtro es 20 Hz. Este analizador tiene un ancho de banda de 20 Hz ya sea que la frecuencia media del analizador se fije a 100, 1000 o 10.000 Hz. El filtro de banda de tercio de octava tiene, por ejemplo, anchos de banda nominales de 5,8, 7,3, 577 y 727 Hz a las frecuencias centrales nominales de 25, 31,5, 2500 y 3150 Hz, respectivamente. Así, a frecuencias altas, la anchura de banda de un tercio de octava es mucho mayor que 20 Hz. De forma contraria, para bajas frecuencias, el ancho de banda del analizador de bandas de tercio de octava es mucho menor que el ancho de banda constante del analizador de 20 Hz.

EQUIPO AUXILIAR La mayoría de los instrumentos de medición del nivel sonoro ofrecen una salida de corriente alterna (ae) que es el análogo eléctrico de la forma de onda de presión sonora que incide sobre el micrófono, modificada por las características de la ponderación de frecuencia seleccionada. La salida ac suele seleccionarse para conectar el sonómetro al equipo auxiliar, como puede ser un registro gráfico del nivelo una grabación en cinta magnética, descritos en el Capítulo 6.

Registros gráficos de nivel

Se puede obtener un registro continuo de la salida de los instrumentos para medir el nivel sonoro o la vibración conectándolos a un registro gráfico de nivel. Un registro gráfico de nivel es un voltímetro grabador que puede trazar el nivel del voltaje de entrada, linealmente en decibelios, sobre un papel que es movido por un motor a velocidad constante. La velocidad de trazado del registro gráfico de nivel es la velocidad a que se mueve la plumilla sobre el papel. Puede seleccionarse una velocidad de trazado que se aproxime a una ponderación temporal exponencial, rápida (fast) o lenta (slow).

5.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

REFERENCIAS 1. American national standard specification for sound level meters, ANSI S1.4-1983, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1983. 2. Sound level meters, lEC Standard 651:1979, Intemational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1979. 3. American national standard method for the calibration of microphones, ANSI S1.lO1966(R1986), Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1986. 4. Integrating-averaging sound level meters, lEC Standard 804:1985, Intemational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1985. 5. American national standard specification for octave-band and fractional-octave-band analog and digital filters, ANSI S1.11-1986, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483,1986. 6. Octave-band and fractional-octave-band filters, lEC Standard XXXX:199X, Intemational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 199x. 7. American national standard preferred frequencies, frequency levels, and band numbers for acoustical measurements, ANSI S1.6-1984, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1984.

6

Capítulo

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION Robert B. Randall

INTRODUCCION Este capítulo describe los principios de funcionamiento de la instrumentación habitualmente empleada en la medida de golpes y vibraciones, es decir, la medida de los parámetros que caracterizan la señal total (banda ancha). A continuación, se comenta el registro de señales. El análisis, sobre todo el análisis en frecuencia, se trata en el Capítulo 8. La Figura 6.1 muestra un sistema de medida típico, consistente en un preamplificador, un acondicionador (integrador) de la señal, un detector y un medidor indicador. La mayoría o todos estos elementos suelen combinarse en una unidad única denominada instrumento de medida de vibraciones, que se describe en una sección posterior. El preamplificador es necesario para convertir una señal muy débil de alta im"

Análisis

Señal del aceleró metro

..

l' '1 ¡ Copia dura ,

Preamplificador I Conversión de I impedancia l.

I I I

Integración de limitación de banda

I

Medida de rms, valores pico

I

Indicación

ti-

FIGURA 6.1. Diagrama de bloques de un típico sistema de medida de la vibración. 6.1

6.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

pedancia de un transductor piezoeléctrico típico en una señal de voltaje de baja impedancia, que es menos susceptible a la influencia de los efectos externos, como la captación electromagnética del ruido. El acondicionador (integrador) de la señal se utiliza para limitar el rango de frecuencias de la misma (si es posible para integrarlo de aceleración a velocidad y/o desplazamiento) y para aportar más amplificación. El detector se emplea para extraer de la señal aquellos parámetros que le caracterizan, como el valor RMS, valores pico y factor cresta. La denominada señal dc, o de variación lenta, del detector puede verse en un medidor, registrada gráficamente, o digitalizada y almacenada en una memoria digital.

PREAMPLlFICADORES ACELEROMETROS

Los tipos de preamplificadores acelerómetros incluyen: preamplificadores de voltaje, preamplificadores de carga y preamplificadores conductores de línea. En la actualidad, los preamplificadores de voltaje se usan poco porque, como se indica en el Capítulo 7, la sensibilidad al voltaje de un acelerómetro y un cable depende en gran medida de la longitud de este último. La sensibilidad de los otros dos tipos es virtualmente independiente de la longitud del cable y esto es de considerable importancia práctica. Un amplificador de carga utiliza un amplificador operacional que está acoplado a través de un condensador de manera que: (1) las capacidades del circuito derivado (capacidades del acelerómetro, cable y entrada) son comparativamente insignificantes y (2) el voltaje de salida es proporcional a la carga aplicada en la entrada. 1 Aunque con un preamplificador de carga la sensibilidad es independiente de la longitud del cable, el ruido en el circuito de impedancia alta aumenta a medida que lo hace la longitud del cable, de manera que es aconsejable tener el preamplificador montado tan cerca del transductor como sea posible. El amplificador conductor de línea representa una excelente solución a este problema, y ha sido posible mediante el desarrollo de circuitos miniaturizados con el grosor de una película. Así el amplificador puede conectarse al transductor, o incluso estar incluido dentro de él. En principio, el amplificador inicial puede ser del tipo de carga o de voltaje, pero puede resultar ventajoso tener la posibilidad de separar el amplificador del transductor mediante un cable corto, en cuyo caso el amplificador ha de ser del tipo de carga. Si la señal de salida del amplificador inicial se usa para modular la corriente o el voltaje de la fuente de energía, puede utilizarse un solo cable para la energía del amplificador y para transmitir la señal; en la fuente de energía, al otro extremo del cable, que puede ser muy largo (p. ej., hasta un kilómetro), la modulación es convertida en una señal de voltaje. El cable de salida de un preamplificador conductor de línea está menos sujeto a la captación de ruido electromagnético que el cable que conecta el trahsductor a un preamplificador de carga. Por otra parte, los preamplificadores conductores de línea suelen tener ciertas restricciones de los rangos dinámicos y de frecuencia, en comparación con los preamplificadores de carga generales de alta calidad, y por ello hay que hacer referencia a las especificaciones del fabricante a la hora de hacer una elección.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

6.3

ACONDICIONADORES DE LA SEÑAL (INTEGRADORES)

A menudo es necesaria una sección de acondicionamiento de la señal para limitarla por bandas, posiblemente para integrarla (a la velocidad y/o desplazamiento) y para ajustar la ganancia. Habitualmente se requiere que los filtros de paso alto y bajo eliminen las señales extrañas de frecuencias altas y bajas y restrinjan la medida al rango de frecuencias de interés. Para medidas de banda ancha, suele especificarse el rango de frecuencias, en tanto que para grabaciones en cinta y/o análisis posterior, la principal razón para restringir las frecuencias es eliminar los componentes extraños que pueden dominar y limitar el rango dinámico disponible de la parte útil de la señal. Algunos ejemplos de señales extrañas de baja frecuencia (véase Capítulo 7) son los efectos térmicos transitorios, los efectos triboeléctricos y la tensión de base del acelerómetro. Puede haber también algunas vibraciones de frecuencia baja transmitidas a través de la base desde fuentes externas. En el extremo de las frecuencias altas, hay que filtrar al menos la resonancia del acelerómetro mediante el adecuado filtro de paso bajo. El filtrado de paso alto y bajo no afecta a la señal en la entrada del amplificador, que debe enfrentarse con la gama dinámica completa de la señal del transductor. Así es posible que un preamplificador se sobrecargue, incluso cuando la señal de salida sea relativamente pequeña. En consecuencia, es importante que el preamplificador indique la sobrecarga cuando ésta se produzca.

Integración

Aunque en general un acelerómetro es el mejor transductor que se puede usar, a menudo es preferible evaluar la vibración en términos de velocidad o desplazamiento. La mayoría de los criterios para evaluar la vibración de maquinaria doméstica (Capítulo 39) son efectivamente de velocidad constante, como también lo son muchos criterios para evaluar los efectos de la vibración sobre edificios y seres humanos, al menos dentro de ciertos rangos de frecuencia (Capítulo 26). Algunos criterios de vibración (p. ej., para motores de avión) se expresan en términos de desplazamiento. Para máquinas rotatorias, a veces resulta deseable añadir el desplazamiento absoluto del bastidor al desplazamiento relativo del eje (medido a través de sondeos de proximidad) para determinar el movimiento absoluto del eje en el espacio. Las señales de aceleración pueden integrarse electrónicamente para obtener las señales de velocidad y/o desplazamiento; un aceleró metro y un integrador pueden producir una señal de velocidad que es válida para un rango de tres décadas (1000:1) en frecuencia; una característica que no suelen poseer habitualmente los transductores de velocidad. Más aún, mediante el simple cambio de la frecuencia del límite inferior (para integración válida) en el preamplificador, las tres décadas pueden moverse una década más sin cambiar el transductor. Un componente típico de vibración sinusoidal puede representarse mediante el término Aei"". Integrando éste una vez se obtiene [lI(jw)]Ae'w' y así la integración se corresponde en el campo de la frecuencia con una división entre jw. Esto es lo mis-

6.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

mo que un cambio de fase de -7r/2 y una ponderación de amplitud inversamente proporcional a la frecuencia y, por tanto, los circuitos electrónicos integradores deben poseer esta propiedad. Uno de los circuitos integrantes más sencillos es el RC, con una serie de resistencia R y un condensador de derivación e. Si e¡ representa el voltaje de entrada, el voltaje de salida eo viene dado por

eo = 1 + jwRC

(6.1)

que para frecuencias altas (wRC~ 1) se convierte en e eo "'" jwRC

(6.2)

que representa una integración, aparte de la constante de ordenamiento l/Re. Las características de la Ecuación (6.1) es la de un filtro de paso bajo con una pendiente de -20 dB/década y una frecuencia de cierre In = l/(27rRC) (correspondiente a wRC = 1). Los límites de!L (por debajo de los cuales no tiene lugar la integración) y Ir (por encima de los cuales se integra la señal) pueden tomarse aproximadamente como un factor de 3 a ambos lados de 1m para medición normal donde la precisión de la amplitud es lo más importante. Si la precisión de la fase es lo importante (p. ej., para medir valores pico verdaderos), el factor ha de ser algo mayor. Los integradores modernos tienden a usar filtros activos con una transición más localizada entre la región de no integración y la de integración. Una situación donde la elección del límite bajo de frecuencia es importante es en la integración de señales impulsivas, por ejemplo, en la determinación de la velocidad y desplazamiento máximos a partir de la entrada de un pulso de aceleración. La referencia 1 contiene directrices acerca de la elección del corte del integrador de frecuencia Ir en cada caso. Para una integración única (aceleración a velocidad), 1

! T <30t-p

(6.3)

Para una integración doble (aceleración a desplazamiento), 1

! T <50t-p donde tp es el tiempo desde el comienzo del pulso al máximo medido.

(6.4)

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

6.5

DETECTORES Los detectores se usan para extraer los parámetros que caracterizan a una señal, como los valores de la media aritmética, media cuadrática y raíz cuadrática media (RMS), como se definieron en el Capítulo 1. El valor de la media aritmética es la medida más simple, usando un rectificador de onda completa para obtener la magnitud instantánea y un circuito de igualación para obtener la media. Sin embargo, aunque existe una relación fija (pero diferente) entre los valores medios y RMS para las señales sinusoidales y gaussianas aleatorias, la relación varía notablemente para señales complejas y, en particular, se ve muy afectada por las relaciones de fase. Como los valores de la media cuadrática y RMS son independientes de las relaciones de fase, suelen preferirse como descriptores de la señal estacionaria; cuando se emplea un detector de media, suele ser como aproximación a un detector RMS. Los valores de la media cuadrática tienen la ventaja de ser directamente sumabIes cuando se suman dos señales (en particular, bandas de distinta frecuencia o componentes), en tanto que los valores RMS tienen la ventaja de que mantienen las mismas dimensiones y unidades que la señal original. Así, un detector de «RMS verdaderos» tiene que incluir una sección de cuadrados y otra de medias para obtener el valor de la media cuadrática, seguido de un extractor de la raíz cuadrada. Obtención de los cuadrados (((squaring»)

Los diseños modernos de los circuitos analógicos de «squaring», denominados detectores de logaritmo de la media cuadrática (lms), utilizan las características logarítmicas de algunos diodos para lograr el cuadrado mediante la duplicación del valor logarítmico de la señal rectificada. Este tipo no suele tener limitación sobre el valor cresta (v. g., relación entre el valor pico y el valor RMS) otra que la dada por el rango dinámico. De forma similar, los instrumentos digitales logran el cuadrado verdadero y sólo están limitados por el rango dinámico del detector.

Obtención de la media (promedio)

La definición del valor de media cuadrática asume una ponderación uniforme para todo el tiempo T que se promedia. En la práctica, para las medidas de señales continuas, a menudo es preferible tener una media acumulativa, que aporta en cualquier momento el valor medio durante los T segundos previos. Es extremadamente difícil lograr una media acumulativa ponderada linealmente y por ello se suele recurrir a dos alternativas: 1. Media acumulativa ponderada exponencialmente. En la mayoría de los instrumentos analógicos, se logra mediante un circuito de igualamiento Re y también mediante el promedio exponencial en instrumentos digitales, como los analizadores basados en las «transformadas rápidas de Fourier» (Fast Fourier Transform, FFT).

6.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

2. Media con ponderación lineal durante un período fijo de tiempo T. El resultado sólo está disponible al final de cada período y suele mantenerse hasta que es procesado, por lo que pueden perderse datos nuevos de entrada.

El proceso de hallar la media actúa como un filtro de paso bajo para retirar los componentes de ondulación de las frecuencias altas y dejar la dc, que varía lentamente, o el valor medio. En la referencia 1, se muestra que las características del filtro de paso bajo y de los circuitos para promedio exponencial y lineal son equivalentes para el caso en que T = 2RC (donde RC es la constante de tiempo del descenso exponencial). Esta filtración de paso bajo en el dominio de frecuencias corresponde al acoplamiento del tiempo con la respuesta de impulso del circuito promediador. En la Figura 6.2 se comparan las dos respuestas de impulso (invertidas en tiempo debido al acoplamiento) para el mismo caso en que T = 2RC. Cuando se escalan para dar lugar al mismo resultado sobre señales estacionarias (igual área bajo la curva), la salida máxima para la media exponencial es el doble que la de la media lineal. Hay que tener en cuenta este aspecto en el análisis de los impulsos. Un método para comprobar el promedio temporal efectivo de un promediador exponencial es retirar la excitación y medir la tasa de descenso de la salida. Esta será 4,34 dB por tiempo constante Re u 8,7 dB para el tiempo promedio T. Esto no se aplica a los analizadores FFT funcionando por encima de su frecuencia de tiempo real, de la misma manera que el tiempo promedio lineal efectivo es menos que el tiempo requerido para obtener el resultado.

2fT= 1fRC

Promedio exponencial

I

(R~

'l JI

1,5fT

JI JI

Promedio lineal

"-..

/

/1 / I I // I / I // I .....--I

1fT

/

O,5fT

-=~~-------------L----~==~==~

___ Tiempo

R-C

Tiempo de promedio T

FIGURA 6.2. Comparación del promedio lineal (para un tiempo T) con el promedio exponencial (constante de tiempo RC) en el ámbito del tiempo para el caso en que T = 2RC. Las curvas de ponderación representan las funciones de la respuesta impulso invertida en el tiempo.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

6.7

Detectores de pico

En algunos casos se requiere medir los valores pico verdaderos de la señal original (por ejemplo, para evitar sobrecargar una grabadora). Existen detectores de pico que capturan el mayor valor encontrado y bien lo mantienen hasta que son reinicializados o hacen que descienda lentamente hasta que se pueda hacer una lectura visual del valor en un medidor. Hay que tener cuidado a la hora de distinguir entre un valor pico máximo positivo, un pico máximo negativo, un pico máximo (positivo o negativo) y los valores de pico a pico (Figura 6.3). También hay que tener la precaución de distinguir entre valores pico verdaderos y lo que se denomina de forma aproximada como vibración pico a pico, que, a menudo, se asume sinusoidal y se mide con un detector de promedio.

Factor de cresta

El factor de cresta es la relación entre el valor pico y el valor RMS. Hay que utilizar el valor de pico máximo (positivo o negativo). Sólo tiene sentido allí donde los valores pico son razonablemente uniformes y pueden repetirse de una muestra a otra. El factor cresta aporta una medida de cuán puntiaguda es la señal y suele usarse para caracterizar señales que contienen impulsos repetitivos además de una señal continua de bajo nivel. Ejemplos de este tipo de señales de vibración son las de las máquinas alternativas y las producidas por faltas localizadas en engranajes y elementos rodantes de cojinetes.

Detectores de envolventes

Las señales de vibración de muchas máquinas de interés contienen golpes repetitivos de alta frecuencia, como resultado de resonancias de excitación de alta frecuencia a intervalos regulares. El análisis directo de la frecuencia de una señal no siempre ofrece mucha información sobre las frecuencias de repetición, sobre todo cuando las resonancias excitadas son de frecuencias muy altas. Estas frecuencias de repetición son, sin embargo, fáciles de medir mediante la envolvente de la señal

r

Máximo pico positivo

ro

o negativo)

'"

~ Q)

"O "O

=

= Máximo pico (positivo

'c Q)

O ~----4.------~~---4.--------+----~~-----Tiempo

::J

.'::

o. E

«

FIGURA 6.3.

Ilustración de varios valores pico.

6.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ilustrada en la Figura 6.4. Muy a menudo, la señal se filtra con un paso de banda en una región de frecuencias dominada por los golpes repetitivos (v.g., una de las regiones que contiene resonancias que son excitadas y donde la señal de fondo extraña es baja). La verdadera envolvente de la señal puede obtenerse usando un detector de pico con un tiempo de descenso constante fijado lo suficientemente corto como para seguir las variaciones relativamente lentas en la envolvente de la señal (rectificada). Si se pasa la señal, en primer lugar, a través de un filtro de paso de banda, tendrá una forma aproximadamente sinusoidal con una amplitud que varía lentamente y habrá una relación fija entre el valor pico y el valor RMS (a corto plazo) o el valor pico y el valor medio, en cuyo caso puede utilizarse un detector RMS o de promedio en lugar de un detector de pico. Más aún, si el análisis de frecuencia de la señal se va a obtener mediante un analizador FFf, no es necesario aplicar un circuito igualador, ya que los filtros (véase Capítulo 8) retirarán automáticamente los componentes de onda de alta frecuencia en la señal rectificada. Así, un filtro sintonizable de paso de banda de, por ejemplo, un ancho de banda de un tercio de octava, seguido de un rectificador de onda completa, puede utilizarse como detector de la envolvente, en casos en que los golpes de repetición de las frecuencias sean el interés primordial. Como se indica en el Capítulo 8, la envolvente de las señales también puede calcularse mediante las técnicas de transformación de Hilbert en un analizador FFf.

APARATOS OE MEOICION DE LA VIBRACION Los aparatos de medición de la vibración son instrumentos que reciben una señal de un transductor de vibración y la procesan para dar una indicación de los parámetros relevantes a ella. A veces se construyen específicamente para satisfacer ciertas normas, por ejemplo, ISO 2372, «Deterioro por vibración de las máquinas rotatorias», o ISO 2631, «Vibración humana». En estos casos, los requisitos se especifican en la norma relevante; el comentario aquí va dirigido hacia los aparatos de medición de la vibración de propósito general.

ro .c:: al

Ul

.!!! al

"C "C

"

V

Envolvente de la señal

\ \

\.

\

\

..... Tiempo

:::l

.'::

C. E

<

Secuencia original de golpes

FIGURA 6.4. Ilustración de la envolvente de la señal para una señal impulsiva que contiene golpes de frecuencia alta muy repetitivos.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

6.9

Para la medición en la mayoría de las máquinas rotatorias, es deseable un rango de frecuencias de 10 Hz a 10 kHz. El límite inferior incluye la velocidad del fuste de todas las máquinas que funcionan a más de 600 rpm y cualquier componente subarmónico, como el torbellino de aceite de máquinas rotatorias de alta velocidad sobre un plano, donde estos efectos son más notorios. La frecuencia superior de 10 kHz incluye frecuencias de engranajes y sus armónicos en cajas de cambios, las frecuencias de paso de las cuchillas de la mayoría de las máquinas cortadoras, y frecuencias de resonancia típicamente excitadas por faltas en elementos rodantes. La posibilidad de elegir entre un número de límites de frecuencia superiores e inferiores dentro del rango global puede ser una ventaja. Por ejemplo, la restricción de la frecuencia superior a 1 kHz permite medidas de acuerdo con la norma ISO 2372, previamente citada. Puede ser necesario ir a frecuencias por debajo de 10 Hz con fines especiales, por ejemplo, en medidas de máquinas de baja velocidad y en ,puentes y otras estructuras. Es posible cubrir un rango total de 1 Hz a 10 Hz con un acelerómetro; si el instrumento puede aceptar una gama de transductores, puede ampliarse su propio rango de frecuencia. Si hay que restringirse a un solo parámetro de vibración, la velocidad suele ser la mejor elección, ya que la mayoría de las señales de vibración de las máquinas tienen un espectro de velocidad aproximadamente uniforme, de manera que un aumento en cualquier frecuencia tiene aproximadamente la misma probabilidad de influir sobre los niveles globales de vibración. También es deseable poder medir la aceleración y el desplazamiento; los cambios en frecuencias bajas se reflejan fundamentalmente en el valor de desplazamiento, en tanto que los cambios en frecuencias altas tienen más efecto sobre el valor de aceleración. Además de la medición de los valores RMS en cada uno de los parámetros de la vibración, resulta ventajoso poder medir algún parámetro indicador de la agudeza de la señal, como los valores pico (y por tanto el factor cresta), curtosis, energía de las puntas o valor del impulso. Por último, resulta útil, si el instrumento tiene una salida ac, permitir que la señal alimente una grabadora o unos auriculares. En ausencia de un análisis de frecuencia, el oído humano puede discernir mucha información acerca de las características de una señal y esta composición aporta un excelente estetoscopio. Es preferible que la señal ac se seleccione de un solo parámetro (aceleración, velocidad o desplazamiento); hay que restringir el rango de frecuencia lo menos posible.

GRABADORAS Las técnicas de grabación más frecuentemente utilizadas para la instrumentación son grabación directa, de frecuencia modulada (FM) y digital. En la grabación directa, la amplitud de la señal se refleja a sí misma directamente en el grado de magnetización local de la cinta, en tanto que en la grabación FM, la amplitud de la información se contiene en la desviación de la frecuencia de un tono carrier a partir de su valor nominal. Así, el grado de magnetización de la cinta resulta menos crítico para la grabación FM y los puntos grabados suelen estar saturados. Por tanto, una

6.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de las ventajas de la grabación en FM es que las señales registradas son menos susceptibles a los cambios debidos a las malas condiciones de almacenamiento (calor, luz y tensión de campos magnéticos). Por otra parte, como la frecuencia carrier suele ser de 3 a 5 veces mayor que la frecuencia máxima de la señal en la grabación FM, las velocidades de las cintas (y por tanto la cantidad de cintas utilizadas) ha de ser de 3 a 5 veces mayor para un rango determinado de frecuencia. La principal diferencia entre las dos técnicas es su capacidad para registrar señales de baja frecuencia. Dado que lo que se detecta al volver a oír una grabación directa es la tasa de cambio en la magnetización de la cinta, esta técnica no puede grabar por debajo de la de; el límite inferior de frecuencia típico es 25 Hz. Por otra parte, la grabación FM puede registrar por debajo de de; una señal dc es presentada simplemente como una desviación constante de la frecuencia carrier. Dado liJ.ue al volver a oír las grabaciones directas hay que integrar la señal detectada y compensar otros efectos, como las propiedades magnéticas de la cinta, esto suele hacerse mediante redes de igualación diseñadas fundamentalmente para aportar linealidad de la amplitud; la linealidad de fase no es buena. Así, es probable que la forma real de las señales se vea modificada por la grabación directa; no se puede confiar en los valores pico. La linealidad de fase de la grabación FM es excelente para todo el rango, salvo para la parte de frecuencias más altas, donde los efectos del filtro requerido de paso bajo se hacen significativos. Una de las características más importantes de una grabadora es su rango dinámico, ya que la grabadora es el elemento de la cadena de medición cuyo rango dinámico está probablemente más restringido. El rango dinámico suele expresarse en términos de la relación señal - ruido, que típicamente es 40 dB para grabación FM y hasta 50 dB para grabación directa. Sin embargo, estos números pueden ser algo equívocos, porque el ruido a que se hace referencia es una magnitud total sobre el rango completo de frecuencia y tiene menos influencia en un análisis de banda estrecha. Después del análisis de banda estrecha, el nivel de ruido para la grabación FM suele estar más de 60 dB por debajo de la escala completa, en comparación con los 70 u 80 dB para digitalización del ruido en un analizador de frecuencia moderno. La Tabla 6.1 resume los rasgos más importantes de las grabaciones FM y directa. Algunas grabadoras pueden registrar usando ambas técnicas, en cuyo caso las cabezas suelen estar optimizadas para FM y la relación entre la señal y el ruido para la grabación directa está algo reducida. El añadido más importante aportado por la grabación directa es la posibilidad de registrar las frecuencias más altas, típicamente de 50 a 100 kHz. TABLA 6.1.

Comparación de técnicas de grabación directa y de FM

Característica

Directa

FM

Rango dinámico (típico, banda estrecha) Límite de frecuencia inferior (típico) Límite de frecuencia superior (típico) Estabilidad de la amplitud Linealidad de fase Preservación de la información registrada

70dB 25 Hz 50kHz Aceptable Mala Aceptable

60dB dc 10kHz Excelente Buena Buena

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

6.11

Ambas técnicas están limitadas por la precisión del sistema de transporte de la cinta y pequeñas variaciones en la orientación y velocidad de la cinta dan lugar a distorsiones.

Grabadoras digitales

Hay disponibles instrumentos de grabación basados en el principio de modulación por código de pulsos (PCM). Estos han sido desarrollados a partir de grabadoras de cintas digitales (DAT) y poseen muchas características comunes. Una típica cinta DAT puede registrar, durante 2 horas, dos canales de 20.000 Hz, cuatro canales de 10.000 Hz o más canales con rangos de frecuencia proporcionalmente inferiores. Los problemas de distorsiones pueden ser eliminados en gran medida mediante grabaciones digitales porque la muestra de frecuencias, durante la grabación y la audición, no está ligada directamente a la velocidad de la cinta o de las cabezas rotatorias y puede realizarse con mucha precisión. El rango dinámico es dependiente sobre todo del número de bits utilizados en la digitalización, pero suele igualar el de los analizadores digitales de señal, dando lugar aproximadamente a 20 dB más que las típicas grabaciones analógicas. Para la grabación de dos canales, la tasa global de muestreo es 96 kHz (48 kHz por canal), cada muestra de 16 bits o 2 bytes, de manera que la cantidad global de datos almacenados en una cinta DAT está muy por encima de 1 gigabyte. Como en cualquier procesamiento digital, la señal a grabar no debe contener ningún componente de frecuencia por encima de la mitad de la frecuencia de muestra. No es posible determinar si se ha satisfecho esta condición una vez hecho el muestreo, por lo que habitualmente es necesario filtrar las señales que se van a grabar con un filtro muy agudo. Típicamente, éstos son filtros elípticos de siete polos con una frecuencia de corte al 40 por 100 de la frecuencia de muestra y 120 dB por octava. Filtros menos agudos pueden utilizarse para reducir los efectos de distorsión de fase en las proximidades de la frecuencia de corte, pero ésta ha de reducirse de forma acorde. Para evitar más distorsiones, es frecuente utilizar técnicas de interpolación digital para aumentar la tasa de muestra al volver a oír la cinta, permitiendo así el uso de filtros mucho más «leves» para igualar la salida de los conversores de digital a analógico.

REFERENCIA 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 33 ed., Capítulo 13, McGraw-HiII, Nueva York, 1988.

Capítulo

7

TRANSDUCTORES DE VIBRACION Eldon E. Eller Robert M. Whittier

INTRODUCCION Algunos materiales en estado sólido responden eléctricamente a la fuerza mecánica; a menudo se utilizan como elementos de transducción mecánica a eléctrica en los transductores del impacto y la vibración. Por lo general, exhiben una rigidez altamente elástica y pueden dividirse en dos categorías: el tipo autogenerador, en que la carga eléctrica se genera como resultado directo de la fuerza aplicada, y el tipo de circuito pasivo, en que la fuerza aplicada produce un cambio en las características eléctricas del material. Un material piezoeléctrico es aquel que produce una carga eléctrica proporcional a la tensión aplicada sobre él, dentro de su rango elástico lineal. Los materiales piezoeléctricos son del tipo autogenerador. Un material piezorresistente es aquel cuya resistencia eléctrica depende de la fuerza aplicada. Los materiales piezorresistentes son del tipo de circuito pasivo. Un transductor (a veces denominado captador o sensor) es un dispositivo que convierte el movimiento de impacto o la vibración en una señal óptica, mecánica o, más habitualmente, eléctrica, que es proporcional a un parámetro del movimiento experimentado. La parte del transductor que logra la conversión del movimiento en señal se denomina elemento transductor Un instrumento de medida o un sistema de medida convierte el movimiento del impacto o la vibración en un formato observable que es directamente proporcional a un parámetro del movimiento experimentado. Puede consistir en un transductor con un elemento transductor, un equipamiento acondicionador de la señal y un aparato para mostrar la señal. Un instrumento contiene todos estos elementos en un paquete, en tanto que un sistema utiliza varios paquetes. Un acelerómetro es un transductor cuya salida es proporcional a la aceleración 7.1

7.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de entrada. La salida de un indicador de fuerza es proporcional a la fuerza de entrada; un indicador de impedancia contiene un acelerómetro y un indicador de fuerza. Este capítulo está fundamentalmente relacionado con los acelerómetros fabricados con materiales piezoeléctricos, el tipo más ampliamente utilizado. También se consideran brevemente los indicadores de fuerza y de impedancia. Los transductores piezorresistentes se describen en el Capítulo 12 de la Referencia 1. En principio, los movimientos de impacto y vibración se miden con referencia a un punto fijo en el espacio mediante cualquiera de los dos tipos distintos de transductores: 1. Transductor de referencia fija. Un terminal del transductor está conectado a

un punto fijo en el espacio; el otro terminal está conectado (p. ej., mecánica, eléctrica u ópticamente) al punto cuyo movimiento se va a medir. 2. Transductor de masa y muelle (transductor sísmico). El único terminal es la base de un sistema de masa y muelle; esta base está conectada al punto donde se va a medir el impacto o la vibración. El movimiento del punto se infiere a partir del movimiento de la masa respecto de la base. Debido a que a menudo resulta imposible establecer una referencia fija para la medida del impacto y la vibración, muchos transductores (incluidos los que se describen en este capítulo) son del tipo masa y muelle, mostrado esquemáticamente en la Figura 7.1; consiste en una masa m suspendida de la caja del transductor mediante un muelle de rigidez K. El movimiento de la masa dentro de la caja puede amortiguarse mediante un fluido viscoso o corriente eléctrica simbolizada mediante un contenedor de choque con un coeficiente de amortiguación c. Se pretende medir el movimiento de la parte móvil, cuyo desplazamiento, con respecto al espacio fijo, está indicado por u. Cuando la caja del transductor se conecta a la parte móvil, puede usarse para medir el desplazamiento, la velocidad o la aceleración, dependiendo de la parte del rango de frecuencia que se utilice y de si el elemento transductor es sensible al desplazamiento relativo o a la velocidad relativa df:ldt.

FIGURA 7.1. Transductor del tipo masa-muelle de un instrumento de medida de la vibración consistente en una masa m sujeta mediante un muelle ky un amortiguador viscoso c. La caja del instrumento está conectada a la parte móvil, cuyo movimiento vibratorio u se infiere a partir del movimiento relativo 8 entre la masa m y la caja a.

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.3

CARACTERISTICAS DEL ACELEROMETRO Sensibilidad

La sensibilidad de un instrumento de medida de impactos y vibraciones es la relación entre su salida eléctrica y su entrada mecánica. La salida suele expresarse en términos de voltaje por unidad de desplazamiento, velocidad o aceleración. Esta especificación de sensibilidad es suficiente para instrumentos que generan su propio voltaje independiente de una fuente externa de potencia de voltaje. Sin embargo, la sensibilidad de un instrumento que requiera un voltaje externo suele especificarse en términos de voltaje de salida por unidad de voltaje aportada al instrumento por unidad de desplazamiento, velocidad o aceleración; p. ej., milivoltios por voltio por g de aceleración. Es importante definir los términos en que se expresan los parámetros respectivos, p. ej., media, RMS o pico. La Figura 7.2 muestra la relación entre estos términos. Resolución

La resolución de un transductor es el cambio más pequeño en la entrada mecánica (p. ej., aceleración) para la que es discernible un cambio en la salida eléctrica. La resolución de un acelerómetro es una función del elemento transductor y del diseño mecánico. El equipo de registro, el indicador y otros equipamientos auxiliares que se utilizan con los acelerómetros determinan a menudo la resolución del sistema global de medida. Si la salida eléctrica de un instrumento se indica mediante un medidor, la resolución puede establecerse mediante el menor incremento que pueda leerse en el medidor. La resolución puede estar limitada por los niveles de ruido en el ins-

Tiempo -

FIGURA 7.2. Relación entre los valores medios, RMS, pico y de pico a pico para una onda sinusoidal simple. Estos valores se utilizan al especificar las sensibilidades de los transductores de impacto y vibración (p. ej., milivoltios pico por g pico, o milivoltios RMS por desplazamiento de pico a pico). Estas relaciones no se mantienen más que para ondas sinusoidales simples.

7.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

trumento O en el sistema. En general, cualquier cambio de señal menor que el nivel de ruido será enmascarado por el ruido, determinando así la resolución del sistema. Sensibilidad transversal

Si un transductor está sometido a una unidad de amplitud sobre su eje de máxima sensibilidad, la amplitud del voltaje de salida emax es la sensibilidad. La sensibilidad eo a lo largo del eje X, inclinado un ángulo e respecto del eje de emax;, es en = emax cose, como ilustra la Figura 7.3. De forma parecida, la sensibilidad a lo largo del eje y es el = emax sene. En general, el eje de sensibilidad de un transductor está definido. De forma ideal, el eje X sería designado como eje sensible y el ángulo e sería cero. En la práctica, sólo puede lograrse que e se acerque a cero, debido a las tolerancias de fabricación y/o las variaciones impredecibles en las características del elemento transductor. Entonces la sensibilidad transversal se expresa como la tangente del ángulo, es decir, la relación entre el Yeo : el

-=tane eo

(7.1)

En la práctica, la tangente de e está entre 0,01 y 0,05 Yse expresa como un porcentaje. Por ejemplo, si la tan e = 0,05, se dice que el transductor tiene una sensibilidad transversal deIS por 100. La Figura 7.4 es un representación polar típica de sensibilidad transversal. Linealidad de la amplitud y límites

Cuando la relación entre la salida eléctrica de un transductor y la entrada mecánica (la sensibilidad) permanece constante dentro de unos límites especificados, se dice que el transductor es «lineal» dentro de esos límites, como ilustra la Figura 7.5. Un

x e,

J------y

z FIGURA 7.3. La sensibilidad designada eo y la sensibilidad eft que se produce cuando el eje de máxima sensibilidad emllx no está alineado con el eje de eo •

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.5

z FIGURA 7.4. Representación gráfica de la sensibilidad de un transductor en todos los ejes normales al eje designado eo, representada de acuerdo con los ejes que muestra la Figura 7.3. La sensibilidad alcanza un valor máximo eta lo largo del eje Yy el valor mínimo a lo largo del eje Z

transductor sólo es lineal en un rango determinado de valores de amplitud. El límite inferior de este rango está determinado por el ruido eléctrico del sistema de medición. El límite superior de la linealidad puede estar impuesto por las características eléctricas del elemento transductor y por el tamaño o la fragilidad del instrumento. Generalmente, cuanto mayor es la sensibilidad de un transductor, menos lineal será. De la misma manera, para valores de aceleración muy altos, las grandes fuerzas producidas por el muelle del sistema de masa-muelle pueden superar la resistencia de una parte del instrumento, produciendo una conducta no lineal o un fallo completo. Rango de frecuencias

El rango de frecuencias de funcionamiento es aquel para el que la sensibilidad del transductor no varía más que el porcentaje establecido a partir de la sensibilidad tasada. Este rango puede estar limitado por las características eléctricas y mecánicas del transductor o por el equipamiento auxiliar asociado. Estas limitaciones pueden añadirse a los límites de la linealidad de la amplitud para definir completamente los rangos de funcionamiento del instrumento, como ilustra la Figura 7.6.

Límite de baja frecuencia. La respuesta mecánica de un transductor de masamuelle no impone un límite de baja frecuencia para un transductor de aceleración, debido a que responde a la vibración con frecuencias inferiores a la frecuencia natural del transductor. Al evaluar el límite de baja frecuencia, es necesario considerar las características eléctricas tanto del transductor como del equipamiento asociado. En general, un elemento transductor que utiliza potencia externa no tiene un límite de baja fre-

7.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

o

~

::¡

iñ Ui

zw

LIMITES ESPECIFICADOS DE LINEALIDAD I---RANGO LlNEAL---

CJ)

AMPLITUD DE VIBRACION DE ENTRADA

FIGURA 7.5. Gráfico típico de la sensibilidad en función de la amplitud para un transductor de impacto y vibración. El rango lineal se establece mediante la intersección de la curva de sensibilidad y los límites especificados (líneas a trazos).

cuencia, en tanto que un elemento transductor autogenerador (como un sensor piezoeléctrico) no funciona a una frecuencia cero,. La respuesta en frecuencia de los amplificadores y otros componentes del circuito puede limitar la frecuencia útil más baja de un sistema de instrumentación.

Límite de altajrecuencia. Un transductor de aceleración (acelerómetro) posee un límite superior de frecuencia útil porque responde a la vibración cuya frecuencia es inferior a la frecuencia natural (de resonancia) del transductor. El límite está en función de: (1) la frecuencia natural y (2) la amortiguación del transductor. El intento de utilizar el transductor más allá de la frecuencia límite puede dar como resultado la distorsión de la señal, como ilustra la Figura 7.7. El límite superior de frecuencia (límite de alta frecuencia) es importante para los instrumentos de medición de la vibración ligeramente amortiguada, ya que los aparatos exageran las cantidades pequeñas de componentes armónicos que pueden estar en movimiento, incluso cuando la frecuencia de funcionamiento está dentro del rango operativo del instrumento. La excitación de un instrumento no amortiguado a su frecuencia natural puede dañarlo o enmascarar la medida deseada. La Figura 7.7 muestra como una pequeña cantidad de distorsión armónica en el movimiento vibratorio puede exagerarse mediante un transductor no amortiguado. Cambio dejase. El cambio de fase es el retraso temporal entre la entrada mecánica y la salida eléctrica de la señal de un sistema de instrumentación. Salvo que las características del cambio de fase de un sistema de instrumentos satisfagan ciertos requisitos, se puede producir una distorsión consistente en la superposición de la vibración a varias frecuencias distintas. Si un acelerómetro no está amortiguado, el ángulo de fase es 8] = 0, para valores de w/wn inferiores a 1,0; así la fase del desplazamiento relativo Á es igual a la de la aceleración que se está midiendo, para todos los valores de frecuencia dentro del rango útil del acelerómetro. Por tanto, un acelerómetro no amortiguado mide la aceleración sin distorsión de fase. Si el factor de amortiguación crítica' para un acelerómetro es 0,65, el ángulo de fase 8] aumenta aproximadamente de forma lineal con la relación de frecuencias w/wn. dentro del

7.7

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

g' 102 1---7"-"<1-7".

~ el C§ Ü O

..J

~10-1

~

Cl

Z

~ 10--

2

O Ü

«

O

i? 10--3

a: w

::J

..J W

a..

U

~ 10-41---7L..t-?""

10-5 1

'---.L..J.--''-'-~

«

_ _-'-~

10 102 103 104 105 FRECUENCIA. Hz

FIGURA 7.6. Rango de funcionamiento lineal de un transductor. Los límites de linealidad de la amplitud se muestran como una combinación de los valores de desplazamiento y aceleración. Los límites inferiores de amplitud suelen expresarse, como aquí se muestra, en valores de aceleración.

rango de frecuencia útil del acelerómetro. Entonces la expresión del desplazamiento relativo puede reescribirse de la siguiente forma: 8 = 80 cos(wt - e)

=

80 cos(wt - aw)

=

80 cosw(t - a)

(7.2)

donde a es una constante. Así, el movimiento relativo 8 del instrumento está desfasado respecto a la aceleración ü que se está midiendo; sin embargo, el incremento a lo largo del eje de tiempo es una constante independiente de la frecuencia. En consecuencia, la forma de onda de la salida de un acelerómetro no está distorsionada, sino que está retrasada con respecto a la forma de onda de la vibración que se está midiendo. Cualquier valor de aceleración en un acelerómetro diferente de ~ = Oo ~ = 0,65 (aproximadamente) da como resultado un cambio de fase no lineal con la frecuencia y la consecuente distorsión de la forma de onda. Los acelerómetros piezoeléctricos tienen un valor de amortiguación interna extremadamente bajo.

Efectos ambientales

Temperatura. La temperatura puede afectar a la sensibilidad, la frecuencia natural y la amortiguación de un transductor. Los efectos específicos producidos dependen del tipo de transductor y los detalles de su diseño. La sensibilidad puede aumentar o reducirse con la temperatura, o permanecer relativamente constante. Se

7.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 7.7. Respuesta distorsionada (línea continua) de un acelerómetro de masamuelle ligeramente amortiguado (, < 0,1) frente a la vibración que incluye un pequeño contenido armónico de la misma frecuencia que la frecuencia natural del acelerómetro.

pueden usar dos mecanismos distintos para compensar los efectos de la temperatura. 1. La temperatura de captación puede mantenerse constante mediante calentamiento o enfriamiento local. 2. Pueden medirse las características de la captación en función de la temperatura y, si es necesario, aplicar entonces las correcciones adecuadas a los datos medidos.

Humedad. La humedad puede afectar a las características de ciertos tipos de instrumentos de medida de la vibración. En general, un transductor que funciona a impedancia eléctrica alta se ve más afectado por la humedad que el que opera a baja impedancia eléctrica. Habitualmente no resulta práctico corregir los datos medidos para los efectos de la humedad. Sin embargo, a menudo los instrumentos, que de otra forma se verían afectados por la humedad, son sellados herméticamente para protegerlos de ella.

Ruido acústico. A menudo, ondas sonoras de alta intensidad acompañan a la vibración. Si la estructura del transductor o del equipamiento auxiliar puede vibrar debido a la excitación acústica, podría dar como resultado errores graves en la señal. A veces, la vibración que se va a medir es la fuente de la energía acústica; en otros casos, la energía acústica induce la vibración que se va a medir. Sólo en este último caso la relación entre la energía acústica y la energía de la vibración es suficientemente alta como para producir errores significativos. En general, un acelerómetro sometido a energía acústica no produce una salida eléctrica equivalente al voltaje producido por una aceleración de 1 g hasta que el nivel de presión sonora del ruido acústico supera los 150 dB. Es probable que con un nivel de presión sonora tan elevado el nivel de vibración sea grande y el error introducido por el ruido acústico no sea importante. Cuando hay que medir una vibración de pequeña magnitud en un campo acústico de intensidad alta, hay que medir la respuesta del acelerómetro al campo acústico por separado, con el fin de determinar el efecto del rui-

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.9

do sobre la medida de la vibración. Al realizar esta prueba, el transductor debe estar montado de manera que no se ponga en vibración debido al campo acústico.

Propiedades físicas

El tamaño y el peso de un transductor son consideraciones muy importantes en muchas mediciones de impacto y vibración. Un instrumento grande puede requerir una estructura de montaje que cambiará las características de vibración local de la estructura cuya vibración se está midiendo. De la misma manera, la masa añadida del transductor puede producir cambios sustanciales en la respuesta vibratoria de la estructura. Por lo general, la frecuencia natural de una estructura disminuye al añadirle masa; específicamente, para una estructura simple de masa-muelle:

fn-tlfn= fn

~

"'~

(7.3)

donde fn= frecuencia natural de la estructura tlfn= cambio en la frecuencia natural m= masa de la estructura !lm= aumento en la masa que se produce al añadir el transductor En general, para un tipo determinado de elemento transductor, la sensibilidad aumenta aproximadamente en proporción a la masa del transductor. En la mayoría de las aplicaciones, es más importante que el transductor sea de tamaño pequeño a que tenga alta sensibilidad, porque la amplificación de la señal aumenta la salida a un nivel útil. Los transductores del tipo masa-muelle para la medición del desplazamiento suelen ser más grandes y pesados que los transductores semejantes para la medida de la aceleración. En los del primer tipo, la masa tiene que permanecer estacionaria en el espacio, mientras la caja del instrumento se mueve a su alrededor; este requisito no es necesario para los segundos. Para la medición del impacto y la vibración en aviones o misiles, son importantes el tamaño y el peso, no sólo del transductor, sino también del equipamiento auxiliar. En estas aplicaciones, los instrumentos autogeneradores que no requieren potencia externa pueden ofrecer una ventaja significativa.

ACELEROMETROSP~ZOELECTRICOS

Principio de funcionamiento

Un acelerómetro del tipo que muestra la Figura 7.8a es un transductor lineal sísmico que utiliza un elemento piezoeléctrico, de tal manera que se produce una carga eléctrica que es proporcional a la aceleración aplicada. Este transductor piezoe-

7.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Salida eléctrica

(a)

Amortiguación c

\

l

x l

Masa

Constante del muelle, , represeñfanao -el- r-----1---,;-;-.........~_.., r----'---:-:--'--"",-.L..--..,elemento piezoeléctrico '------,....._ _---' Marco Referencia inicial

(b)

i

u Movimiento Marco desplazado (~

FIGURA 7.8. (a) Diagrama esquemático de un acelerómetro piezoeléctrico sísmico lineal. (b) Una representación esquemática del acelerómetro que se muestra en (a) que se aplica sobre la mayoría del rango de frecuencias útiles. Una masa m descansa sobre el elemento piezoeléctrico, que actúa como muelle con una constante k. La amortiguación en el sistema, representada por el cuenco, posee un coeficiente c. (c) El marco es acelerado hacia arriba, produciendo un desplazamiento u del mismo, moviendo la masa desde su posición inicial en una magnitud xy comprimiendo el muelle en una magnitud 8.

léctrico sísmico «ideal» puede representarse (para la mayor parte de su rango de frecuencias) mediante los elementos que muestra la Figura 7.8b. Una masa se apoya sobre un muelle lineal que está unido a la caja del instrumento. El cristal piezoeléctrico que produce la carga actúa como muelle. La amortiguación viscosa entre la masa y la caja se representa mediante c. En la Figura 7.8c, la caja recibe una aceleración hacia arriba al desplazarse u, produciendo por tanto una compresión en el muelle igual a 8. El desplazamiento de la masa con respecto a la caja depende de la aceleración aplicada a ésta, la rigidez del muelle, la masa y la amortiguación viscosa entre la masa y la caja. Para frecuencias muy por debajo de la frecuencia de resonancia de la masa y el muelle, el desplazamiento es directamente proporcional a la aceleración de la caja y es independiente de la frecuencia. Para frecuencias bajas, el ángulo de fase del desplazamiento relativo 8, con respecto a la aceleración aplicada, es proporcional a la frecuencia si la amortiguación se aproxima a 0,65 veces el valor de la amortiguación crítica. El ángulo de fase se aproxima a cero si la amortiguación es muy pequeña, como suele ser el caso en acelerómetros piezoeléctricos. En la Figura 7.8, la fuerza de inercia de la masa produce una tensión mecánica sobre el elemento piezoeléctrico, que produce una carga eléctrica proporcional a la tensión y, por tanto, proporcional a la aceleración. Si la constante dieléctrica del material piezoeléctrico no cambia con la carga eléctrica, el voltaje generado también es proporcional a la aceleración. Para la medición de la salida eléctrica del ele-

7.11

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

mento piezoeléctrico, se aplican electrodos metálicos al elemento piezoeléctrico y conductores eléctricos a los electrodos. En el sistema sísmico ideal que muestra la Figura 7.8, la masa y la caja poseen rigidez infinita, el muelle tiene masa cero y el amortiguador viscoso sólo existe entre la masa y el marco. En los acelerómetros piezoeléctricos reales no se pueden satisfacer estos supuestos. Por ejemplo, la masa puede ser tan poco rígida como el elemento piezoeléctrico. En algunos elementos sísmicos, la masa y el muelle forman una única estructura. Más aún, en muchos diseños prácticos en los que se usa la caja para sujetar la masa y el elemento piezoeléctrico, la distorsión de la caja puede producir fuerzas mecánicas sobre el elemento sísmico. Todos estos factores pueden cambiar el rendimiento del sistema sísmico respecto al calculado con las ecuaciones basadas sobre el sistema ideal. En concreto, la frecuencia de resonancia de la combinación piezoeléctrica puede ser sustancialmente inferior a la indicada por la teoría. Sin embargo, las ecuaciones para el sistema ideal resultan útiles tanto en el diseño como en la aplicación de acelerómetros piezoeléctricos. La Figura 7.9 muestra una curva típica de respuesta en frecuencia para un acelerómetro piezoeléctrico. En esta ilustración, se representa la salida eléctrica en milivoltios por aceleración g en función de la frecuencia. La frecuencia de resonancia se denota mediante In' Si el acelerómetro está montado adecuadamente sobre el aparato que se examina, el límite superior del rango de frecuencia útil suele tomarse como In/3, para una desviación del 12 por 100 (1 dB) del valor medio de respuesta. Para una desviación del 6 por 100 (0,5 dB) del valor medio, el límite superior de frecuencia suele tomarse como In/S. El tipo de montaje puede tener un efecto significativo sobre el valor de In' el

....

O C.

'"O

''¡:;

(5

'E

...e Q)

E Qi

'0

Qi <.l CtI

Qi

'O

Límite superior de frecuencia

Límite inferior de frecuencia A

,~

Valor medio

1

~

I

1 +

R.n90

de frecuencia útil

CtI

:E CtI (J)

~ Frecuencia, Hz

fn

5

FIGURA 7.9. Curva de respuesta típica de un acelerómetro piezoeléctrico. La freEl rango útil depende de la cuencia de resonancia se designa mediante la notación desviación aceptable a partir del valor medio de la respuesta sobre la parte «plana» de la curva de respuesta.

'n'

7.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El descenso en la respuesta para frecuencias bajas (v.g., la caída) depende fundamentalmente de las características del preamplificador que sigue al acelerómetro. El límite inferior de frecuencia también suele expresarse en términos de la desviación a partir del valor medio de la respuesta sobre la parte plana de la curva de respuesta, siendo la frecuencia a la cual la respuesta es el12 por 100 (1 dB) o 6 por 100 (0,5 dB) inferior al valor medio. Acelerómetros típicos

Los acelerómetros piezoeléctricos presentan una variedad de configuraciones de elementos sísmicos. La mayoría están construidos con materiales piezoeléctricos cerámicos policristalinos, debido a su facilidad de fabricación, alta sensibilidad piezoeléctrica y excelente estabilidad frente al tiempo y la temperatura. Estos aparatos sísmicos pueden clasificarse de acuerdo con dos formas de funcionamiento: acelerómetros de tipo compresión o de tipo shear. Aceler6metro del tipo compresi6n. En su forma más simple, el acelerómetro sísmico de tipo compresión consiste en un disco piezoeléctrico y una masa colocada sobre un marco o caja, como muestra la Figura 7.8. El movimiento en la dirección indicada hace que fuerzas compresoras (o extensoras) actúen sobre el elemento piezoeléctrico, produciendo una salida eléctrica proporcional a la aceleración. En este ejemplo, la masa está unida mediante un material conductor con el elemento piezoeléctrico, que, a su vez, está sujeto al marco. Los componentes deben estar firmemente unidos para evitar que, debido a la aceleración aplicada, se separen entre sí. En la unidad que muestra la Figura 7.10, la masa se mantiene en posición mediante una espiga que se extiende desde el marco y atraviesa la cerámica. Los acelerómetros con este diseño suelen utilizar cuarzo, turmalina o cerámicas ferroeléctricas como material sensor. Las características típicas son una sensibilidad de 2 a 100 picoculombios/g, una frecuencia de resonancia de 30.000 Hz y una masa total de 30 gramos. La Figura 7.11 muestra acelerómetros comercializados típicos. La unidad repreTUERCA DEL BORNE MASA-_Io(, DISCOS PIEZOELECTRICOS MARCO

FIGURA 7.10. Acelerómetro piezoeléctrico del tipo NRL. Este captador tiene una sensibilidad de 100 milivoltios/g, una frecuencia de resonancia de 14.000 Hz y una aceleración útil de hasta 5000 g. (Cortesía del Naval Research Laboratory estadounidense.)

7.13

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

MUELLE MASA SISMICA

....1-_ ELEMENTO PIEZOELECTRICO EN COMPRESION SALIDA BASE

(a)

(b)

FIGURA 7.11. Acelerómetros piezoeléctricos (a) del tipo delta shear y (b) del tipo compresión. (Cortesía de Bruel y Kjaer.)

sentada en la Figura 7.11b consiste en un bastidor, dos elementos cerámicos piezoeléctricos, una masa sísmica y un muelle anterior a la carga. La frecuencia de resonancia del transductor siempre es inferior a la de la combinación de la masa y la cerámica a solas. Este tipo de acelerómetros han de estar cuidadosamente conectados a la estructura con el fin de minimizar las distorsiones del bastidor y la base, que pueden producir un cambio en la salida eléctrica Las características de temperatura de los acelerómetros de compresión han mejorado notablemente en los últimos años; en la actualidad es posible medir la aceleración con temperaturas de -254 a + 760 oC (-425 a +1400 °F). Esta amplia gama de temperaturas ha sido fundamentalmente el resultado del uso de dos materiales piezoeléctricos: turmalina y niobato de litio. Acelerometro del tipo shear. Un acelerómetro del tipo shear, como el representado en la Figura 7.12, emplea un elemento piezoeléctrico en forma cilíndrica ajustado alrededor de un poste de montaje central; un anillo de carga (o masa) está unido a la superficie exterior del elemento piezoeléctrico. El cilindro está hecho de cerámica y está polarizado en toda su longitud; el voltaje de salida del acelerómetro se toma de sus paredes internas y externas. Este tipo de diseño suele conocerse como acelerómetro anular de tipo shear axialmente polarizado. Otro tipo de acelerómetro del tipo shear usa una placa plana de elementos sensores. Los fabricantes cargan éstos previamente, mediante distintos métodos, contra un elemento poste liso. Uno de estos métodos es el que se muestra en la Figura 7.11a. Los acelerómetros de este estilo tienen poca respuesta cruzada, excelentes características de temperatura e interferencias de salida despreciables por flexión de la base. El rango de temperatura del diseño shear anclado puede ir de -254 a + 760 oC (-425 a + 1400 °F). Las siguientes son especificaciones típicas: sensibilidad entre 10 y 50 picoculombios/g; rango de aceleración entre 1 y 500 g; frecuencia de resonancia, 25.000 Hz; rango de frecuencia útil de 3 a 5000 Hz; rango de temperatura de -254 a +760 oC (-425 a + 1400 °F); respuesta transversal, 3 por 100.

7.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ELEMENTO

1:.J~tI--- PIEZOELECTRICO

_

CONECTOR COAXIAL SUBMINIATURA

FIGURA 7.12. Acelerómetro anular shear. El elemento piezoeléctrico está unido al poste y a la masa. Las conexiones eléctricas (que no se muestran) se realizan en las caras interior y exterior del elemento piezoeléctrico. (Cortesía de Endevco Corpora-

tíon.)

Características físicas de los acelerómetros piezoeléctricos

Forma, tamaño y peso. Los acelerómetros piezoeléctricos comercializados suelen tener forma cilíndrica. Los hay disponibles de dos tipos: con tacos montados o desmontables de la parte inferior del cilindro. Cuentan con un cable conector coaxial en la parte superior o el lateral de la caja. La mayoría de los acelerómetros piezoeléctricos comercializados son relativamente ligeros, variando entre aproximadamente 1 y 60 gramos (0,03 y 2 onzas). Habitualmente, cuanto mayor es el acelerómetro, mayor es su sensibilidad y más baja su frecuencia de resonancia. Las unidades más pequeñas tienen un diámetro inferior a 5 mm (0,2 in); las unidades grandes tienen un diámetro de unos 25,4 mm (1 in) y una altura de unos 25,4 mm (1 in). Frecuencia de resonancia. La frecuencia fundamental de resonancia más aIta de un acelerómetro puede estar por encima de 100.000 Hz. Cuanto más alta es la frecuencia de resonancia, menor será su sensibilidad y más difícil resultará proporcionar amortiguación mecánica. Amortiguación. La tasa de amplificación de un aceleró metro se define como la relación entre la sensibilidad a su frecuencia de resonancia y la sensibilidad en la banda de frecuencia para la que la sensibilidad es independiente de la frecuencia. Esta relación depende de la cantidad de amortiguación en el sistema sísmico; decrece al aumentar la amortiguación. La mayoría de los acelerómetros piezoeléctricos no están amortiguados, con tasas de amplificación entre 5 y 50, o una proporción de amortiguación crítica inferior a 0,1. La Figura 7.13 muestra la respuesta de frecuencia típica de un acelerómetro piezoeléctrico.

7.15

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

35 > E 30 ~. 25

~

~,,~JiguAbo \

20

~ 15

g 10 ::J

\

5

~ O 100

\

I

1.000

,

\...... AMORTIG Jf\ o 10.000

FRECUENCIA. Hz

FIGURA 7.13. Respuesta de frecuencia de un acelerómetro típico con amortiguación (línea continua) y sin amortiguación (línea a trazos). La amortiguación con un fluido con una viscosidad cinemática de 100.000 centistokes (cSt) reduce notablemente la relación de amplificación y cambia la frecuencia de resonancia no amortiguada hacia un valor ligeramente menor.

Características eléctricas de los acelerómetros piezoeléctricos

Dependencia de la sensibilidad del voltaje de la capacidad de derivación. La sensibilidad de un acelerómetro se define como la salida eléctrica por unidad de aceleración aplicada. La sensibilidad de un acelerómetro piezoeléctrico puede expresarse como sensibilidad de carga o como sensibilidad de voltaje (tensión). La sensibilidad de carga suele expresarse en unidades de culombios generados por cada g de aceleración aplicada; la sensibilidad de voltaje suele expresarse en voltios por g (donde g es la aceleración de la gravedad). A menudo, la sensibilidad de voltaje se expresa como sensibilidad de voltaje de circuito abierto, es decir, en términos del voltaje producido a través de los terminales eléctricos por unidad de aceleración, cuando la impedancia de carga eléctrica es infinitamente alta. La sensibilidad de voltaje puede obtenerse con o sin cable conector. Suele colocarse un elemento de capacidad eléctrica en los terminales de salida de un transductor piezoeléctrico. Esta capacidad añadida (denominada capacidad de derivación) puede ser el resultado de la conexión de un cable eléctrico entre el sensor (captador) y otro equipamiento eléctrico (todos los cables eléctricos tienen capacidad entre entradas). El efecto de la capacidad de derivación en la reducción de la sensibilidad de un sensor se muestra en la Figura 7.14. La Figura 7.14a muestra los circuitos de carga equivalente con capacidad de derivación Cs. La sensibilidad de carga no ha variado al añadir la capacidad de derivación. La capacidad total del receptor C T , incluida la derivación, viene dada por (7.4)

donde CE es la capacidad del transductor sin la capacidad de derivación. La Figura 7.14b muestra los circuitos de voltaje equivalente. La Ecuación (7.4)

7.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

qUJ1 -;;-

X

CE CS o

1m cr=cE + Cs (a)

FIGURA 7.14. Circuitos equivalentes con capacidad de derivación en captadores piezoeléctricos. (a) Circuito de carga equivalente; (b) circuito de voltaje equivalente.

da la capacidad total, incluida la de derivación Cs y la sensibilidad de voltaje del circuito abierto viene dada por es

x

qs 1 X CE + Cs

(7.5)

donde qix es la sensibilidad de carga. La sensibilidad de voltaje sin la capacidad de derivación viene dada por (7.6)

Por tanto, el efecto de la capacidad de derivación es reducir la sensibilidad de voltaje en un factor

eix e/x

CE CE

+ Cs

(7.7)

Los acelerómetros piezoeléctricos se utilizan con ambos tipos de acondicionadores de señal, sensores de voltaje y sensores de carga, aunque el sensor de carga es mucho más frecuente debido a que su sensibilidad no cambia con la capacidad externa (hasta cierto límite). Estos factores se comentan en el Capítulo 6. Además, los circuitos electrónicos pueden colocarse dentro de la caja del acelerómetro, como se comenta a continuación.

Acelerómetros piezoeléctricos de baja impedancia con electrónica interna

Existen acelerómetros piezoeléctricos con circuitos electrónicos sencillos incorporados para amplificación de la señal y para obtener una salida de baja impedancia. Algunos diseños operan a partir de aportaciones de corriente de de baja tensión y están pensados para ofrecer una gran seguridad cuando se acoplan con los circuitos

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.17

barrera adecuados. Otros diseños usan potencia y líneas de señal convencionales y cables coaxiales. Las principales ventajas de los acelerómetros piezoeléctricos con electrónica integrada consisten en que son relativamente inmunes al ruido inducido por el cable y a las respuestas irrelevantes, pueden usarse con cables de bajo coste y tienen un coste de acondicionamiento de la señal más bajo. En el caso más sencillo, la aportación de potencia puede obtenerse mediante una batería, una resistencia y un condensador. Existen acelerómetros comercializados con circuitos integrales en los que se obtienen señales de salida en términos de velocidad o desplazamiento. No cuentan con estas ventajas sin que haya contrapartidas. Debido a que el circuito de igualación de la impedancia está construido dentro del transductor, la ganancia no puede ajustarse para utilizar todo el rango dinámico del transductor básico. La temperatura ambiental está limitada por la que el circuito soporte y es muy inferior a la del sensor piezoeléctrico en sí. Con el fm de mantener las ventajas de un tamaño pequeño, la electrónica integrada ha de ser relativamente sencilla. Esto impide el uso de flltros múltiples y de protección contra la sobrecarga dinámica, y limita, por tanto, su aplicación. Sin embargo, cuando las condiciones son relativamente favorables, estos acelerómetros ofrecen de forma económica una excelente inmunidad contra el ruido y una buena fidelidad de la señal. Características de la amplitud de la aceleración

Rango de amplitud Los acelerómetros piezoeléctricos suelen ser útiles para la medición de la aceleración de magnitudes desde 10-4 g hasta algo más de 104 g. El valor más bajo de aceleración que puede medirse es aproximadamente el que producirá un voltaje de salida equivalente al ruido eléctrico de entrada del amplificador acoplado conectado al acelerómetro cuando el captador está en reposo. Para su rango útil de funcionamiento, la salida del acelerómetro piezoeléctrico es directa y continuamente proporcional a la aceleración de entrada. A menudo puede usarse un acelerómetro para medidas en un rango de 10.000 al (80 dB) o más, rango más amplio que el rango dinámico de la mayoría del equipamiento asociado de transmisión, registro y análisis. Los acelerómetros comercializados suelen exhibir una linealidad excelente de la salida eléctrica con relación a la aceleración de entrada, en condiciones normales de uso. Para valores muy altos de aceleración (dependiendo de las características de diseño del transductor en concreto), puede producirse daño o no linealidad. Por ejemplo, fuerzas dinámicas grandes pueden producir salidas eléctricas suficientes como para reducir permanentemente la sensibilidad del material piezoeléctrico. Más aún, si las fuerzas dinámicas superan las fuerzas de corte o de los bornes, el elemento sísmico puede «castañetear» o fracturarse, aunque esta fractura podría no observarse en calibraciones posteriores de aceleración de baja frecuencia. Las aceleraciones dinámicas altas también pueden producir un ligero cambio físico en la posición del elemento piezoeléctrico en el acelerómetro; a veces suficiente como para producir un cambio en la sensibilidad. El límite superior de las mediciones de aceleración depende del diseño específico y los detalles de construcción del capta-

7.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

dor y puede variar considerablemente de un acelerómetro a otro, aunque su diseño sea el mismo. No siempre es posible calcular el límite máximo de aceleración de un captador. Por tanto, no podemos asumir linealidad para niveles de aceleración para los que no pueden obtenerse datos de calibración. Efectos de la temperatura

Rango de temperatura. Existen acelerómetros piezoeléctricos que pueden utilizarse para un rango de temperatura desde -254 oC (-425 °P) hasta +760 oC (+ 1400 °P), sin ayuda de refrigeración externa. La sensibilidad de tensión, la sensibilidad de carga, la capacidad y la respuesta en frecuencia dependen de la temperatura ambiental del transductor. Esta dependencia se debe fundamentalmente a las variaciones en las características del material piezoeléctrico, pero también puede deberse a la resistencia de aislamiento de los cables y los conectores; sobre todo a temperaturas altas. Efectos de la temperatura sobre la sensibilidad de carga. La sensibilidad de carga de un acelerómetro piezoeléctrico es directamente proporcional a la constante d del material utilizado como elemento piezoeléctrico. Las constantes d de la mayoría de los materiales piezoeléctricos varían con la temperatura. Efectos de la temperatura sobre la sensibilidad de voltaje. La sensibilidad de voltaje del circuito abierto de un acelerómetro es la relación entre su sensibilidad de carga y su capacidad total (Cs + CE)' Por tanto, la variación de la sensibilidad de voltaje está en función de la temperatura y depende tanto de la sensibilidad de carga como de la capacidad. La sensibilidad de voltaje de la mayoría de los acelerómetros piezoeléctricos decrece con la temperatura. Efectos de los gradientes de temperatura. La sensibilidad de voltaje de un transductor piezoeléctrico no se ve afectada por la tasa de cambio de la temperatura del instrumento. Sin embargo, debido a las fluctuaciones en la temperatura, se pueden producir voltajes eléctricos (de hasta 10 voltios) en los terminales de salida del transductor de la siguiente forma: 1. La expansión o compresión diferencial de los elementos mecánicos y piezoeléctricos del transductor puede producir fuerzas de variación lenta sobre el elemento piezoeléctrico y, por tanto, producir una señal de salida. 2. Muchos materiales piezoeléctricos exhiben un efecto piroeléctrico que está generado por la carga eléctrica cuando la temperatura del material piezoeléctrico se modifica. En general, la carga producida es proporcional al cambio de temperatura. La tensión producida por las fluctuaciones de temperatura se produce muy lentamente y sigue a los cambios de temperatura. A menudo se usa un aislante térmico del elemento sísmico para aumentar el período temporal de transición. Estos voltajes generados piroeléctricamente pueden filtrarse eléctricamente mediante un filtro de paso alto. Este filtro (con una frecuencia de corte del orden de 5 Hz) puede

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.19

incorporarse al amplificador. Sin embargo, si la tensión de entrada que surge de esta fuente es suficientemente alta, el funcionamiento del amplificador puede verse afectado, aunque se utilice filtro.

CALIBRADORES DE FUERZA Y CAPTADORES DE IMPEDANCIA Medición de la impedancia mecánica

Las mediciones de impedancia mecánica se realizan para relacionar la fuerza aplicada a una estructura con el movimiento de un punto de la estructura. Si el movimiento y la fuerza se miden en el mismo punto, la relación se denomina impedancia del punto conductor, de no ser así, se denomina impedancia transferida. Cualquier punto de una estructura tiene seis grados de libertad: traslaciones a lo largo de los 3 ejes ortogonales y rotaciones alt,ededor de los ejes. La medición completa de la impedancia implica la medición de las seis fuerzas de excitación y los movimientos de respuesta. En la práctica, rara vez se miden las fuerzas y los movimientos rotacionales, y las fuerzas y movimientos de traslación se miden en una sola dirección, habitualmente normal a la superficie de la estructura sobre la que se realiza el ensayo. La impedancia mecánica es la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad de salida resultante. La movilidad es la relación entre la velocidad de salida y la fuerza aplicada, el inverso de la impedancia mecánica. La rigidez dinámica es la relación entre la fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido. La receptividad o admisión es la relación entre el desplazamiento y la fuerza aplicada, el inverso de la rigidez dinámica. La masa dinámica o masa aparente es la relación entre la fuerza aplicada y la aceleración de salida. Todas estas cantidades son funciones complejas de la frecuencia. A menudo, se hace referencia a ellas de forma genérica como mediciones de impedancia. Todas precisan la medición de la fuerza aplicada obtenida mediante un calibrador de fuerza (un instrumento que produce una señal de salida proporcional a la fuerza aplicada a través de él). También precisan de la medición del movimiento de salida. Esto suele lograrse con un acelerómetro: si la velocidad o el desplazamiento son las medidas de movimiento que se desean, ambas pueden determinarse mediante un acelerómetro. Las medidas de impedancia suelen realizarse por una de estas razones: 1. Para determinar las frecuencias naturales y formas modales de una estructura. 2. Para medir una propiedad específica, como rigidez o amortiguación, de un material o estructura. 3. Para medir las propiedades dinámicas de una estructura con el fin de desarrollar un modelo analítico de la misma. El Capítulo 10 de la Referencia 1 comenta en detalle la impedancia mecánica y la movilidad, y el Capítulo 21 de la Referencia 1 comenta el análisis y el examen modal.

7.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Fuerza de excitación

La fuerza (excitación) aplicada a la estructura sometida a examen debe ser capaz de excitar la estructura en todo el rango de frecuencias de interés. Esta excitación puede ser una fuerza vibratoria o una fuerza de impulso transitoria (impacto). Si se utiliza la vibración excitatoria, se rastrea la frecuencia en el rango de interés mientras se mide el movimiento de salida (respuesta). Si se utiliza la excitación por impacto, se miden el gradiente de excitación de entrada y el gradiente de respuesta transitoria de salida resultante. Entonces se calculan los espectros de frecuencia de entrada y de salida mediante análisis de Fourier.

Principios de funcionamiento del calibrador de fuerza

Un calibrador de fuerza mide la fuerza que se aplica en un punto de una estructura. Los calibradores de fuerza usados en las mediciones de impedancia utilizan invariablemente elementos transductores piezoeléctricos. Un calibrador de fuerza piezoeléctrico es, en principio, un aparato muy simple. El elemento transductor genera una carga de salida o voltaje proporcional a la fuerza aplicada. Los elementos transductores piezoeléctricos se comentaron en detalle anteriormente en este capítulo.

Construcciones típicas de los calibradores de fuerza y captadores de impedancia

Calibradores defuerza empleados en la excitación por vibración. Los calibradores de fuerza utilizados en la excitación por vibración están diseñados con un dispositivo para conectar un extremo a la estructura y el otro a la fuerza conductora (excitador de la vibración). Suele usarse una fina película de aceite o grasa entre el calibrador y la estructura para mejorar el acoplamiento a frecuencias altas. Calibradores defuerza empleados en la excitación por impacto. Los calibradores de fuerza que se usan cuando la excitación es mediante impacto suelen estar construidos dentro del cabezal de un martillo. La excitación se aporta golpeando la estructura con el martillo. Este suele estar disponible con cabezas intercambiables de varios materiales, para controlar la forma de onda y el impacto-pulso generado. Los materiales duros producen impactos de corta duración y mucha amplitud, con tiempos rápidos de elevación y descenso; los materiales blandos producen impactos más largos, de menor amplitud, con tiempos más lentos de aumento y descenso. Los impactos de corta duración tienen un espectro de frecuencia amplio que se extiende hacia las frecuencias altas. Los impactos de duración larga poseen un espectro más estrecho, con la energía concentrada en las frecuencias bajas. La excitación por impacto mediante un martillo con un calibrador de fuerza incorporado requiere menos equipamiento que la excitación sinusoidal y no precisa de una preparación especial de la estructura.

TRANSDUCTORES DE VIBRACION

7.21

Captadores de impedancia. Los captadores de impedancia combinan un calibrador de fuerza y un acelerómetro en un mismo instrumento. Son convenientes para la medición de la impedancia en el punto conductor porque no se precisa más que un instrumento, y el calibrador de fuerza y el acelerómetro están montados tan próximos como es posible en un punto único.

Características del calibrador de fuerza Respuesta de amplitud, acondicionamiento de la señal y efectos ambientales. La respuesta de amplitud, los requisitos de acondicionamiento de la señal y los efectos ambientales asociados con el calibrador de fuerza son los mismos que los asociados a los acelerómetros piezoeléctricos. Se han descrito en detalle anteriormente en este capítulo. La sensibilidad se expresa como carga o voltaje por unidad de fuerza, p. ej., picoculombios/newton o milivoltios/libra. Cerca de una resonancia, habitualmente un punto de particular interés, la fuerza aplicada puede ser bastante baja; es importante que la sensibilidad del calibrador de fuerza sea suficientemente alta como para aportar lecturas precisas, no oscurecidas por el ruido. Respuesta enfrecuencia. A diferencia de un acelerómetro, un calibrador de fuerza no posee una masa de inercia conectada al elemento transductor. Sin embargo, el elemento transductor está cargado por la masa del extremo de salida del calibrador de fuerza. Se denomina a ésta masa dinámica. Por tanto, tiene una frecuencia de respuesta que es muy similar a la de' un acelerómetro, descrita anteriormente en este capítulo. Efecto de la carga de masa. La masa dinámica de un transductor (calibrador de fuerza, acelerómetro o captador de impedancia) afecta al movimiento de la estructura a la que está conectado. Ignorando los efectos de la inercia rotatoria, el movimiento de la estructura con el transductor conectado viene dado por

A =A

ms

°ms donde

+ mt

(7.8)

a= amplitud del movimiento con el transductor conectado A o = amplitud del movimiento sin el transductor conectado

ms = masa dinámica de la estructura en el punto de la conexión del transductor en dirección del eje sensible del transductor m t = masa dinámica del transductor en su dirección sensible

Todas éstas son cantidades y funciones de frecuencia complejas. Cerca de una resonancia, la masa dinámica de la estructura se hace muy pequeña; por tanto, la masa del transductor ha de ser tan pequeña como sea posible. El American National

7.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Standards Institute recomienda que la masa dinámica del transductor sea menor que 10 veces la masa dinámica de la estructura en resonancia.

REFERENCIA 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York, NY 10020, 1988.

Capítulo

8

ANALISIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES Robert B. Randall

INTRODUCCION Este capítulo trata fundamentalmente sobre el análisis de frecuencias, pero también se consideran brevemente varias técnicas de análisis relacionadas como el muestreo sincrónico, el análisis CEPSTRUM y las técnicas de transformación de Hilbert. El análisis de frecuencia puede llevarse a cabo mediante dos procesos diferentes: (1) paso de la señal a través de varios filtros con distintas frecuencias centrales y medida de la potencia transmitida a cada frecuencia mediante un detector apropiado y (2) cálculo directo de la transformada de Fourier de bloques de datos procedentes de la señal. Se consideran ambos enfoques.

FILTROS Un filtro ideal de paso de banda es un circuito que transmite la parte de la señal de entrada que está dentro de su banda de paso y atenúa completamente los componentes de todas las demás frecuencias. Los filtros electrónicos reales difieren ligeramente del ideal, como se comenta a continuación. Puede llevarse a cabo un análisis del rango de frecuencias mediante un filtro único con una frecuencia central sintonizable que hace un barrido sobre el rango completo de frecuencias o mediante el uso de baterías de filtros fijos con bandas de paso contiguas (o solapadas). Para un análisis de frecuencias general suelen utilizarse filtros sintonizables cuya frecuencia central se ajusta, bien manualmente o bien de forma sincronizada, con la posición X de la plumilla sobre un registro gráfico, de manera que el espectro quede grabado automáticamente al desplazarse la frecuencia central sobre el rango deseado de frecuencias. De forma alternativa, la frecuencia central puede sincronizarse con una señal externa; p. ej., un pulso desencadenador una vez por cada revolución 8.1

8.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de un eje, en cuyo caso se convierte en un filtro de barrido, que puede usarse para filtrar el componente correspondiente de un armónico determinado o múltiplo de la señal sincronizada. Suele ser preciso un adaptador de barrido o multiplicador/divisor de frecuencia, para generar la frecuencia sintonizable a partir de la señal original de sincronización, si se requieren más datos además de la frecuencia fundamentalo el primer armónico. En el pasado, se usaban habitualmente baterías de filtros con frecuencias centrales fijas, cada uno con su propio detector, para un análisis con filtros paralelos de todas las bandas de frecuencia en tiempo real. Sin embargo, este montaje es costoso y ha sido ampliamente superado por los analizadores con filtro digital (descritos en la siguiente sección). Si no es preciso un análisis en tiempo real, una alternativa menos cara es conectar una a una las salidas de los filtros a un único detector y registrarlas sobre el papel secuencialmente. Los filtros individuales también pueden compartir muchos componentes, seleccionados en las combinaciones apropiadas mediante el proceso de conexión. Los filtros fijos escalonados secuencialmente suelen utilizarse para análisis de banda relativamente ancha y rara vez se usan con anchuras inferiores a un tercio de octava. Este tipo de análisis tiene muchas aplicaciones en acústica y en estudios sobre los efectos de la vibración en seres humanos. (Véase Capítulo 44 en la Referencia 1.)

Filtros digitales

Los filtros digitales (en particular, los filtros digitales recursivos) son aparatos que procesan una señal continua digitalizada y aportan otra señal como salida que está filtrada en cierta forma respecto de la original. La relación entre las muestras de salida y de entrada puede expresarse como una ecuación diferencial (en general, implicando valores previos de salida y entrada) con propiedades parecidas a las de una ecuación diferencial que podría describir un filtro analógico. Las propiedades de un filtro digital (p. ej., los 3 filtros de tercio de octava dentro de una octava) pueden variarse cambiando los coeficientes de la ecuación diferencial. Con los mismos coeficientes, las propiedades relativas están ligadas a la frecuencia de muestreo y pueden adaptarse para las octavas inferiores dividiendo entre dos repetidamente la frecuencia de muestreo. Al calcular el doble de rápido de lo necesario para la octava más alta, es posible producir resultados que cubran todas las octavas inferiores en tiempo real. Por estas razones, los filtros digitales son muy eficaces en la ejecución del análisis en tiempo real con porcentaje constante de anchura de banda para un rango amplio de frecuencia, como el análisis en tercios de octava típicamente utilizado en la medición acústica. Una vez determinadas, las propiedades del filtro son extremadamente estables, porque están determinadas por un conjunto almacenado de coeficientes numéricos y una frecuencia de muestreo dirigida por un reloj de cristal.

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

8.3

Propiedades del filtro

La Figura 8.1 ilustra el significado de la anchura de banda de 3 dB Y la anchura de banda del ruido efectivo; la primera es más relevante para separar frecuencias discretas, y la segunda, para tratar señales aleatorias (random). Para filtros que tienen buena selectividad (v.g., que tienen laterales de filtro agudos) no hay mucha diferencia entre los dos valores. En el siguiente comentario no se hace distinción entre ambos. El tiempo de respuesta T R de un filtro de ancho de banda B es del orden de l/B, como ilustra la Figura 8.2, y, por tanto, el retraso introducido por el filtro es también de este orden. Esta relación puede expresarse en la forma (8.1) que es aplicable sobre todo a filtros de anchura de banda constante, o en la forma (8.2)

bn r '" 1 donde b= Blfo = anchura de banda relativa n r = foTR= número de períodos de frecuenciafo en un tiempo T R fo= frecuencia central del filtro

Esta forma es más aplicable a filtros de anchura de banda de porcentaje constante. Así, el tiempo de respuesta de un filtro de una anchura de banda de 10 Hz es aproximadamente 100 milisegundos (ms), en tanto que el tiempo de respuesta de un filtro con una anchura de banda del 1 por 100 es aproximadamente 100 períodos. ANCHURA DE BANDA EFECTIVA DEL RUIDO B

1.0

l'

~

ri::::....'*""':::::lIk:;:::::=:::;:

ONDULACION

PUNTO DE3dB

ESCALA LINEAL DE FRECUENCIA

FIGURA 8.1. Características de las definiciones de anchura de banda de un filtro real. La anchura de banda de 3 dB es la anchura que corresponde a los puntos de 3 dB (potencia-media). La anchura de banda efectiva es la del filtro ideal con un área igual a la (sombreada) bajo las características del filtro real, sobre una escala de amplitud al cuadrado (potencia).

8.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

T

3T

oce S u: -' w

o

« o

::::; OAAHlHtIt

;:i w

o

-'

«

SEÑAL DE SALIDA DEL

Ul

FILTRO

·z w

FIGURA 8.2. Respuesta de impulso típica de un filtro. TR = tiempo de respuesta del filtro (= 1IB); TE = duración efectiva del impulso (= l/B); B = anchura de banda.

En la Figura 8.2 también se observa que la longitud efectiva del impulso TE es también aproximadamente l/B, en tanto que para integrar toda la energía contenida en la respuesta de impulso de un filtro es necesario integrar al menos 3 TR'

Elección de la anchura de banda y de la escala de frecuencias

Con señales acústicas, la anchura de banda utilizada suele ser una octava o un tercio de octava e invariablemente se emplean escalas de amplitud logarítmicas (en decibelios), de manera que lo expuesto a continuación se aplica fundamentalmente al análisis de la vibración. En general, el tiempo de análisis está regido por expresiones del tipo BT ~ K, donde K es una constante [véase, por ejemplo, Ecuación (8.1)] y T es el tiempo requerido para cada medición con un ancho de banda B. Así, es importante elegir la anchura de banda máxima que esté en concordancia con la obtención de una resolución adecuada, ya que no sólo el tiempo de análisis por banda es proporcional a l/B, sino que también lo es el número de bandas requeridas para cubrir un rango de frecuencia determinado. Es difícil dar normas precisas para la selección de la anchura de banda de los filtros, pero en el siguiente comentario se incluyen algunas directrices generales. Para señales estacionarias determinísticas y, en concreto, periódicas que contengan componentes de frecuencias discretas equidistantes, el objetivo es separar los componentes adyacentes; la mejor manera de lograrlo es usar un ancho de banda constante sobre una escala de frecuencias lineal. La anchura de banda debe, por ejemplo, elegirse entre un quinto y un tercio del espaciamiento mínimo esperado (p. ej., la menor velocidad del eje, o la mitad de ésta, si es la que se espera) (véase Figura 8.3a). Para señales estacionarias aleatorias (random) o transitorias, es probable que la forma del espectro esté determinada por resonancias en la vía de transmisión entre la fuente y la toma, y habrá que elegir una anchura de banda B que sea aproximadamente un tercio de la anchura de banda Br del pico de resonancia más estre-

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

/~/,

-'

«

'Z

w

"

C/l

~ w o o

;:)

1::J

c.. ~

«

,

B s fJ3 (TI PICA)

,

\

,, ,,, ,,

B

I~ ,,-r',1, :, ''

'.

/::/

,, ,, " ",.1

,

8.5

,,

,

,"

" '-'

.1.

fh - ' - - fh fh--.J FRECUENCIA

(a)

-'

«

'Z

w

C/l

~ w o o

;:)

1::J

B s B/3 (TI PICA)

c.. ~

«

FRECUENCIA (b)

FIGURA 8.3. Elección de la anchura del filtro B para distintos tipos de señales. (a) Señales discretas de frecuencia; espaciamiento armónico fh ; (b) señales estacionarias aleatorias (random) e impulsivas.

cho (Figura 8.3b). Para amortiguación constante, tienden a tener una constante Q o características de ancho de banda de porcentaje constante y, por ello, a menudo lo más adecuado es una anchura de banda de porcentaje constante sobre una escala de frecuencias logarítmica. La escala de frecuencia lineal suele utilizarse normalmente con una anchura de banda constante, mientras que la escala logarítmica suele emplearse con una anchura de banda de porcentaje constante, ya que con estas combinaciones se obtiene una resolución uniforme sobre la escala. La escala logarítmica puede seleccionarse con el fin de cubrir un rango de frecuencia amplio, y entonces la anchura de banda de porcentaje constante está prácticamente obligada. Sin embargo, la escala de frecuencias logarítmica puede uilizarse ocasionalmente con una anchura de banda constante (aunque sobre un rango de frecuencias limitado), con el fin de demostrar una relación que es lineal en escalas log-log (p. ej., conversiones entre aceleración, velocidad y desplazamiento).

8.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Elección de la amplitud de la escala

Las vibraciones medidas externamente, sobre la carcasa de una máquina por ejemplo, son casi siempre el resultado de fuerzas internas que actúan sobre una estructura cuya función de respuesta en frecuencia modifica el resultado. Debido a que las funciones de respuesta estructurales varían en un rango dinámico muy amplio, casi siempre es una ventaja trazar el espectro de vibración sobre un eje de amplitudes logarítmico. Esto se aplica sobre todo cuando las mediciones de vibración se utilizan como un indicador del estado de la máquina (y por tanto, fuerzas internas y tensiones), ya que los mayores componentes de la vibración no representan necesariamente las mayores tensiones. Incluso cuando la vibración tiene interés en sí misma, como en las mediciones de la vibración sobre personas, el eje de amplitudes debe ser logarítmico porque ésta es la forma en que el cuerpo percibe el nivel de vibración. La decisión sobre si los ejes logarítmicos deben estar calibrados directamente con escalas en unidades lineales o logarítmicas expresadas en decibelios relativos a un valor de referencia, es una cuestión de elección personal (aunque a veces está dictada por una norma). Otro aspecto a considerar es el rango dinámico. La señal de un acelerómetro (más el amplificador) puede tener fácilmente un rango dinámico válido de 120 dB (y más de 60 dB sobre tres décadas de frecuencia cuando se integran velocidades). La única forma de poder utilizar este rango amplio de información es sobre un eje de amplitudes logarítmico. La Figura 8.4 ilustra ambas consideraciones; muestra los espectros medidos en dos puntos distintos sobre la misma caja de transmisiones (que representan la misma situación interna), sobre ejes de amplitudes lineal y logarítmico. Las representaciones logarítmicas de los dos espectros son bastante parecidas, en tanto que las representaciones lineales no sólo son diferentes, sino que ocultan varios componentes que podrían ser importantes. Una caso excepcional en el que la escala de amplitudes lineal suele preferirse a la logarítmica es el análisis de señales de desplazamiento relativo, medido mediante sensores de proximidad, por las siguientes razones: (1) el parámetro que se mide es de interés directo para compararlo con los resultados de los cálculos dinámicos del rotor y (2) el rango dinámico que se puede lograr mediante medidas de la vibración relativa del eje (limitado por la fatiga mecánica y eléctrica) no justifica o no necesita determinarse sobre un eje logarítmico.

ANALlSIS CON FILTROS Esta sección trata fundamentalmente sobre el análisis de señales estacionarias, utilizando filtros analógicos escalonados o de barrido. El análisis en tiempo real mediante baterías de filtros digitales paralelos es más eficiente y más simple y se comenta allí donde resulte apropiado. El análisis con filtros digitales también tiene ventajas para el análisis de transitorias con anchura de banda de porcentaje constante, pero, en todo caso, el uso de filtros para el análisis de transitorias y otras señales no estacionarias ha sido ampliamente reemplazado por las técnicas de la transformada rápida de Fourier (FFT), como se comenta en una sección posterior.

8.7

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

~110r---+---+---+---4-~4---~--~

~

E100r---+---+---~~~--4---4---4---~--~~ 7,5 !E

~ ~

E

~ 90

o'

g

m ~

o' g U

g

80 r-.-+-h-+----1H-1tF--+l-+--4-J--+lI--Wf-+~

u 5 g w

~

e e

70

w

>

~

~ 601-+---''U--LlI NtP+---Ir--I-...:...::t-HL...L--..:j!'----+---+-----J 2,5 ~ o.. ...J ::i!

z~

oC(

50r---t---t---n-~~~'---~---+---+--_+--~ ~~~~--~~~~L-~LL~~~~~~O

O

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

FECUENCIA. Hz (A) 120r---~--.---r_--r-_.,-_.--_.--~--~---

10

~110~--+---+---+---+---~--~--+-

~

~

",E 100 r---+---4-----tf----lI---+--+--+--+--+----1 7 ,5 ~ ~

E

o'

g

'*+.--+..rt-lII----+..-:-II-H¡.y.~5

u g w

> w e

e

~

~ 60 . .NIHI!----t=1--4---4---+-.:...:.!..j---+--+--+----1 2,5 ~ o.. ::i!

...J W

> Z

50~--~--+---~--~--4---~--~--~--~--~

oC(

L---~~~~~~~~~~~~~~~~O

o

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

FECUENCIA, Hz (B)

FIGURA 8.4. Comparación de escalas de amplitud rms logarítmica y rms lineal para la representación del espectro de la velocidad de vibración en dos puntos de medición [(A) y (8)), localizados sobre la misma caja de transmisiones (representando por tanto la misma situación interna). Las dos representaciones logarítmicas en términos del nivel de velocidad son semejantes y muestran todos los componentes de interés. Los espectros lineales de la amplitud de la velocidad son bastante distintos y ambos ocultan muchos componentes que podrían ser importantes.

El análisis de señales transitorias mediante filtros se trata en el Capítulo 13 de la Referencia 1.

8.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Velocidad del análisis

Existen tres elementos básicos en un analizador que pueden dar lugar a retrasos significativos y, por tanto, influir sobre la velocidad de análisis. El filtro introduce un retraso del mismo orden que su tiempo de respuesta T R (véase Figura 8.2). Es probable que éste sea el factor dominante en el análisis de señales estacionarias deterrninísticas, donde el filtro sólo contiene un componente de frecuencias cada vez, y sólo es preciso un corto tiempo de promedio de la señal. El detector introduce un retraso del mismo orden que el tiempo de promedio TA • La elección del tiempo depende del tipo de señal que se esté analizando, o sea, estacionaria determinística (frecuencia discreta) o estacionaria aleatoria (random). En un análisis de barrido de frecuencias, los retrasos resultantes tanto del tiempo de respuesta del filtro como del tiempo de promedio implican que el espectro registrado difiere del espectro real, como ilustra la Figura 8.5. La velocidad a la que la plumilla recorre la escala de frecuencias se denomina velocidad del papel, incluso en situaciones en que el portador de la plumilla es el que se mueve respecto a un papel estacionario, como en el caso de un registro X-Y. Las siguientes consideraciones son importantes en la selección de una velocidad del papel adecuada, lo que determina el tiempo de análisis: 1. Hay que limitar los errores en el nivel de los picos y los valles grabados. Por lo general, los valles son menos importantes porque a menudo están determinados por artificios, como la anchura de banda y las características del filtro. 2. El retraso, o desfase de frecuencia, de los picos y los valles registrados también ha de limitarse, por ejemplo, a un cuarto de la anchura de banda. 3. La tasa máxima de descenso de la señal de salida del detector es 8,7 dB por tiempo de muestreo; esto limita la pendiente máxima que puede trazarse sobre el borde de salida de los picos del espectro. En el caso límite, la pendiente

or

RETRASO

ce

RETRASO

o' a:

1b

"C

t

UJ

o..

en

UJ ..J UJ

Cl

..J UJ

~ Z

FRECUENCIA

FIGURA 8.5. Diferencias entre los espectros grabado y real en análisis de barrido de frecuencias incluyendo la definición de retraso y error al registrar picos y valles.

8.9

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

máxima a registrar corresponde a las características del filtro y hay que limitar la velocidad del papel para permitir que se registre correctamente. La Tabla 8.1 se basa sobre estos principios y, como se detalla en la Referencia 2, incluye fórmulas para la selección de los parámetros de análisis, como el tiempo de muestreo y la velocidad de barrido, para análisis escalonado y de barrido de frecuencias. Otro límite está impuesto por el registrador gráfico de nivel, que puede tener una velocidad limitada de la plumilla (velocidad de escritura). Esta velocidad ha de ser bastante mayor que la velocidad del papel, de manera que la pendiente máxima de la característica del filtro pueda reproducirse (análisis de barrido), o el nivel del siguiente filtro pueda alcanzarse en el tiempo de parada momentánea (análisis escalonado). Si esto no es posible, la velocidad del papel habrá de reducirse de forma acorde. En algunos registradores gráficos de nivel, la velocidad de escritura se utiliza indirectamente para establecer el tiempo de muestreo, en cuyo caso es probablemente la velocidad de la plumilla como tal, y no el tiempo de promedio, la que limita la velocidad del papel. Para el análisis con filtros paralelos en tiempo real, el tiempo de parada momentánea T D no es relevante directamente, pero el tiempo de promedio TA puede seleccionarse en la Tabla 8.1, TA para señales aleatorias (random), o T D para señales determinísticas. En este último caso, TA también debe satisfacer el requisito para señales aleatorias (random) a frecuencias altas, donde la anchura de banda del filtro (de porcentaje constante) incluye varios componentes de frecuencias. El mismo valor de TA se aplica a promedios lineales y exponenciales, pero en el último caso puede ser necesario esperar un tiempo correspondiente a 2TA para eliminar los errores de sesgo. Definición de escala y calibración para señales estacionarias

Definición de escala es el proceso para determinar las unidades correctas para el eje y de un análisis de frecuencias, en tanto que calibración es el proceso para estableTABLA 8.1. Elección de los parámetros para un análisis de frecuencia en serie* Tipo de señal Parámetro de análisis

Determinístico (frecuencia discreta)

Aleatorio (random)

?16/B

Tiempo promedio TA(S)

?3/fmin, ~TD/2, Y

Tiempo de parada momentánea TD(S) Velocidad de barrido df!dt (Hz/segundo):!:

?4/B

?2TA o ?5T}

~B/TD

~B/TD

~TD/5t

• fmin = frecuencia más baja en el rango cubierto, Hz; B= anchura de ba~da del filtro, Hz; TA = tiempo de promedio; T D = tiempo de parada momentánea en cada filtro (análisis escalonado) o tIempo de barndo sobre la anchura de banda del filtro (análisis de barrido); df/dl = velocidad de barrido, Hzlsegundo. t Se aplica al análisis de filtro escalonado. .. . . t La velocidad de barrido se expresa en Hzlsegundo si B está en Hz; mdlca dIrectamente la velOCIdad del papel en mm/segundo si B se expresa como su anchura equivalente en mm sobre el papel.

8.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cer y confirmar los valores numéricos a lo largo del eje. En el caso más general, los espectros pueden «escalarse» en términos de media cuadrática o valores RMS para cada frecuencia (o, hablando estrictamente, para cada banda del filtro). Para señales dominadas por los componentes de frecuencia discreta, sin más de un componente por banda del filtro, significa obtener la media cuadrática o valor RMS de cada componente. Un espectro de valores medios cuadráticos se denomina espectro de potencia, porque la potencia física está relacionada a menudo con el valor cuadrático medio de parámetros tales como voltaje, corriente, fuerza, presión y velocidad. Para señales aleatorias (random), los valores del espectro de potencia varían con la anchura de banda, pero pueden ser normalizados mediante la obtención de la densidad de espectro de potencia W(f), dividiendo por la anchura de banda. Los resultados son entonces independientes de la anchura de banda del análisis, siempre que esta última sea más estrecha que la distancia entre picos en el espectro que se está analizando (véase la figura 8.3b). La densidad de espectro de potencia se expresa en i' por herzio, cuando la señal de entrada se expresa en aceleración gs, y en voltios al cuadrado por herzio, cuando la señal de entrada es en voltios. El concepto de densidad de espectro de potencia carece de significado cuando sólo existen componentes de frecuencia discreta (con anchura de banda infinitamente estrecha); sólo puede aplicarse a las partes aleatorias (random) de las señales que contienen una mezcla de frecuencias discretas y componentes random. Sin embargo, es posible calibrar una escala de densidad de espectro de potencia utilizando una señal de calibración de frecuencia discreta. Por ejemplo, cuando se analiza una señal sinusoidal de 1 g con un analizador de ancho de banda de 10 Hz, la altura del pico de frecuencia discreta puede definirse: 12
ANALlSIS FFT

Los analizadores FFf utilizan el algoritmo de la transformada rápida de Fourier para calcular el espectro de bloques de datos. El FFf es una forma eficaz de calcular la DFT (transformada discreta de Fourier), que a su vez es una aproximación discreta y finita de la transformada integral de Fourier. El analizador FFf captura un bloque de datos de la muestra de longitud finita (típicamente 1024 o 2048 muestras); el espectro resultante representa realmente el espectro de las series de Fourier que se obtendría considerando este registro finito como un período de una señal que se repite periódicamente. Si el bloque de datos representa realmente otra cosa, p. ej., una sección de una señal continua o un único transitorio, la interpretación de los datos debe modificarse de manera acorde.

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

8.11

Desventajas del proceso FFT

El proceso de FFf modifica implícitamente la señal de tres maneras, dando lugar a las 3 desventajas del FFf, v.g., «aliasing», pérdidas (<
Pérdidas (<
integral de períodos de todos los componentes importantes de frecuencia. Esto puede hacerse en el análisis de orden (comentado en una sección posterior) y en el análisis modal, por ejemplo, donde las señales de excitación periódica pueden sincronizarse mediante el ciclo analizador. 2. Para señales transitorias largas, aumentando la longitud de la ventana de tiempo (por ejemplo, mediante el zoom), hasta que el transitorio completo esté contenido en el registro de datos. 3. Aplicando un tiempo especial de ventana que tenga mejores características de pérdidas que la ventana rectangular que se aplica implícitamente cuando no se usa ponderación especial; es como si la señal continua fuera vista a través de una ventana rectangular que corta los extremos.

8.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Efecto de «valla puntiaguda» (<
rresponde a un conjunto de caracteristicas de filtro solapadas, la parte superior de las cuales tiene la apariencia de una valla puntiaguda (Figura 8.6). 2. Es como si el espectro fuera visto a través de las rendijas en una valla puntiaguda, y, por tanto, no necesariamente se observan los valores pico. El efecto de «valla puntiaguda» no es un rasgo exclusivo del análisis FFT; se produce siempre que se utilizan filtros discretos fijos, como en el análisis de banda de tercio de octava normal. El error máximo de amplitud que puede producirse depende del solapamiento entre las características de los filtros adyacentes y éste es uno de los factores que hay que tener en cuenta en la elección de ventanas de datos.

Elección de ventanas de datos

La finalidad de una ventana de datos es minimizar los efectos de la discontinuidad· que se produce cuando una sección de una señal continua se une en un bucle. Para señales estacionarias, una buena elección es la ventana de HANNING (un período de una función de coseno al cuadrado), que tiene un valor cero y una pendiente en cada extremo, aportando así una transición gradual sobre la discontinuidad. En la práctica, el efecto es mejorar la característica del filtro asociado con la ventana, especificándose ésta en términos del lóbulo lateral (sidelobe) más alto fuera de la banda principal de filtrado y la tasa a la que los restantes lóbulos decrecen. Para la ventana de HANNING, estos valores son -32 dB (comparados con los -13,4 dB para la rectangular) y 60 dB/década (comparados con 20 dB/década). La Tabla 8.2 presenta una lista de las características de varias ventanas que se usan en el análisis de señales estacionarias y la Figura 8.7 compara las características de filtro efectivas de las más importantes. En la elección de la ventana, suele llegarse a un compromiso entre la agudez de la característica del filtro, por una parte, y la anchura de banda efectiva, por otra. La ventana de «techo plano» está diseñada específicamente para minimizar el efecto de

012345 NUMERO DE LINEA

FIGURA 8.6. Ilustración del efecto de «valla puntiaguda)) ((picket fence))). Cada línea de análisis tiene una característica de filtro asociada, que depende de la función de ponderación utilizada. Si la frecuencia coincide exactamente con una línea, se indica a su nivel pleno. Si está entre dos líneas, se representa en cada una de ellas a un nivel más bajo, que corresponde a un punto en que se cruzan las características.

8.13

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

TABLA 8.2.

Propiedades de las distintas ventanas de datos Lóbulo lateral (sidelobe) más alto,

Tipo de ventana

Rectangular HANNING HAMMING Kaiser-Bessel Gaussiana truncada Techo plano

Disminución del sidelobe, dB/década

Anchura de banda de ruido *

dB

dB

-13,4 -32 -43 -69 -69 -93

Error máximo de amplitud,

-20 -60 -20 -20 -20 O

1,00 1,50 1,36 1,80 1,90 3,70

3,9 1,4 1,8 1,0 0,9 <0,1

• Relativa al espaciamiento de las líneas.

«valla puntiaguda», de manera que el nivel correcto de los componentes sinusoidales se indica con independencia de dónde está la frecuencia con respecto a las líneas de análisis. Esto resulta particularmente útil con señales de calibración, ya que de otra manera hay que compensar el efecto de «valla puntiaguda» (véase Capítulo 13 en la Referencia 1).

Parámetros del análisis FFT

En un análisis FFf normal (denominado análisis de banda base), se aplican las siguientes relaciones:

T

= Nát = l/áf

h = Náf=

lIát

(8.3) (8.4)

donde N= número de muestras en la función de tiempo T= longitud del registro correspondiente a la función de tiempo át= espaciamiento de la muestra áf= espaciamiento de línea = liT h= frecuencia de muestreo En principio, de N muestras se obtienen N valores espectrales sobre el rango de frecuencias desde - fs/2 a fs/2. En la situación normal, las muestras tienen un valor real y los componentes negativos de frecuencia (entre -fs/2 y cero) están determinados por los componentes positivos de frecuencia. Por lo tanto, la mayoría de los analizadores FFf calculan N/2 + 1 valores espectrales (complejos), que van desde frecuencia cero hasta fs/2. Para frecuencias distintas de cero, el valor medio cuadrático de un componente espectral calculado debe duplicarse (para compensar el componente negativo de frecuencia ausente); el analizador suele hacer esto antes de la presentación de los resultados. El ángulo de fase de cada componente es el relativo a un coseno en tiempo cero y sólo suele tener sentido (para análisis de canal único) cuando el tiempo cero se define mediante una señal sincronizadora. La fase

8.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(a)

100m ~----------------------~L-~~-----------------------i

10m L----=~~==~------------------------~~~~~------~

1m

~~~~~-r~-r'-ro'-~~~-r~-r~~'-~~~~~-r~~

O,4k

0,5k

0,6k

0,7k

0,9k

0,8k

1,Ok

1,lk

1,2k

1,lk

1,2k

10

•

(d)

(e)

(b)

100m 20dB

10m

J \

1m

O,4k

0,5k

0,6k

0,7k

0,8k

0,9k

1,Ok

FIGURA 8.7. Comparación del peor caso de características de filtro para una ventana rectangular y otras funciones de ponderación para un rango dinámico de 80 dB. (a) Rectangular; (b) Kaiser-Bessel; (e) HANNING; (d) «techo plano».

relativa entre señales temporales capturadas sincronizadamente tiene sentido en el análisis de canales múltiples; por ejemplo, cuando el cambio de fase está producido por el paso de una señal a través de un sistema físico.

Análisis con zoom

Como se describió anteriormente, el análisis FFT normal produce un espectro que va desde cero hasta la mitad de la frecuencia de muestreo. A veces es deseable obtener una mejor resolución en una parte restringida del rango de frecuencias; las técnicas que hacen esto se denominan análisis zoom FFT. Existen 2 técnicas zoom

8.15

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

principales, conocidas como zoom en tiempo real y zoom no destructivo, que tienen distintas ventajas y desventajas. En el zoom en tiempo real, la banda del zoom se mueve hacia abajo hasta la frecuencia cero en una operación en tiempo real realizada por un procesador de zoom. La anchura de banda (y por tanto el espacio entre líneas) se reduce mediante el filtrado digital en tiempo real y el procedimiento de remuestreo antes de que la señal sea capturada en una memoria y transformada. Tiene la ventaja de que el factor de zoom es virtualmente ilimitado, pero la desventaja de que para aplicar el zoom en una banda distinta de frecuencia es necesario reprocesar la señal completa. La Figura 8.8 muestra un ejemplo de zoom en tiempo real con un factor de 64:1. Revela

1m

.!!? lOO/! ·E 'C'

ea 'C .¡¡ '0

1O/!

~

1/!

O

0.2k

0,4k

0,8k

0.6k

1,Ok

1,4k

1.2k

1.6k

Frecuencia, Hz (a)

1m

.!!? .E :ó ea

!o .¡¡

o

lOO/!

1O/!

~ 1/!

88

90

92

94

96

98

100

102

104

106

108

110

112

Frecuencia. Hz (b)

FIGURA 8.8. (a) Espectro original de banda base; (b) sección sombreada de (a) mediante un factor zoom de 64: 1.

8.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que lo que parece un componente de frecuencia única en un espectro de banda base comprende realmente una familia de bandas laterales uniformemente espaciadas. El zoom no destructivo es básicamente una forma de calcular una transformada grande (v.g., con un valor grande de N) mediante la aplicación repetida de una transformada más pequeña, donde sólo una parte del espectro global (correspondiente a la banda del zoom) se calcula y muestra plenamente. Como ejemplo, si el analizador tiene normalmente una transformada de 1 K (1024 puntos), para lograr un factor de zoom de 16, el analizador tiene que tener 16 K en el «buffer» de datos en que una muestra de la señal se captura en primer lugar, antes de que se realice el proceso de zoom. La desventaja es que el factor de zoom está limitado por la longitud de la memoria del «buffer», pero la ventaja es que el zoom se lleva a cabo en bandas de distinta frecuencia sobre exactamente el mismo registro de datos, lo cual quiere decir que los armónicos de un componente fundamental de frecuencia determinado en una banda de zoom mantienen relaciones exactas de integración múltiple con los armónicos en otras bandas de zoom.

Promedio del espectro

Teóricamente, para señales estacionarias determinísticas, no es necesario promediar porque una sola transformada debe dar un espectro significativo. A menudo se realizan un pequeño número de promedios si la señal no es completamente estable. Para señales estacionarias aleatorias (random) es necesario promediar un número de espectros con el fin de mejorar la confianza en el nivel del espectro medido. La desviación típica del error E en un valor RMS de espectro viene dada por 1

E=---

2F

(8.5)

donde n es el número de los espectros independientes promediados. Un valor de n = 16 correspondería a las recomendaciones de la Tabla 8.1 para análisis con filtro, y la Figura 8.9 ilustra el efecto de aumentar el número de promedios para una señal real tipo random y el concepto de error típico E. Las fluctuaciones están siempre dentro de ± 3E (99,7 por 100 de probabilidad). Con ponderación rectangular, los espectros independientes son los de los registros temporales no solapados; cuando se utilizan otras funciones de ponderación, la situación es diferente. Como la mayoría de la información está contenida en la mitad central de un registro con ponderación HANNING, por ejemplo, no es posible usar el 50 por 100 solapado de los registros sucesivos y seguir tratándolos como estadísticamente independientes. Esto ofrece la ventaja de que puede lograrse un número determinado de promedios en la mitad de tiempo y de que la ponderación global sobre el registro es más uniforme. Para obtener una ponderación completamente uniforme en el resultado final, es necesario solapar los registros en dos tercios o más, pero como esto no aumenta apreciablemente el número efectivo de promedios (en comparación con un solapamiento del 50 por 100), no supone una

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

8.17

o

u ~ t:: a:

«

C)

o...J

« Ü

zw

tiD.. W

o

oa:

ti ~

C/)

w

o

2

4

6

8

10

FRECUENCIA, kHz

FIGURA 8.9. Efecto de promediar con una señal estacionaria aleatoria (random); (a) espectro momentáneo; (b) media de ocho espectros; (e) media de 128 espectros.

ventaja particular para las señales estacionarias. Supondrá una ventaja en el análisis de transitorios largos (comentados más adelante), donde distintas secciones del registro no son estadísticamente equivalentes.

Escalas para señales estacionarias

La mayoría de los analizadores FFT escalan automáticamente para compensar los componentes negativos de frecuencia ausentes y dan el resultado directamente en términos de valores de media al cuadrado o raíz cuadrática media. Cuando se utiliza una función de ponderación no uniforme (p. ej., HANNING), también hay que compensar por ello; suele hacerse de tal manera que el mismo resultado sería indicado para (el valor pico de) señales de frecuencia discreta, después de compensar por cualquier efecto de «valla puntiaguda». Para señales estacionarias random, el espectro de potencia puede convertirse en densidad de espectro de potencia (PSD), como se comentó anteriormente para el análisis de filtro, dividiendo por la anchura de banda. Esta última es igual al espaciamiento de líneas Af multiplicado por los

8.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

factores presentados en la Tabla 8.2 para las distintas ventanas. La escala PSD sólo es válida si el ancho de banda del análisis satisface los requisitos de la Figura 8.3b. Por ejemplo, para la ponderación HANNING (con anchura de banda 1,5 ~f), éste sería el caso si los picos del espectro tienen una anchura de banda de 3 dB, extendiéndose 5 líneas o más.

ANALlSIS DE TRANSITORIOS

Los transitorios son señales que hay que analizar como una entidad, sin tener en cuenta cómo varían en el tiempo. Contienen una cantidad finita de «energía» (v.g., amplitud al cuadrado integrada sobre el tiempo) y el espectro puede expresarse como densidad de espectro de energía (ESD) en unidades al cuadrado segundos por herzio (U 2 • slHz). En general, su longitud es del orden de, o incluso más corta que, la de la respuesta de impulso de sistemas físicos a los que se aplica, o a partir de los cuales se deriva. El espectro ESD es lo que resulta de elevar al cuadrado la amplitud de una transformada integral directa de Fourier de una señal de longitud finita. El uso de un analizador FFT para el cálculo es directo, siempre que el transitorio se ajuste al tamaño T de la transformada sin pérdida de información de alta frecuencia. Aunque el espectro FFT representa el espectro de potencia del transitorio repetido periódicamente, puede demostrarse que este último tiene la misma forma que el espectro ESD de un transitorio único, tomada la muestra a las frecuencias discretas correspondientes a las líneas de análisis. Dado que el transitorio empieza y acaba en cero, no hay discontinuidad o pérdida y se debe usar la ponderación rectangular. El espectro de potencia medido puede convertirse en energía multiplicando por la longitud del registro T, y en densidad de espectro de energía, dividiendo por la anchura de banda l/T, en conjunto una multiplicación por T 2 • La Figura 8.10 muestra un análisis típico de un transitorio corto escalado de esta manera. Los transitorios que son mayores que el tamaño normal de la transformada pueden analizarse de dos maneras, mediante: 1. El análisis de zoom (en particular, el zoom no destructivo) con un factor de zoom suficientemente grande como para que el transitorio se ajuste en el buffer de memoria. 2. El análisis de barrido-promedio, en que la ventana HANNING es rastreada a lo largo del registro en pasos solapados (al menos dos tercios de solapamiento), de manera que en el espectro final promediado la ponderación es uniforme a lo largo de todo el registro. Como la ventana es más corta que el transitorio, no hay garantía de que el resultado pueda expresarse de forma válida como ESD en todas las frecuencias.

Se aportan más detalles en el Capítulo 13 de la Referencia 1 y en la Referencia 2.

8.19

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES 600 "'01

400

CIl

.!!!. E z'

200

O

O

U

,...

~I

< -200 a: w -' w

:'

-400

U

<

-600

H r." ILJ l .

.! :

O

"'J r'

50

100 TIEMPO, mseg

150

200

(A)

'"

1oor---------------------------------------------,

--E~

102 O N a:~

~

10

r-------------~--~~----------------------~10 ~

00",

~ U

1


~

<

w:;)

10- ~ <' 10-2 O ¡:;

a:::J

~

01

~ ~

a:


10-3 Q ~

0.1

00 w 10.4 Z W

0.01 L.......J.-'--'-L-L...L...J........I-L.-'-L..L...L....L...J-L.-'-L..L...L..L...J-L.....ILL-J.-'--'-.l-l-1.!...ll 10. ,o 0,0 2,5 0,5 1,0 1,5 2,0 FRECUENCIA, kHz

5

~O

(B)

FIGURA 8.10. Ejemplo de un análisis FFT sobre una señal transitoria de corta duración. (a) Tiempo de la señal de longitud 2048 muestras (2K) correspondiente a 250 milisegundos (T = 250 milisegundos); (b) espectro de 800 líneas FFT con anchura de banda 8 = !l.f = 4 Hz (ponderación plana). La escala de la izquierda está en unidades RMS. La escala de la derecha está convertida en densidad de espectro de energía mediante la multiplicación de los valores medios al cuadrado por ¡'l.

ANALlSIS DE SEÑALES NO ESTACIONARIAS Una señal típica no estacionaria resulta de las mediciones realizadas durante el funcionamiento rápido o en punto muerto de una máquina (aquí, la causa principal de la señal no estacionaria es un cambio en la velocidad del eje). La señal puede analizarse dividiéndola en una serie de períodos de tiempo cortos cuasi estacionarios (a menudo, solapados), en cada uno de los cuales la velocidad es aproximadamente constante. Puede que la longitud de la ventana utilizada para seleccionar una parte de la señal continua haya de ser elegida para garantizar esta situación. Con un analizador FFf, puede estudiarse la conducta de varios armónicos simultáneamente. Una manera de hacerlo, utilizando un analizador con gran memoria (como el requerido para el zoom no destructivo), es con un simple análisis de barrido; una ventana HANNING corta es rastreada a través del registro (como en un promedio de rastreo) y el espectro sucesivo instantáneo (para cada posición de la ventana) se ve sobre la pantalla del indicador. Un método muy efectivo para representar este análisis de barrido es la gráfica

8.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de «caída de agua» o «cascada», como muestra la Figura 8.11 (que representa un típico funcionamiento rápido de una máquina). Como se indica, la tercera dimensión de esta gráfica tridimensional puede ser el tiempo o las revoluciones por minuto; para un análisis de barrido simple (suele ser el tiempo), pero se obtienen varias ventajas si los espectros están espaciados a intervalos iguales de revoluciones por minuto. Los componentes relacionados armónicamente (cuyas bases siguen líneas radiales) pueden separarse entonces fácilmente de los componentes de frecuencia constante (p. ej., relacionados con la frecuencia de líneas o resonancias), cuyas bases siguen líneas paralelas al eje rpm. De forma ideal, cada espectro en una gráfica de cascada como la Figura 8.11 debe obtenerse con velocidad constante del eje para las rpm respectivas. A veces esto es posible, por ejemplo, durante el arranque muy lento de una gran turbina de vapor, pero por lo general cada espectro es una parte a través de una ventana de una señal que varía continuamente con un pequeño cambio de velocidad dentro de la longitud de la ventana. En consecuencia, el pico correspondiente a cada armónico no siempre está localizado sobre una línea de análisis; en concreto, es más probable que los armónicos más altos se extiendan progresivamente sobre más líneas. Así, la altura de cada pico no puede utilizarse directamente como medida de la fuerza de cada componente; sería necesario integrar sobre la totalidad del pico para medir la potencia total que contiene. Una manera de superar este problema es utilizar el barrido o análisis de orden, en el que la tasa de muestreo del analizador FFf está relacionada directamente con

~t'L.._-----'-

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _-I

1......" - - - - - - - -_ _

FRECUENCIA, HZ

FIGURA 8.11. Mapa espectral tridimensional (gráfica en cascada) mostrando cómo cambia el espectro con el tiempo o las rpm del eje.

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

8.21

la velocidad del eje. Se utiliza un multiplicador de frecuencia para producir una señal de frecuencia de muestreo [controlando el conversor analógico a digital (AID) del analizador], que es un múltiplo especificado de la velocidad del eje, o puede lograrse el mismo efecto mediante un proceso digital de remuestreo. Como se mencionó anteriormente, con frecuencia variable de muestreo, es necesario tener una especial precaución para evitar problemas de «aliasing» (Capítulo 13 de la Referencia 1 y Referencia 2). La Figura 8.12 muestra los resultados del análisis FFf de barrido sobre las señales de vibración de un gran turbogenerador. Ahora el componente de la velocidad del eje está siempre localizado en la línea 40 del espectro, mientras los componentes de frecuencia constante (como el de 150 Hz, coincidiendo originalmente con el tercer armónico de la velocidad del eje) siguen una curva hiperbólica con velocidad cambiante.

TECNICAS DE ANALlSIS RELACIONADAS Las técnicas de análisis de la señal, además de las descritas anteriormente, que son útiles como complemento del análisis de frecuencia, incluyen el promedio sincrónico, el análisis CEPSTRUM y las técnicas de la transformada de Hilbert.

Promedio sincrónico (potenciación de la señal)

El promedio sincrónico es un promedio de registros digitalizados, cuyo comienzo se define mediante una señal selectiva repetitiva. Un ejemplo de esta señal selectiva es un pulso sincronizador de una vez por revolución de un eje giratorio. Este proceso sirve para potenciar la parte repetitiva de la señal (cuyo período coincide con el de la señal selectiva) con respecto a los efectos no sincrónicos. La parte de la señal que se repite cada vez contribuye directamente, en proporción al número de promedios, n. Los componentes no sincrónicos, en particular el ruido, contribuyen con fase random; el aumento de amplitud es proporcional a obteniéndose una mejora de 10 10gIO n dB; 10 dB para 10 promedios, 20 dB para 100, 30 dB para 1000. La Figura 8.13 muestra la aplicación del promedio sincrónico a señales de vibración de cajas de transmisión parecidas en buenas y malas condiciones. La Figura 8.13a muestra la potenciación de la señal de tiempo (120 promedios) para la transmisión en el eje de salida. La señal es bastante uniforme y aporta evidencia de la periodicidad correspondiente al contacto de los engranajes. La Figura 8.13b es una señal de tiempo potenciada de forma parecida para una transmisión defectuosa; se revela un defecto localizado sobre la transmisión. A modo de comparación, la Figura 8.13c muestra un único registro, sin potenciación, para la misma señal que la Figura 8.13b; no se aprecian inmediatamente ni el efecto anterior ni el funcionamiento defectuoso. Para mejores resultados, el promedio sincrónico debe combinarse con el seguimiento. Esto minimiza las variaciones de fase producidas por la falta de sincronismo

[n,

8.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

6

~ !lJ'

41

ID "O

~~

el

~

g

~

30

...J W

> W o

(J

,::s

~

34

/!j

38

...J W

> Z

O

~

(J O

¡¡j .s 50 40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

---.

NUMERO DE LINEA DEL ANALIZADOR

2

3

4

5

6

7

8

9

ORDEN ARMONICO

FIGURA 8.12. Análisis FFT de barrido del funcionamiento de un gran turbogeneradoro La curva hiperbólica superpuesta representa un componente de frecuencia fija de 150 Hz.

entre la señal detonante y el muestreo digital y también el resultado de pequeñas fluctuaciones de velocidad (Referencia 1, Capítulo 13).

Análisis CEPSTRUM Originalmente, el CEPSTRUM fue definido como el espectro de potencia del 10garitmo del espectro de potencia3 • En la actualidad, es más frecuente definir la potencia CEPSTRUM como la transformada de Fourier inversa del logaritmo del espectro de potencia y el CEPSTRUM complejo como la transformada de Fourier inversa del logaritmo complejo del espectro complejo (v.g., incluyendo información de fase)2. Como se comenta en el Capítulo 13 de la Referencia 1 y más en detalle en la Referencia 2, el CEPSTRUM tiene dos áreas principales de aplicación en vibración y acústica: 1. Detección de la estructura periódica en un espectro producido por familias de armónicos y bandas laterales, o ecos. 2. Separación de los efectos de la fuente y las vías de transmisión que no sólo son aditivos en el CEPSTR UM (como lo son en el espectro logarítmico), sino a menudo también ampliamente separados en regiones diferentes.

ANALlSIS ACUSTICO y DE VIBRACIONES

. (A)

8.23

..

10 ......................................................................... .

o -10

........................................................................ ..

-20~----~----~----~----~--~----~

50

O N~

100

150

200

250

300

20~----~----~--~~----~---,-----,

5l

(A) .

~ ':.~+,"~~~IJIet·.. ·~··;.~"~"..I\Ii.....~... ~ .. ·~"..I·.....",. ........ 9...... a:

tM • , ....... :

,

1" .........

.. .. '" ..................... ..

~

-10

~

-20 L-_ _ _L-____L-__....Ji...-__- - i L - - _....._ _--' O

50

150

100

200

250

300

30~-~---~----_r----_r---~--_.

20 10

O

-10 -20 50

150

100

200

250

300

TIEMPO, mseg 2

FIGURA 8.13. Usos de potenciación de la señal en el diagnóstico de transmisión defectuosa. (a) Señal potenciada (120 promedios) para una transmisión en estado normal; (b) señal potenciada (120 promedios) para una transmisión similar con una falta local; (e) sección de la señal sin potenciar correspondiente a (b).

Técnicas de transformación de Hilbert

La transformada de Hilbert es la relación entre las partes real e imaginaria de la transformada de Fourier sobre una señal unilateral. Como ejemplo, las partes reales e imaginarias de la respuesta en frecuencia de un sistema físico (la transformada de Fourier de la respuesta de impulso causal o unilateral) están relacionadas mediante una transformada de Fourier. En otro ejemplo, las partes reales e imaginarias de la señal compleja con un espectro unilateral (conocida como una señal analítica) están relacionadas mediante una transformada de Fourier. Las señales analíticas son útiles para describir las señales moduladas, con su variación en amplitud representando la modulación de amplitud y la variación en la tasa de cambio de fase represen-

8.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tando la modulaci6n de fase. Una señal medida con valores reales puede descomponerse en sus componentes de amplitud y modulaci6n de fase, mediante las técnicas de transformación de Hilbert, que son facilitadas por la transformación entre los dominios del tiempo y la frecuencia en un analizador FFf2. Un ejemplo del uso de la demodulaci6n de la amplitud en el análisis de vibración es el análisis de la envolvente utilizado en el diagnóstico de rodamientos2 • La demodulación de fase es útil en el análisis torsional de vibración2, y en la Referencia 4 se muestra que, mediante la demodulaci6n de un componente de frecuencia de contacto de engranajes en la señal de vibraci6n de una caja de transmisión la señal de la modulación de fase puede revelar una fractura en la transmisión, mucho antes de que aparezca en la señal de modulaci6n de la amplitud u otros parámetros.

REFERENCIAS 1. C. M. Harris (Ed.), Shoek and vibration handbook, 3a ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1988. 2. R. B. Randall, Frequeney analysis, Bruel and Kjaer, Naerum, Dinamarca, 1987. 3. B. P. Bogert, M. J. R. Healey y J. W. Tukey, en Proeeedings ofthe symposium on time series analysis, M. Rosenblatt (Ed.), John Wiley and Sons, Nueva York, 1963, pp. 209-243. 4. P. McFadden, Transaetions of ASME: Journal of Vibration, Acousties, Stress, and Reliability in Design, vol. 108,1986, p. 165.

Capítulo

9

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO John R. Hassall

INTRODUCCION Este capítulo describe las técnicas de medida del ruido habitualmente empleadas en la medición del sonido utilizando los instrumentos comercializados descritos en el Capítulo 5. Se comentan los procedimientos de medida básicos que se aplican a todos los tipos de medida del ruido. Se describen la precisión y fiabilidad de las medidas, la elección y uso de los instrumentos, incluyendo los sonómetros y los analizadores. A continuación se incluye un listado de los datos que hay que registrar durante los típicos sondeos o medidas de nivel de ruido. Las técnicas especiales de medición acústica y de vibración se describen en otros capítulos del libro; por ejemplo, la medida de: la vibración (Capítulo 10), varios tipos de niveles sonoros con promedio temporal (Capítulo 11), exposición al sonido (Capítulo 12), potencia sonora (Capítulo 13), intensidad del sonido (Capítulo 14), ruido de trenes (Capítulo 46), ruido de aviones (Capítulo 47), ruido de autopistas (Capítulo 48) y ruido comunitario (Capítulo 50). DEFINICION DEL PROBLEMA DE LAS MEDIDAS A CUS TlCA S El primer paso en cualquier programa de medida acústica es definir el problema Con claridad. Se precisan respuestas a preguntas como las siguientes: • ¿Por qué se van a realizar las medidas? 1. Para evaluar los niveles de ruido o la exposición sonora en el lugar de trabajo para determinar si el ruido ambiental cumple los límites establecidos 2. Para evaluar la respuesta de la comunidad frente a una fuente externa de ruido

9.1

9.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3. Para asegurarse de que una pieza de equipamiento o vehículo cumple con las ordenanzas, códigos de ensayo o especificación 4. Para determinar si un ambiente acústico determinado es aceptable para los residentes o habitantes 5. Aportar datos para uso como evidencia en un tribunal 6. Para establecer las curvas isófonas del nivel de ruido en un lugar determinado o para verificar la localización de las curvas previstas para el nivel de ruido en un lugar concreto 7. Aportar información técnica para uso en la evaluación del control del ruido y en un programa de reducción del ruido • ¿Qué datos son precisos? ¿Qué medidas hay que realizar? • ¿Tienen que satisfacer las medidas una norma que defina la precisión del instrumento, las técnicas de medición y las posiciones de medida? • ¿Dónde está el lugar de medida? ¿Será accesible cuando puedan programarse las medidas? • ¿Qué precisión de medida hace falta? • ¿Estarán las medidas influidas significativamente por el ruido ambiental que probablemente estará presente? • ¿Es probable que haya ruidos que interfieran de otras fuentes distintas de aquellas que se van a medir; p. ej., tráfico de la autopista o vuelos de avión? • ¿Hay problemas ambientales especiales como viento, temperaturas bajas o muy altas, vibración o polvo? • ¿Cuáles son las principales fuentes de ruido? • ¿Cuáles son las características de funcionamiento de las fuentes de ruido? ¿Cómo afectan estas características a la salida de ruido? • ¿Qué características del funcionamiento deben cambiarse durante la serie de medidas y sobre qué rangos? • ¿Cuáles son las dimensiones físicas de las fuentes de ruido? • ¿Cuáles son las características direccionales de la fuente de ruido? • ¿Varía con el tiempo la emisión de ruido de las fuentes de sonido? Y, de ser así, ¿cómo? • ¿Existen variaciones estacionales en el funcionamiento de las fuentes de ruido? • ¿Cuáles son las características direccionales de cada fuente de ruido? • ¿Cuál es el patrón temporal normal del ruido; p. ej., es impulsivo o estable? Cuanta más información haya disponible antes de que las medidas se lleven a cabo, más probable es que se haga la selección adecuada de los instrumentos de medida.

PROCEDIMIENTO DE MEDIDA Cuando se realizan las medidas acústicas (por ejemplo, de una fuente de ruido particular o del ruido en una comunidad), hay que seguir los siguientes pasos básicos: 1. Determinar qué cantidades hay que medir.

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.3

2. Seleccionar los instrumentos, incluido el tipo de micrófono que se va a utilizar. A menudo, resulta útil hacer un diagrama de bloques de todos los instrumentos y equipamientos de ensayo. 3. Determinar el número mínimo de posiciones del micrófono y su localización; dibujar un esquema mostrando la relación entre estas posiciones y la fuente de sonido y cualquier superficie reflectante que pueda afectar a los resultados de la medición. 4. Comprobar la sensibilidad del sistema de medida, realizando todas las calibraciones necesarias. 5. Medir el nivel de ruido acústico y eléctrico en la forma que se describe a continuación. 6. Medir los niveles sonoros de la fuente, anotando todos los valores de los parámetros relevantes seleccionados en los instrumentos. 7. Aplicar todas las correcciones necesarias a las medidas observadas. 8. Hacer un registro escrito de los datos relevantes. Estos datos incluyen los valores de los parámetros seleccionados en los instrumentos, cualquier suceso inusual durante el funcionamiento de la fuente de ruido y las condiciones ambientales si son significativas. Cada uno de estos pasos se comenta en detalle en las secciones siguientes. CANTIDADES· A MEDIR Cuando una norma, regla o código de ensayo requiere que se mida o informe de una cantidad específica, el programa de medida ha de planearse para obtenerla. El nivel sonoro con ponderación A es la cantidad básica que más a menudo se precisa y ha sido adoptada en muchas normativas nacionales e internacionales. Se utilizan muchos índices derivados de los niveles sonoros integrados temporalmente con ponderación A; p. ej., nivel sonoro medio para 8 horas y nivel sonoro medio día-noche". El análisis espectral de una señal de presión sonora puede ser una parte necesaria del proceso de medida. En el Capítulo 11 se incluye un comentario amplio de las cantidades (índices) precisas que es necesario obtener cuando se mide el sonido producido por distintos tipos de fuentes de ruido.

* N. del R.: Se ha respetado el término original «cantidades», pero sería más correcto hablar de «índices». ** N. del R.: El autor se refiere sin duda a niveles sonoros continuos equivalentes, cuya notación habitual es Leq (1). Esta apreciación es de importancia fundamental, ya que el Leq es una media energética, diferente de la media estadística.

--

9.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

SELECCION DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA DEL SONIDO La selección de los instrumentos para la medida del sonido depende de la finalidad con que se realice la misma. Sólo se puede hacer una selección apropiada después de que el problema de la medición se haya definido claramente. Muchos procedimientos de medida se prescriben en las normas nacionales e internacionales que establecen, por ejemplo, los procedimientos de medida, las posiciones de medida y la precisión de medida requerida. Muchas normas, ordenanzas, códigos y especificaciones exigen la obtención de niveles sonoros con ponderación A. Para estos requisitos, es adecuado un sonómetro con promedio temporal exponencial o preferiblemente un sonómetro integrador. Si la medida necesaria se presenta en términos de niveles de presión sonora de bandas de octava, es preciso un analizador de espectro en bandas de octava. Si se necesita establecer recomendaciones para el control del ruido de una maquinaria o pieza de equipamiento ruidosas, un analizador de bandas de octava puede ser adecuado para el estudio de las características espectrales del ruido, siempre que éste sea de banda ancha. Sin embargo, si el espectro de ruido tiene componentes de banda estrecha o de frecuencia discreta, haría falta un analizador en bandas de tercio de octava o de bandas finas. Puede que no sea necesario llevar el analizador de espectro al lugar donde se encuentra el problema de ruido. En lugar de ello, el ruido puede registrarse usando una grabadora magnética de calidad profesional (como se comentó en el Capítulo 6). Entonces, el análisis espectral puede llevarse a cabo en un momento posterior. En cualquier caso, el uso de un analizador de bandas de octava en el campo aporta información útil y facilita la comprobación de un análisis espectral posterior más amplio mediante el estudio de las grabaciones de las cintas magnéticas.

Selección de micrófonos; características de respuesta del micrófono. (Véase también «Características del micrófono)), Capítulo 5)

El tipo de micrófono utilizado y su orientación en el campo sonoro influyen sobre la precisión de las medidas. De forma ideal, el micrófono debe tener una respuesta en frecuencia para la que la sensibilidad sea independiente de la frecuencia sobre el rango de interés. Habitualmente, hay disponibles tres tipos de diseños de micrófonos: (1) micrófono de campo libre, en que la respuesta en frecuencia es fundamentalmente plana cuando se mide en campo libre, con ondas planas progresivas, con el ángulo de incidencia especificado por el fabricante (a menudo, 0°, es decir, perpendicular al plano del diafragma del micrófono); (2) un micrófono de incidencia aleatoria (random), en que la respuesta de frecuencia es fundamentalmente plana para las ondas sonoras que llegan de cualquier dirección y varían aleatoriamente en el tiempo (por ejemplo, en un campo sonoro perfectamente difuso), y (3) un micrófono de presión, en que la respuesta en frecuencia es plana cuando se mide en un campo de presión de un pequeño acoplador. Un acoplador es una cámara bien definida, no mucho mayor que el micrófono en sí, cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de onda del sonido de interés. Bajo estas condiciones,

9.5

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

tanto la propagación del sonido como las reflexiones están ausentes y el micrófono está sometido únicamente a un campo de presión. Un micrófono de presión responde de manera uniforme a la presión sonora real, incluyendo la presión de la alteración producida por el propio micrófono. Para la mayoría de los micrófonos de medición, la presión y las respuestas de incidencia aleatoria son parecidas, salvo a frecuencias superiores a aproximadamente 3000 Hz para micrófonos de 25 mm (1 in) de diámetro o mayores, y superiores a 6000 Hz para micrófonos de 13 mm (l/z in) de diámetro; así, los micrófonos de presión de la mayoría de los fabricantes de micrófonos de medición también pueden utilizarse para medidas de incidencia aleatoria (random). La Figura 9.1 muestra que para un micrófono de 13 mm (l/z in) existen diferencias significativas entre la respuesta de incidencia aleatoria (random) y la respuesta en campo libre a 0° para frecuencias por encima de 2000 Hz; para un micrófono de 25 mm (1 in), la frecuencia correspondiente es 1000 Hz. Si la respuesta de frecuencia del micrófono obtenida con el

I------~~¡;::::,

____

f

90°

+ (a)

f


(b)

o c:

o en c: 'o .¡¡;

0° \

....CJ)

\

C. CJ)

90°

"O

f

Qi

>

Z

Frecuencia (e)

FIGURA 9.1. Respuestas en frecuencia de un micrófono de presión. (a) Cambio en la respuesta en frecuencia debido a la presencia del micrófono en el campo sonoro; (b) respuesta en frecuencia de un micrófono de presión; (e) respuesta en frecuencia resultante de un micrófono de presión utilizado en campo libre (línea continua) o campo al azar (línea a trazos).

9.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS V CONTROL DEL RUIDO

instrumento es más plana para la incidencia aleatoria (random), entonces para el sonido que incide perpendicularmente (a lo largo del eje del micrófono) u horizontalmente (900 respecto del eje del micrófono) se puede aplicar una corrección, del tipo que muestra la Figura 9.2, para medir los niveles de presión sonora en bandas de distinta frecuencia. Por ejemplo, a una frecuencia de 10.000 Hz, la sensibilidad nominal de un micrófono típico de 13 mm (112 in) de incidencia aleatoria (random) aumenta en unos 4 dB para la incidencia perpendicular y es en esencia la misma para la incidencia horizontal. (Los fabricantes han de informar sobre las correcciones específicas para los micrófonos de medición.) Si el micrófono que acompaña al instrumento de medición sonora es más plano para las ondas que inciden perpendicularmente, el sonido que llegue aleatoriamente o en horizontal habrá de ser corregido, tal y como muestra la Figura 9.3. Por ejemplo, a 10.000 Hz, la sensibilidad nominal de un micrófono de incidencia perpendicular de 13 mm (112 in) de diámetro se reduce en aproximadamente 3 dB para la incidencia aleatoria (random) y en unos 4 dB para la incidencia horizontal. Véase también la Figura 5.4 para información adicional respecto a estas correcciones. A menudo, la corrección de la respuesta en frecuencia de un micrófono puede ignorarse salvo que se esté midiendo predominantemente ruido de alta frecuencia. Muchas veces la principal energía en el espectro del sonido está en frecuencias inferiores a 3000 Hz y los efectos de la respuesta en frecuencia del micrófono pueden desestimarse, sobre todo si su diámetro no supera los 13 mm (112 in). Si se aplican correcciones como las descritas anteriormente, deben realizarse en función de la frecuencia. La corrección del nivel de presión sonora medido con ponderación A, o de banda ancha, o «global», puede realizarse de la siguiente manera: 1. Analizando el ruido en términos de los niveles de presión sonora en las distintas bandas de frecuencia 2. Corrigiendo los niveles de presión sonora en cada banda de frecuencia mediante las Figuras 9.2 o 9.3 3. Combinando los niveles corregidos utilizando la Figura 1.14 para obtener el nivel sonoro corregido con ponderación A o global Si puede identificarse la dirección principal de la propagación del sonido, el micrófono de campo libre debe orientarse de manera que la dirección de propagación ~ ::::;

12

~ Ü ~

8

z

w

f!

4

o

~ -4 :::>

~-8

~

I I 11

PERPENDICULAR

-

/

1-

...... ~

~

rrr r\ TA

200 5001kHz 2 5 10kHz20 50 FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 9.2. Corrección que se añade algebraicamente al nivel de respuesta de incidencia aleatoria (random), para obtener los niveles de respuesta de incidencias perpendicular y horizontal, en un campo libre. (Cortesía de GenRad.)

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

~

4

::J ~ O Ü ~ -4

z

.......,

~~

~~DOM

w-8

~

9.7

lfi-12 :> lli-16 w a: 200

HO~IZO~TAL

\

\ 5001kHz 2 510kHz 20 FRECUENCIA EN HERZIOS

50

FIGURA 9.3. Corrección que se añade algebraicamente al nivel de respuesta de incidencia perpendicular, para obtener los niveles de respuesta de incidencias aleatoria (random) y horizontal, en un campo libre. (Cortesía de GenRad.)

del sonido esté alineada con la dirección utilizada en la calibración del micrófono por el fabricante, como muestra la Figura 9.4. Sin embargo, si se utiliza un micrófono de incidencia aleatoria (random) en un campo acústico libre, la medición más precisa se logra si se orienta a un ángulo entre 70 o y 80 o hacia la fuente de sonido, como muestra la Figura 9.5. Si se orienta directamente hacia la fuente, el micrófono de incidencia aleatoria (random) tiende a sobrestimar el nivel verdadero de presión sonora de las frecuencias altas. De forma contraria, el micrófono de campo libre en un campo difuso tiende a subestimar el nivel verdadero de presión sonora de las frecuencias altas. La Figura 9.6 ilustra un procedimiento para seleccionar un micrófono. La selección depende de: (1) si se emplea una norma de medición y, de ser así, cuál; (2) el tipo de micrófono, y (3) el tipo de campo sonoro.

SELECCION DE LAS POSICIONES O PUNTOS DE MEDIDA A menudo, la posición del micrófono con respecto a la fuente de sonido se especifica mediante la aplicación de una norma. En el caso de la medición de ruido en una comunidad, las posiciones suele~ especificarse como: (1) en cualquier lugar a lo largo de la línea que limita una propiedad o (2) allí donde es más probable que estén las personas de la prapiedad adyacente. Para mediciones de nivel de ruido o de exposiciones sonoras en fábricas, con el fin de evaluar el riesgo de lesión auditiva, el micrófono debe estar situado a una distancia no superior a 100 mm (54 in) del oído de la persona expuesta a la(s) fuente(s) de ruido. Para la medición de los niveles de presión sonora dentro de lugares de reunión u otros espacios públicos, el micrófono ha de ubicarse en las posiciones típicas de los oyentes a alturas de 1,6 m (5,2 ft) de un oyente en pie o entre 1,2 y 1,3 m (de 3,9 a 4,3 ft) si está sentado, salvo que se especifiquen otras alturas. Las medidas no deben realizarse a menos de un metro de una superficie reflectante, como una pared, suelo o techo, donde las reflexiones podrían influir significativamente sobre ellas. El número de lugares de medición debe ser suficiente como para determinar el nivel de ruido ambiental y las características de la fuente de ruido con la precisión requerida (véase más adelante «Ruido de fondo; medidas de ruido ambiental»).

9.8

FIGURA 9.4. po libre.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Orientación de un micrófono de campo libre para la medición en cam-

Número de puntos de medida

El número de puntos de medida necesario para determinar el nivel de presión sonora promediado en el tiempo y en el espacio con determinada precisión depende de la uniformidad del campo sonoro, es decir, de cuánto varía el campo sonoro con las distintas posiciones. La Figura 9.7 muestra un procedimiento para seleccionar el número mínimo de posiciones necesario para determinar el nivel medio de presión sonora, dentro de los límites del 90 por 100 de confianza. Por ejemplo, de acuerdo con la Figura 9.7, se requieren mediciones en ocho posiciones para lograr un intervalo de confianza del 90 por 100 con un error de ± 2 dB, si la desviación típica de las mediciones es 3 dB. La ilustración de la Figura 9.7 está basada sobre el supuesto de que las localizaciones del micrófono están suficientemente espaciadas entre sí como para obtener muestras independientes del campo sonoro. Esta limitación hace preciso que los espaciamientos entre posiciones del micrófono sean de al menos un cuarto de longitud de onda para la frecuencia de interés más baja. Por ejemplo, para muestras independientes a 100 Hz, las posiciones del micrófono deben estar separadas, al menos, por 1 metro; a 50 Hz, las posiciones del micrófono deben estar separadas al menos 2 m (6,6 ft). Si el campo sonoro es muy uniforme, como suele ocurrir a frecuencias altas, son suficientes unas pocas localizaciones del micrófono. El sonido de frecuencia baja varía mucho más, tanto en posición como en tiempo, y por tanto precisa un tiempo de promedio más largo y más ubicaciones de medida para lograr la misma precisión. La precisión de la medición del nivel sonoro también está determinada por la calidad del instrumento y el procedimiento de medida (que, a su vez, puede determinar la calidad del instrumento requerida). Las normas de medida pueden concretar el número mínimo de puntos de medida para cada condición de funcionamiento de la fuente de ruido. De forma alternativa, las normas pueden especificar un criterio de rendimiento; por ejemplo, estableciendo la desviación típica máxima permitida, que está determinada por el número de medidas requeridas. Cuando se mide el nivel sonoro medio en una habitación, son necesarios los promedios tanto temporal como espacial. Este promedio puede llevarse a cabo de forma cómoda ha-

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.9

FIGURA 9.5.

Orientación óptima de los micrófonos de presión o random para medición en campo libre.

lIando la media de las presiones sonoras medias cuadráticas en un número de ubicaciones del micrófono o moviendo éste lentamente sobre una vía fija en la habitación durante un período de tiempo especificado.

SISTEMA DE CALlBRACION Antes y después de cada medición ha de llevarse a cabo una comprobación de la sensibilidad (calibración) del sistema de medición completo, desde el micrófono, pasando por' el instrumento de medición, hasta cualquier aparato de grabación; también puede ser un requisito legal. Resulta conveniente realizar esta comprobación de la sensibilidad mediante un pistófono o un calibrador del sonido del tipo altavoz, que aporta una señal acústica sinusoidal a una frecuencia y nivel sonoro determinados, como se describe en el Capítulo 5. El nivel sonoro real producido por el calibrador ha de ser determinado mediante una calibración separada. La comprobación de sensibilidad de frecuencia única ayuda a asegurar el funcionamiento correcto de: (1) los instrumentos de medición y (2) el aparato de grabación; p. ej., grabadora o registrador de nivel. Sin una calibración válida de la sensibilidad del sistema de medición, ros resultados del ensayo podrían ser cuestionados posteriormente. Ruido de fondo; medidas de ruido ambiental

El ruido de fondo es el de todas las fuentes distintas a la fuente concreta de sonido de interés (sonidos diferentes del que se esté midiendo). El ruido de fondo incluye el ruido de origen eléctrico producido por los instrumentos de medición. Por otra parte, el ruido ambiental es el sonido envolvente asociado con un ambiente acústico determinado, habitualmente compuesto de los sonidos de muchas fuentes, próximas y lejanas; ningún sonido concreto es dominante. Hay que tener en cuenta la finalidad de la medida de estos ruidos a la hora de determinar las localizaciones de las

Precisión reducida

Micrófono a 70°-80° de la fuente de ruido

Precisión reducida

Micrófono de campo libre

Precisión reducida

Micrófono orientado hacia la fuente de ruido

Micrófono de incidencia aleatoria (random)

Precisión óptima

Micrófono de incidencia aleatoria (random)

FIGURA 9.6. Diagrama de decisión para asegurar una precisión óptima de medida para las distintas normas, ambientes de medición y tipos de micrófono.

Precisión óptima

Micrófono de incidencia aleatoria (random)

oO

e

:ti

r-

em

r-

O

:ti

-1

O Z

-< (')

en

~

-1

en

~ e

gen

e

s:: m

em

» z e » r-

s::

Q

~ ...a

9.11

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

40

/

y

30 H0~/

./' /

./

~~~~ 17.<§1 ,,'?

17

1{J 20 ~l!

z o

~~

"t:::/ (]

U

15 ~ 10

J

/

V

§1

x/,

/'

v:'O f!>~

1/ /

'S;

-/

'f

/'

7

7'

/ 7 1/ /1 / ~ 4 I 1/ / ~

3 // /

'// /"

V/ 2 1

2

V

V ./

V

V V V

~.7~

17 /

V

V

~O'Q ./

7

~ 8

~ 6 w

1/

'Y

7h~ y

/'

/'

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12

DESVIACION TIPICA ESTIMADA EN DECIBELIOS

FIGURA 9.7. Número de mediciones con respecto a la desviación típica. Esta gráfica indica el número de mediciones necesarias para determinar una media dentro de distintos intervalos con un 90 por 100 de confianza.

medidas. Por ejemplo, si se realizan mediciones para evaluar el efecto del ruido en una zona frecuentada por el público, el micrófono debe colocarse en las posiciones de los oídos de las personas habitualmente expuestas al ruido.

, Correcciones

Co"ecciónpara el ruido defondo. De forma ideal, las medidas de las fuentes de ruido deben realizarse en ausencia de cualquier ruido de fondo significativo. Cuando esto no es posible, la contribución acústica del ruido de fondo puede reducirse mediante una cuidadosa elección de las posiciones de medición, el uso de pantallas absorbentes del sonido o mediante la instalación temporal de barreras. La situación habitual en la práctica es la de un nivel de ruido de fondo demasiado alto para ser ignorado, de manera gue a menudo es necesaria una corrección que tenga en cuenta su influencia sobre la medición. El siguiente procedimiento sólo es válido si el ruido de fondo es estable entre mediciones. Si cambia durante la medición, la corrección indicada no será válida. 1. Se mide el nivel de presión sonora combinado de la fuente de ruido y el ruido de fondo. 2. Se mide el ruido de fondo aislado mediante la desconexión de la fuente o esperando hasta que no esté presente el sonido que interfiere. 3. Se calcula la diferencia entre estos dos niveles. 4. Si la diferencia supera los 3 dB, se lee la corrección a partir de la Figura 9.8. 5. Se resta la corrección del nivel combinado de presión sonora, medido en el Paso 1, para obtener el nivel de presión sonora de la fuente aislada; es como si existiera ruido de fondo insignificante.

9.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO CORRECCION QUE HA DE RESTARSE DEL NIVEL COMBINADO, EN DECIBELIOS

10 I

'Iltl","

o

5 4 1,' ' , ' , '

2

3 ~ 3

"

2 '1", I 4 5 i

0,5 0,4 '.'

!,' I " 6 7

I I I

I

8

I I

1,

"1

9

ji

0,3 I

I

II

10 11

12

0,1

0,2 I

I

13

I

i

14

15

,

i

16

1,

i

17

DIFERENCIA ENTRE EL NIVEL COMBINADO Y EL NIVEL DEL RUIDO DE FONDO, EN DECIBELIOS

FIGURA 9.8. Nomograma para corregir por el ruido de fondo; v. g" corrección para obtener el nivel sonoro de la fuente si el ruido de fondo no estuviera presente. El valor que se resta del nivel combinado viene dado como una función de la diferencia entre el nivel combinado y el nivel del ruido de fondo aislado.

Para obtener una corrección válida si se utiliza un sonómetro, hay que llevar a cabo todas las medidas anteriores usando la misma ponderación de frecuencia y la misma ponderación exponencial de tiempo [rápida (fast) o lenta (slow)]. Si se utiliza un analizador de espectro, las mediciones anteriores del nivel de presión sonora deben realizarse en cada una de las bandas de frecuencia empleadas y hay que determinar por separado una corrección para cada nivel de presión sonora de banda. En algunos casos, cuando se efectúan medidas de ruido de una fuente en presencia de ruido de fondo, puede ser preferible utilizar la siguiente ecuación, en lugar de la Figura 9.8, para determinar el nivel de presión sonora L de la fuente en ausencia de ruido de fondo:

L

= 10 log (l()O,lL

c -

100,1 Lb )

(9.1)

donde Le es el nivel combinado de presión sonora de la fuente y del ruido de fondo y Lb es el nivel de presión sonora del ruido de fondo a solas. Esta ecuación se mantiene cuando (Le - Lb) > 3 dB; todos los niveles anteriores de presión sonora se expresan en decibelios re 20 micropascales (¡.LPa). Una diferencia de menos de 3 dB en el Paso 3 indica que el nivel de la fuente es menor que el ruido de fondo. En esta situación, la corrección es grande y poco fiable, por ello no debe intentarse aplicarla. Para diferencias de nivel de presión sonora entre 3 y 10 dB, es necesaria una corrección. Si la diferencia está por encima de 10 dB, la corrección es menos de 0,5 dB y, para la mayoría de las mediciones de campo, puede ignorarse. Ejemplo

Paso 1: Supongamos que el nivel combinado de la fuente y el ruido de fondo es 91,5 dB. Paso 2: Supongamos que el nivel del ruido de fondo es 88 dB. Paso 3: La diferencia de niveles es 3,5 dB. Paso 4: De acuerdo con la Figura 9.8, la corrección correspondiente es 2,5 dB. Paso 5: El nivel corregido (el nivel de la fuente de sonido aislada) es (91,5 - 2,5) = 89 dB. [A partir de la ecuación (9.1), el nivel de presión sonora de la fuente es 88 dB].

Si la fuente del ruido de fondo no puede ser desconectada, el nivel de éste puede

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.13

reducirse cerrando puertas y ventanas, levantando barreras o aplicando materiales absorbentes del sonido. De forma alternativa, las mediciones pueden realizarse en un momento del día en que el nivel del ruido de fondo sea más bajo. En algunos casos, es posible seleccionar otras posiciones del micrófono en que el ruido de fondo sea menor. Si el espectro de ruido que se está midiendo es predominantemente de frecuencias altas, la orientación del micrófono hacia la fuente puede aumentar el nivel de presión sonora medido para la fuente. Si el ruido de fondo no surge de fuentes locales claramente definidas, en tanto que el ruido que se mide está definitivamente localizado, puede estimarse el ruido de fondo realizando mediciones a diferentes distancias de la fuente hasta que se logre un nivel estable; se puede asumir que el nivel de presión sonora estable es el nivel del ruido de fondo.

Co"ección por el cable de extensión del micrófono. Supongamos un micrófono que está conectado a un instrumento de medición mediante un cable de extensión. Si está conectado adecuadamente, no hay que aplicar una corrección para las pérdidas en el cable, salvo que sea inusualmente largo. No suelen ser precisas correcciones para los cables de extensión del micrófono que aporta el fabricante. El fabricante debe incluir información respecto a la longitud máxima del cable y las pérdidas que introduce en función de la frecuencia. Para determinar si el cable de extensión afecta a las mediciones, utilice un calibrador de sonido colocado sobre el micrófono, como se describe en el Capítulo 5. La diferencia entre las lecturas con y sin cable indica la pérdida en él para la frecuencia nominal del calibrador y, por tanto, la corrección que debe aplicarse. Es aconsejable realizar tales mediciones para varias frecuencias, si hay disponible un calibrador multifrecuencia. (Un ajuste de la sensibilidad del instrumento para compensar por la pérdida producida por el cable sólo es válida para la frecuencia en que la sensibilidad fue comprobada.) Co"ección por las reflexiones de las superficies próximas. Cuando los niveles de presión sonora se miden cerca de la fuente de sonido, las reflexiones de las paredes y objetos no directamente asociados a ella pueden contribuir con una energía significativa al nivel sonor.o irradiado directamente por la fuente. A menudo, los procedimientos de medida especifican la distancia mínima entre el micrófono y la superficie reflectante más próxima o entre la fuente y la superficie reflectante más cercana. Esta distancia puede expresarse en términos de longitudes de onda a las frecuencias más bajas de interés. La Figura 9.9 presenta el aumento en el nivel sonoro medido debido a la presencia de una superficie próxima. Co"ección por la presión ambiental. Los cambios ordinarios en la presión atmosférica no suelen afectar significativamente a la respuesta de un micrófono a nivel de mar. Por ejemplo, para un micrófono comercializado, a altitudes normales se produce un cambio inferior a 0,2 dB para un cambio del 10 por 100 en la presión atmosférica. Sin embargo, si las mediciones se llevan a cabo a altitudes inusualmente elevadas (presiones bajas) o a presiones muy altas, esta corrección ha de ser tenida en cuenta utilizando los datos que aporta el fabricante del micrófono. Al calibrar el

9.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

IMAGEN

FUENTE

.P

fA, 1

,A,

,

1

,

el 1

1 1

1

I

w

1wz

1

º~

1/

u.. U a: w w-,

,('

Il..u..

POSICION DEL MICROFONO

::Jw


AUMENTO EN EL NIVEL DEBIDO A LA REFLEXION, EN DECIBELIOS

o

3 2 1

I '

1

,

,

I

!

!

,

,

I

!

,

,

I

I

!

!

,

,

I

I

2

!

,

j'

ji

1 'I'¡/IIIII¡I I

3

45 10

FACTOR DE LONGITUD DEL ENCAMINAMIENTO, R

FIGURA 9.9. Aumento en el nivel sonoro medido debido a la presencia de una superficie cercana. El factor de longitud del encaminamiento R es la longitud del rayo reflejado (A + Bl dividida entre la longitud del rayo directo C.

micrófono mediante un pistófono, dado que el nivel de presión sonora en la cavidad depende de la presión ambiental, hay que realizar una corrección por el efecto de la presión atmosférica. Efectos de la humedad

La humedad (gotas o vapor de agua) puede tener serios efectos sobre el funcionamiento de algunos micrófonos de medición, sobre todo los del tipo condensador, si la humedad relativa es alta o la temperatura del micrófono está cerca del punto de condensación. Aunque la presencia de vapor de agua suele tener un efecto insignificante sobre la respuesta en frecuencia, es importante asegurarse de que el tipo de micrófono seleccionado funcionará adecuadamente en un ambiente húmedo. Para los micrófonos de tipo condensador, puede producirse ruido interno intermitente de nivel alto con humedades de moderada a alta o bajo condiciones en que se produce condensación sobre el diafragma o la placa posterior; p. ej., si el micrófono está más frío que el ambiente que le rodea. Algunos sistemas de micrófono, sobre todo aquellos diseñados para instalación permanente en exteriores, superan el problema de la humedad incorporando un preamplificador calentador, con el fin de

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.15

asegurarse de que la unidad micrófono/preamplificador siempre está por encima de la temperatura del punto de condensación. Además, puede incorporarse una protección contra la lluvia para prevenir la entrada directa de agua, que produciría un funcionamiento intermitente. Efectos de la temperatura

En general, la respuesta en frecuencia y la sensibilidad de los micrófonos de medición no se modifican significativamente debido a los cambios de temperatura que habitualmente se producen en interiores. En cualquier caso, pueden realizarse correcciones para los cambios de sensibilidad con la temperatura a partir de los datos que ha de aportar el fabricante. Si un micrófono frío se introduce en aire caliente, si la temperatura decrece rápidamente en presencia de humedad alta, o si hay cambios rápidos de temperatura con humedad alta, se pueden condensar gotas de agua en el micrófono, dando lugar a una ruptura en el campo eléctrico entre el diafragma y la placa posterior y a la generación de un nivel alto de ruido eléctrico intermitente. Efectos de la caja del instrumento y de un observador sobre las medidas

La forma más cómoda de realizar mediciones acústicas de campo es mediante el uso de instrumentos que pueden sujetarse en la mano, sobre todo para estudios de nivel de ruido. La caja del instrumento y el cuerpo del observador que la sujeta pueden afectar a los ,datos medidos, sobre todo si el observador está cerca del micrófono. Esta influencia se ilustra en la Figura 9.10. Para minimizar tales efectos, el observador debe sujetar el aparato a la distancia de un brazo y hacia un lado, como muestra la Figura 9.10, o, preferiblemente, debe montar el micrófono sobre un trípode y conectar el instrumento con un cable de extensión; el aparato puede colocarse así a cierta distancia de la fuente y del micrófono. La medida en que la presencia del operador influye sobre la medición puede comprobarse rápidamente si éste cambia de posición con respecto al indicador y se observa cualquier cambio en el nivel de presión sonora medida·. La parte frontal en forma de cono y la extensión del micrófono de muchos sonómetros están diseñados para minimizar la reflexión sobre el propio cuerpo del instrumento. La Figura 9.10 ilustra los errores de medición típicos producidos por la presencia de un observador y el cuerpo del instrumento en tres situaciones. Los errores debidos sólo al cuerpo del instrumento suelen poder ignorarse para frecuencias por debajo de 500 Hz y son pequeños para el rango de frecuencias restante. Los errores producidos por el observador pueden ser significativos para todo el rango de frecuencias y llegar hasta los 6 dB si un observador grande elige una posición particularmente inadecuada respecto al micrófono. Además de influir sobre la respuesta en frecuencia mediante reflexiones, el observador y el instrumento también pueden alterar las características de directividad del campo sonoro, sobre todo a

* N. del R.: Solamente en el caso de medidas de un ruido continuo estable.

9.16

--s

r

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

50

150

200

500

1k

2k

5k

10k

20k

50

150

200

500

1k

2k

5k

10k

20k

50

150

200

500

1k

2k

5k

10k

20k

1m

FIGURA 9.10. Mediciones típicas mostrando la influencia del observador y de la caja del sonómetro sobre la medida del sonido que llega a lo largo del eje del micrófono.

frecuencias altas. La Figura 9.11 muestra el efecto típico del cuerpo de un sonómetro pequeño sobre la directividad de una fuente de sonido.

Efectos de la vibración mecánica

La mayoría de los micrófonos y sonómetros son relativamente insensibles a la vibración externa. Sin embargo, a niveles muy altos de vibración (o si el cable está doblado, tensado o pinzado) se puede generar ruido en el cable mediante el fenómeno conocido como triboelectricidad1 • Por tanto, es conveniente aislar los cables de los niveles altos de vibración, sobre todo cuando se miden niveles de presión sonora muy bajos. Microfonías. A niveles muy altos de presión sonora (típicamente 120 dB o más), puede producirse un problema especial como resultado de la vibración mecánica transmitida desde la caja del instrumento al micrófono o a los componentes electrónicos internos. Pueden producirse señales espurias (denominadas microfonías) en el instrumento de medición del sonido. Para comprobar la existencia de microfonías, se apaga y desconecta el micrófono; a continuación se enciende la potencia nuevamente y se observa si se producen señales notablemente inferiores. De no ser así, las microfonías pueden ser un problema. Resulta conveniente reemplazar el micrófono por un condensador acorazado (o «falso micrófono») que tenga una capa-

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.17

e, FIGURA 9.11. Influencia del cuerpo del sonómetro sobre las características direccionales del micrófono. La influencia es por lo general mayor para el sonido que llega por la parte posterior del instrumento, donde la caja actúa como una barrera para las ondas sonoras, y la influencia es menor para frecuencias bajas, que son más capaces de difractarse alrededor de la caja.

cidad aproximadamente igual a la del micrófono, con el fin de asegurarse de que, al desconectar éste, no se ha producido una señal inducida electromagnéticamente. Los efectos de microfonía pueden minimizarse utilizando un montaje flexible para el micrófono o usando un cable de extensión y colocando la caja del aparato tan lejos como sea posible del campo de ruido. Sin embargo, algunos tipos de cables de micrófono también pueden introducir microfonías a niveles sonoros exageradamente altos, por lo que habría que emplear cables especiales. Efectos de los campos.magnéticos y electrostáticos

Los campos magnéticos y electrostáticos suelen tener efectos insignificantes sobre el nivel sonoro medido con instrumentos y micrófonos. Sin embargo, en las mediciones cerca de máquinas eléctricas o transformadores muy grandes, el micrófono debe ser reemplazado por un condensador acorazado, como se describió anteriormente, para comprobar la sintonización magnética. La descarga electrostática puede ser un problema para algunos sonómetros; hay que seguir con cuidado las directrices del manual de instrucciones del equipamiento.

9.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

MEDIDAS EN ESPACIOS CERRADOS Las características de los campos sonoros en espacios cerrados se describen en el Capítulo 4. Cerca de la fuente está el campo próximo, donde, por lo general, los niveles de presión sonora no pueden medirse de forma fiable. Más lejos de la fuente, en la región denominada campo lejano, las condiciones en algunos espacios cerrados son parecidas a las de campo libre, donde predomina el sonido directo y el nivel de presión sonora decrece 6 dB por cada duplicación de la distancia de la fuente, de acuerdo con la ley inversa del cuadrado. Más allá del campo lejano (en el espacio cerrado) está el campo reverberante, donde predomina el sonido reflejado y donde, como situación media, la presión sonora no decrece significativamente con la distancia de la fuente. La distancia entre estos campos y la fuente depende de la absorción de la habitación (véase Capítulo 4), del tamaño de la fuente y del espectro de frecuencia del sonido producido por la misma. La medición del sonido producido por una fuente concreta en presencia de otras fuentes ha de llevarse a cabo sólo en la región de campo libre, donde el campo sonoro directo de la fuente es dominante. Por lo general, en el campo reverberante no es posible distinguir entre las contribuciones de las fuentes individuales al nivel de presión sonora reverberante.

Ondas estacionarias

En un ambiente cerrado, además del sonido directo que llega al micrófono, hay reflexiones sobre las paredes, suelo y otras superficies. Como ilustra la Figura 4.8, debido a ondas estacionarias, se producen aumentos y disminuciones alternativas de las ondas sonoras. El resultado es una serie de máximos y mínimos en nivel sonoro a medida que el micrófono se mueve a lo largo de una línea recta lejos de la fuente. Con ruido complejo, formado por muchos componentes de frecuencia, tiene lugar un efecto promediador, de manera que los máximos y mínimos se reducen en magnitud. Cuando se observan ondas estacionarias en la medición del nivel sonoro, hay que aplicar una corrección para estimar el nivel de presión sonora que habría existido si las reflexiones que producen estas ondas no estuvieran presentes. Un nivel así corregido es en esencia un nivel de presión sonora promediado en el tiempo y en el espacio. Puede obtenerse de la siguiente manera. Si la diferencia entre los niveles de presión sonora máximo y mínimo de la onda estacionaria es menor de 6 dB, se utiliza la media aritmética de los dos valores. Si la diferencia es superior a 6 dB, se utiliza un valor 3 dB por debajo del nivel máximo de presión sonora. Cuando hay que medir las características acústicas de un equipo concreto en un local cerrado, es aconsejable minimizar los efectos de las ondas estacionarias y de otros objetos y superficies reflectante s próximas (por ejemplo, utilizando un material absorbente del sonido). Cuando se requieren mediciones particularmente precisas, es esencial que el micrófono esté conectado al equipo de medición mediante un cable de extensión; esta práctica evita las reflexiones de la caja del instrumento y del cuerpo del observador que se producen cuando el aparato de medición se sujeta con la mano.

9.19

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

MEDIDAS EN EXTERIORES; USO DE PANTALLAS ANTIVIENTO La mayoría de las normas respecto a mediciones acústicas en exteriores prohíben su realización bajo condiciones extremas de viento o lluvia. El viento puede tener una influencia significativa sobre las medidas acústicas en exteriores. Sus efectos pueden minimizarse si se toman precauciones para proteger el micrófono. A medida que el aire se mueve a través de la rejilla protectora del micrófono, se produce ruido. La turbulencia producida por el viento da como resultado contribuciones de baja frecuencia a la señal sonora que se está midiendo. Los vórtices generados por el viento pueden producir un «silbido». Sin embargo, el ruido producido por el viento puede reducirse significativamente ajustando una pantalla antiviento, dispositivo que habitualmente es una bola esférica porosa de espuma de plástico de poros abiertas o algún otro material poroso que se coloca sobre el micrófono, como ilustra la Figura 9.12. Las pantallas antiviento están diseñadas acústicamente de manera especial para aportar una protección de alto grado contra el ruido del viento, habitualmente con una influencia insignificante sobre las características direccionales del micrófono y poco efecto sobre la respuesta en frecuencia para la mayor parte del rango de frecuencias. La Figura 9.12 ilustra la reducción en el ruido inducido por el viento en función de su velocidad. Hay una mejora sustancial para viento a bajas velocidades, las que suelen encontrarse a menudo durante las mediciones acústicas. La pantalla antiviento también protege al micrófono contra el polvo, la precipita120

111

o c:

110

o Ul c: '0 .¡¡;

.

100

Qi

90

al

A

C. al "O

>

o

Z

A: Con dispositivo de protección estandarizado. Viento paralelo al diafragma B: Como A, pero el viento en ángulo recto respecto al diafragma

80

C: Como B, con pantalla antiviento D: Como A con pantalla antiviento

70 20

40

60

80

100

120

Velocidad del viento, km/h

FIGURA 9.12. Ruido inducido por el viento en función de la velocidad del mismo. Se muestra el nivel de presión sonora del ruido del viento en un micrófono de 25 mm (1 in) en función de la velocidad del viento, medida con y sin pantalla antiviento, para incidencia perpendicular y horizontal.

9.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ción y daños mecánicos menores. Sin embargo, la obstrucción de los poros o aberturas de la pantalla puede dar como resultado una pérdida por inserción.

USO DE LOS SONOMETROS Los diseños y características básicas de los sonómetros se describen en el Capítulo 5. Las cantidades que pueden medir se describen en el Capítulo 11.

Selección del grado de precisión de los sonómetros

Habitualmente el grado de precisión del sonómetro elegido para una aplicación concreta viene determinado por las normas aplicables a la medición que se va a llevar a cabo. Los sonómetros se clasifican de la siguiente manera: Tipo O (Clase O). Un instrumento que cumple las tolerancias más estrictas con respecto al nivel de linealidad, desviaciones en la respuesta en frecuencia y desviaciones de la omnidireccionalidad. Se utiliza con objetivos de referencia de laboratorio, donde se requiere una precisión extrema. Tipo 1 (Clase 1). Un instrumento de precisión que se utiliza en mediciones de ruido donde se requiere una precisión plana, de grado técnico para un rango amplio de medidas de campo. Tipo 2 (Clase 2). Un instrumento de propósito general que cumple con la tolerancia menos estricta (más amplia) con respecto a la linealidad del nivel y la respuesta en frecuencia. Un sonómetro de Tipo 2 sólo tiene que poseer ponderación de frecuencia A; otras ponderaciones de frecuencia son opcionales. Tipo 3. Un sonómetro del tipo más sencillo. Aunque tiene menor precisión que cualquiera de los demás tipos, su sencillez hace que su uso sea más fácil. Se utiliza frecuentemente en mediciones de sondeos de ruido, con el fin de determinar si existe un problema de ruido. Si el problema existe, habrá que llevar a cabo un análisis más detallado mediante sonómetros de mayor precisión.

Selección de la ponderación de frecuencia

La Figura 5.7 muestra la respuesta de diseño de varias ponderaciones de frecuencia estandarizadas. Si la medición se lleva a cabo cumpliendo una norma o código, hay que utilizar la ponderación de frecuencia especificada (habitualmente se especifica la ponderación A). En ausencia de una norma o código de ensayo, suele elegirse la ponderación de frecuencia A. Cuando se informa de los resultados medidos, es esencial indicar la ponderación de frecuencia utilizada. Las mediciones también pueden realizarse con la ponderación de frecuencia C, con el fin de aportar una estimación aproximada de la distribución de frecuencia del ruido que se mide, de la siguiente manera. Se miden los niveles sonoros con pon-

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.21

deración C y con ponderación A para lograr una estimación del espectro de frecuencia del sonido. Si la diferencia entre los niveles sonoros con ponderaciones A y C es menos de 1 dB, el espectro de sonido está concentrado fundamentalmente por encima de 500 Hz. Sin embargo, si la diferencia es de varios decibelios, el ruido es predominantemente de baja frecuencia.

Selección de la ponderación temporal (promedio temporal)

Rápida ({ast) o lenta (slow).

Como se indicó en el Capítulo 5, los sonómetros convencionales comercializados tienen disponibles dos ponderaciones exponenciales de tiempo: rápida (fast), que posee una constante de tiempo de 125 milisegundos para señales que aumentan o decrecen al aumentar el tiempo, y lenta (slow), que tiene una constante exponencial de tiempo con un valor de 1000 milisegundos para señales que aumentan o descrecen al aumentar el tiempo. La ponderación de tiempo lenta (slow) es útil cuando se estima el nivel medio de un sonido que fluctúa rápidamente. Algunas normas de medición especifican ponderación temporal lenta (slow) y otras ponderación temporal rápida (fast). La ponderación exponencial temporal impulso (1), disponible en algunos sonómetros, representa el logro de un compromiso arbitrario para intentar aportar la manera de que un sonómetro convencional se utiliza en la medición del nivel sonoro de sonidos impulsivos de corta duración. La ponderación de tiempo impulso tiene una constante exponencial de tiempo de 35 milisegundos para señales que aumentan al hacerlo el tiempo, y 1500 milisegundos para señales sonoras que descienden al aumentar el tiempo. Salvo que lo requiera una norma o código de ensayo, hay que evitar la ponderación exponencial de tiempo impulso, sobre todo para medidas relacionadas con la conservación de la audición. Se utiliza fundamentalmente para evaluar la respuesta humana de sonoridad frente a un sonido impulsivo.

Ponderación de tiempo pico (respuesta pico).

La ponderación de tiempo pico (respuesta pico) de un sonómetro aporta una indicación del nivel de la presión sonora pico absoluta; este nivel es preciso a menudo para evaluar el riesgo de lesión de la audición en un ambiente en que los trabajadores están expuestos a sonidos impulsivos.

Valores de tiempo de promedio. Para sonidos que fluctúan con el tiempo, el nivel sonoro continuo equivalente, tal como lo mide un sonómetro integrador a lo largo de cierta duración establecida de la medición, es una medida cómoda y significativa del nivel de presión sonora promediado en el tiempo con ponderación de frecuencia. La duración de la medición puede extenderse desde varios segundos hasta muchas horas o días, según resulte apropiado para la fuente sonora y la finalidad de la medición. El Capítulo 11 aporta más información sobre la medición del nivel sonoro continuo equivalente. Como se describe en el Capítulo 5, los aparatos indicadores son del tipo siguiente: analógico (habitualmente una aguja que se mueve sobre una escala graduada), cuasi-analógico y digital. Si el indicador de un sonómetro convencional es una aguja (o su equivalente en un indicador de cristal líquido ) que se mueve sobre una escala,

9.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

puede obtenerse un nivel sonoro medio anotando los niveles sonoros máximo y mínimo que se producen con una razonable regularidad. Si el rango de las fluctuaciones de esta aguja es menor de 6 dB, la media aritmética de los dos niveles sonoros aporta un nivel sonoro medio aproximado. Si el rango de fluctuaciones es superior a 6 dB, puede asumirse que el nivel sonoro aproximado medio está 3 dB por debajo del nivel sonoro máximo. Si el indicador del sonómetro es una secuencia continua de números sobre una pantalla digital, la lectura media deseada puede obtenerse de forma parecida. En ambos casos, es aconsejable registrar los niveles sonoros máximo y mínimo con ponderación exponencial de tiempo, así como el nivel sonoro aproximado medio·. Los sonómetros integradores aportan mediciones del nivel de exposición sonora con ponderación de frecuencia. La exposición sonora es la integral de tiempo del cuadrado de la presión sonora instantánea con ponderación de frecuencia y es proporcional a la energía acústica en la señal de sonido. El nivel de exposición sonora es particularmente útil para mediciones de sonidos que son repetitivos o cíclicos, como el funcionamiento de una máquina o pieza de equipamiento, un vehículo que pasa por una autopista o un avión que sobrevuela una determinada zona. En el Capítulo 12 se incluyen ejemplos de la medición del nivel de exposición sonora y su relación con el nivel sonoro continuo equivalente correspondiente.

MEDIDAS UTILIZANDO LOS ANALIZADORES DE ESPECTRO DEL SONIDO En el Capítulo 7 se realiza una descripción básica de los distintos tipos de analizadores de espectro. Estos instrumentos ofrecen información indicando cómo se distribuye en frecuencias el espectro de una fuente de sonido. Esta información es necesaria si uno de los propósitos de la medición del ruido es obtener datos técnicos para un programa de reducción del ruido.

Selección del analizador de espectro (véase también Capítulo 8)

Puede utilizarse un analizador de espectro para determinar qué banda de frecuencia o componente contribuye en mayor medida al nivel sonoro con ponderación A. Para ello, puede ser suficiente un analizador de espectro de bandas de octava. Sin embargo, un análisis de bandas de tercio de octava aporta información más detallada y puede sugerir claves respecto a la fuente de sonido. Por ejemplo, una fuente como un motor eléctrico produce un sonido que puede contener tonos generados magnéticamente relacionados con la velocidad del motor rotacional y con la frecuencia de la línea de potencia. Algunos componentes de máquinas, como cojinetes y engranajes, también pueden generar tonos a frecuencias bien definidas. Los com-

* N. del R.: Este tipo de sonómetros han quedado obsoletos hoy en día, y es difícil encontrarse actualmente con mediciones realizadas con estos instrumentos.

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.23

ponentes discretos de frecuencia en estos espectros no siempre pueden determinarse mediante un analizador de bandas de tercio de octava. En tal caso, puede utilizarse un analizador de banda de duodécimo de octava o incluso más fina. Como se describe en el Capítulo 8, estos analizadores de bandas finas tienen una anchura de banda constante o una anchura de banda de porcentaje constante. En general, el analizador de ancho de banda constante se utiliza sólo para espectros de sonido que son estables y no varían en frecuencia; p. ej., el ruido de un transformador. El analizador de ancho de banda de porcentaje constante es preferible para el análisis de espectros en que las variaciones de los frecuencias armónicas mantienen una relación fija con la variación de la frecuencia fundamental. En cualquier caso, el ancho de banda del analizador debe ser más ancho que las fluctuaciones más amplias de la frecuencia de los componentes espectrales que se están midiendo. La elección del analizador de espectro suele venir determinada por los detalles precisados en los resultados, el tiempo disponible para el análisis de datos y el tipo de salida. Esta última puede ser un medidor, una tarjeta gráfica o series de tarjetas o una tabulación numérica obtenida mediante la impresora del ordenador. Habitualmente hay que llegar a un término medio en la selección del instrumento para el análisis del espectro. Si el analizador de espectro es del tipo que está conectado a la salida de un sonómetro, el análisis se lleva a cabo preferiblemente con el sonómetro ajustado en la ponderación plana o lineal. Sin embargo, hay excepciones a esta regla general. Por ejemplo, si hay componentes muy fuertes de frecuencia baja, puede utilizarse la ponderación A como un filtro previo al analizador. Este procedimiento puede ayudar a mejorar la precisión de los niveles de presión sonora de alta frecuencia en varias bandas. Sin embargo, hay que aplicar correcciones para la respuesta de frecuencia con ponderación A realmente medida a los niveles de presión sonora de la banda indicada. Debido a las tolerancias permitidas a los instrumentos en la práctica, la respuesta de frecuencia medida (no el objetivo de diseño) siempre debe usarse en las correcciones.

Datos a registrar

Debe registrarse la siguiente iRformación, allí donde sea aplicable, cuando se realiza un estudio (sondeo) sobre el ruido, se miden los niveles de ruido ambiental o se miden las características acústicas de una fuente de ruido. El registro de estos datos supone una práctica técnica adecuada. Además, el registro de esta información es esencial para demostrar que se han satisfecho las normas, códigos o reglas. Un informe de medición amplio y cuidadosamente documentado es esencial en los procedimientos legales.

Fuentes de sonido 1. Descripción 2. Condiciones de funcionamiento 3. Condiciones de montaje

9.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ambiente acústico interior 1. 2. 3. 4. 5.

Localización de las fuentes de ruido Dimensiones del local de ensayo Descripción de las características físicas de las paredes, techo y suelo Esquema mostrando la localización de las fuentes de ruido Temperatura, humedad y presión barométrica (en un trabajo de precisión, para usarlo en el ajuste de la salida del calibrador sonoro)

Ambiente acústico exterior 1. Localización de las fuentes de ruido 2. Esquema de la zona en que se realizan las medidas, mostrando edificios, árboles, estructuras y otros objetos reflectantes 3. Descripción de las características de la superficie del suelo 4. Temperatura, humedad (para calcular la absorción del sonido en el aire) y presión barométrica (a una altura especificada por encima del suelo; para trabajos de precisión) 5. Tipo y estado de la pantalla antiviento, si se ha utilizado Instrumentación 1. Instrumentos utilizados en las mediciones, incluido nombre de los fabricantes, modelos, números de serie y longitud del cable del micrófono, si se ha empleado 2. Anchura de banda nominal del analizador de espectro 3. Calibrador sonoro, incluido fabricante, modelo y número de serie Medición de los datos 1. Posiciones de los operadores. 2. Posiciones y orientaciones de los micrófonos. 3. Resultados de la comprobación de la sensibilidad acústica (calibración acústica). 4. Ponderación de frecuencia y, si se ha empleado, ponderación exponencial de tiempo [v. g., respuesta del indicador, rápida (fast) o lenta (slow)]. 5. Niveles sonoros (o niveles de presión sonora medidos en todas las bandas de frecuencia) para cada ubicación del micrófono. Duración de los períodos de tiempo en que se promedia el nivel. Para los sonómetros convencionales: niveles sonoros máximos y mínimos. 6. Niveles de ruido de fondo en cada localización del micrófono. (Para un análisis en bandas de frecuencia, los niveles de ruido de fondo deben medirse en cada banda de frecuencia.) 7. Corrección en decibelios para la respuesta en frecuencia y directividad del micrófono, respuesta en frecuencia del cable y ruido de fondo.

TECNICAS DE MEDIDA DEL RUIDO

9.25

8. Niveles sonoros corregidos (y/o niveles de presión sonora por banda de frecuencia) para cada ubicación del micrófono. 9. Fecha y hora. 10. Nombres de los operadores.

REFERENCIA 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3." ed., Capítulo 15, McGraw-Hill, Nueva York, 1988.

Capítulo

10

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION Cyril M. Harris

INTRODUCCION Este capítulo describe el equipamiento utilizado en la medida de la vibración. La información detallada sobre los transductores, sus características y cómo están influidas por los factores ambientales se presenta en el Capítulo 7. El Capítulo 6 describe varios componentes de los sistemas de medida y las características que determinan su selección. El uso de estos sistemas de medida en los problemas de vibración puede implicar sólo a uno o dos técnicos, por ejemplo para la comprobación de las condiciones de la maquinaria en una fábrica (Capítulo 39). Por otra parte, en la industria aeroespacial, algunos problemas de medida son tan complejos que exigen la implicación de equipos completos de técnicos y varias divisiones de la compañía. Sin embargo, todos estos ejemplos comparten ciertos procedimientos básicos de medida. Son estos procedimientos (más que los detalles de medida, que cambian de un problema a otro) los que se consideran aquí. Así, este capítulo incluye un comentario general sobre: (1) la pTanificación de las medidas para lograr los objetivos establecidos, (2) la selección del tipo de medida que debe hacerse para lograr los objetivos marcados, (3) la selección de transductores, (4) el montaje de transductores, (5) el montaje de cables (incluyendo recubrimiento y toma de tierra) y (6) la selección de técnicas para la calibración de campo del sistema global de medición.

PLANIFICACION DE LA MEDICION Una planificación cuidadosa previa a las pruebas (y, en el caso de un programa de medición complejo, la correspondiente documentación detallada) puede ahorrar mucho tiempo en la realización de las mediciones y asegura que se obtiene la información más útil a partir de los datos examinados. En muchos casos, como en los de 10.1

10.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

evaluación ambiental, los procedimientos de medida están incluidos en las especificaciones de ensayo. En otros casos (como al equilibrar maquinaria rotatoria), los procedimientos de medición están esquematizados en detalle en las normas nacionales o internacionales. En general, el primer paso de la planificación es definir el propósito del examen y definir qué se va a medir. La planificación debe comenzar con una definición clara de los objetivos del ensayo, incluyendo la precisión y fiabilidad requeridas. El segundo paso es definir aquellos factores no relacionados con el equipamiento que influyen sobre la selección del equipo y las técnicas de medición. Entre éstos, la disponibilidad de personal entrenado, las consideraciones sobre el coste, el tiempo disponible para las mediciones, las consideraciones sobre horarios y las técnicas disponibles para el análisis, validación y presentación de los datos. A continuación, hay que considerar los distintos factores que aparecen reflejados en la Tabla 10.1. Por ejemplo, es importante tener cierta estimación de las características del movimiento que se va a medir: su rango de frecuencia, amplitud, rango dinámico, duración y dirección principal del movimiento. Esta información es necesaria para definir las bases de una selección óptima del equipamiento de medida. Sin embargo, suele saberse muy poco acerca de las características del movimiento que se va a medir. La experiencia previa puede servir de guía en la estimación de las características de la señal. Si no se tiene información previa, pueden llevarse a cabo mediciones preliminares para obtener información que sirve como guía de las mediciones posteriores. Por ejemplo, supongamos que una medición preliminar muestra un espectro de frecuencias con un contenido considerable en la región de las frecuencias bajas. Esto indicaría que la capacidad de la instrumentación debe extenderse hacia las frecuencias inferiores en las mediciones posteriores. Así, a menudo se produce un proceso repetitivo en los programas de medición de la vibración. Para hacer más rápido este proceso, suele ser útil emplear equipos cuyas características cubran un rango dinámico y de frecuencias amplio y que tenga una flexibilidad considerable. No tener en cuenta esta retroalimentación informativa puede a veces dar como resultado la obtención de datos sin sentido. Por ejemplo, una organización llevó a cabo un programa de medición durante varias semanas. El objetivo era correlacionar los datos de vibración de un edificio, medidos en los propios laboratorios de la organización, considerando estos laboratorios como una ubicación para galvanómetros ultrasensibles y otros equipamientos sensibles al movimiento. No se halló correlación y todo el programa de medición fue una pérdida de tiempo por dos razones: 1. Las medidas se realizaron con un equipo de frecuencia limitada que no era suficientemente baja, de manera que componentes importantes del espectro de la vibración del edificio no pudieron medirse. 2. Sólo se realizaron medidas en dirección vertical, en tanto que el componente horizontal era dominante y algunas áreas de laboratorio resultaron inaceptables para la localización de equipamiento sensible a la vibración. La Tabla 10.1 presenta varios factores que hay que considerar al planificar la instrumentación para la medición de la vibración. Gran parte de ella se ha comentado en capítulos anteriores y se harán referencias a ello, en lugar de repetirla aquí. Por ejemplo, el Capítulo 6 describe los distintos componentes que siguen al trans-

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.3

TABLA 10.1. Factores que son consideraciones importantes en la selección del equipamiento y las técnicas para la medición del impacto mecánico y la vibración

Parámetros a medir Aceleración Velocidad Desplazamiento

Tensión Fuerza Impedancia Características del movimiento a medir

Rango de frecuencia Rango de amplitud Fase

Dirección del movimiento Características transitorias Duración Condiciones ambientales

Temperatura (ambiental y transitoria) Humedad Presión ambiental Ruido acústico

Campos magnéticos y de frecuencias radio Medio corrosivo y abrasivo Radiación nuclear Aceleración sostenida

Características del transductor (véase Capítulo 7) Características eléctricas (sensibilidad, resolución, sensibilidad en el cruce de ejes, linealidad de la amplitud, rango dinámico, respuesta en frecuencia, respuesta de fase) Características físicas (p. ej., tamaño y masa) Autogenerador o potencia auxiliar requerida Conectado eléctricamente a la caja o aislado Amplificador autocontenido Montaje del transductor y localización de los montajes Efecto del montaje sobre las características del transductor Efecto del montaje sobre las características vibratorias del elemento bajo examen Número de localizaciones de medición Espacio disponible para las localizaciones de medición Accesibilidad para instalación y mantenimiento Facilidad de instalación Posibilidad de desalineamiento del montaje con respecto a la dirección de medida deseada Componentes del sistema (preamplificadores, acondicionadores de señal, filtros, analizadores) (véase Capítulo 6) Características eléctricas (p. ej., impedancias de entrada y salida) Disponibilidad de potencia Interferencia de ruido (blindaje, evitar bucles de toma de tierra) Número de canales requeridos para medición y grabación Posible requisito de información de tiempo real Método de transmisión de datos Cable coaxial Par de cables enrollados

10.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 10.1.

Factores que son consideraciones importantes en la selección del equipamiento y las técnicas para la medición del impacto mecánico y la vibración (Continuación)

Método de transmisión de datos Telemetría (canales asignados) Fibra óptica Equipo de grabación (véase Capítulo 6) Capacidad de tiempo de grabación Características eléctricas (p. ej., relación entre señal y ruido) Ser portátil; requisitos de potencia Correlación entre información grabada y fenómenos físicos Redundancia para minimizar el riesgo de pérdida de información crucial Calibración de campo Transductores Sistema de medición global Análisis de datos, presentación y validación Manual o automática Tipo de presentación requerida

ductor en un sistema de medición (como preamplificadores, acondicionadores de señal, filtros, analizadores y registradores) y describe la selección de la anchura de banda del analizador apropiada, escala de frecuencia, escala de amplitud, selección de ventanas de datos, etc.

SELECCION DEL PARAMETRO A MEDIR A menudo, la selección del parámetro a medir (desplazamiento, velocidad, aceleración o tensión) está predeterminada por las especificaciones o las normas. Cuando no es éste el caso, resulta útil aplicar las consideraciones incluidas en la Tabla 10.2 o aplicar la regla del espectro más plano descrita en el Capítulo 39. De acuerdo con ésta, el mejor parámetro de movimiento para ser utilizado es aquel cUyo espectro esté más próximo a ser uniforme (el que tenga el espectro más plano). Esto es importante por dos razones: si el espectro es relativamente plano (1) un aumento en cualquier frecuencia tiene aproximadamente la misma probabilidad de influir sobre los niveles globales de vibración y (2) se plantean demandas mínimas sobre el rango dinámico que se precisa en el equipamiento que sigue al transductor. Por ejemplo, la Figura 39.2 muestra dos espectros obtenidos bajo condiciones idénticas; uno, un espectro de velocidad, y otro, un espectro de desplazamiento. El espectro obtenido mediante un transductor de velocidad es más uniforme; por tanto, la velocidad sería el parámetro de movimiento más adecuado.

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.5

TABLA 10.2. Guía para la selección del parámetro de medición Mediciones de aceleración Utilizadas a frecuencias altas en que las medidas de aceleración aportan las salidas de señal más altas Utilizadas donde las fuerzas, cargas y tensiones han de ser analizadas allí donde la fuerza es proporcional a la aceleración (que no siempre es el caso) Utilizadas cuando es preciso un transductor de tamaño pequeño y poca masa, ya que los acelerómetros suelen ser algo menores que las tomas de velocidad o desplazamiento Mediciones de velocidad Utilizadas cuando las medidas de vibración han de correlacionarse con medidas acústicas, ya que la presión sonora es proporcional a la velocidad de la superficie vibratoria Utilizadas a frecuencias intermedias en que las medidas de desplazamiento dan lugar a salidas del transductor que pueden ser demasiado pequeñas para poder medirse convenientemente Utilizadas ampliamente en medidas sobre maquinaria en que el espectro de velocidad suele ser más uniforme que los espectros de desplazamiento o aceleración Mediciones de desplazamiento Utilizadas cuando la amplitud del desplazamiento es particularmente importante; p. ej., donde las partes vibratorias no deben tocarse o donde el desplazamiento por encima de un valor determinado da como resultado daños en el equipamiento Utilizadas donde la magnitud del desplazamiento puede ser una indicación de las tensiones a analizar Utilizadas a frecuencias bajas, donde la salida de los acelerómetros o tomas de velocidad pueden ser demasiado pequeñas como para resultar útiles Utilizadas para medir el movimiento relativo entre cuerpos rotatorios y la estructura de una máquina Mediciones de tensión Utilizadas donde una parte del objeto que se está examinando sufre una variación apreciable bajo la tensión producida por la vibración, habitualmente limitada a frecuencias bajas

Selección del transductor

En la selección del transductor que mejor se ajuste a una medición determinada hay que tener en cuenta los distintos factores que aparecen en la Tabla 10.1, sobre todo los relacionados con Parámetro a medir, Características del movimiento a medir, Condiciones ambientales y Características del transductor. Todos estos factores (además del coste y la disponibilidad) influyen en el proceso de selección. Si la consideración de distintos factores conduce a recomendaciones opuestas, hay que determinar su importancia relativa y, sobre esta base, tomar una decisión. Por ejemplo, consideremos dos factores que influyen en la selección de un acelerómetro piezoeléctrico: sensibilidad y masa. Las consideraciones de sensibilidad sugerirían que se seleccionara un transductor de gran tamaño, ya que la sensibilidad suele aumentar con el tamaño (y por tanto con la masa) para un acelerómetro de este tipo.

10.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Por otra parte, las consideraciones de la masa sugerirían que se seleccionara un transductor de pequeño tamaño, con el fin de minimizar la carga sobre el elemento de examen. El tamaño pequeño supone una ventaja porque la frecuencia natural de una estructura desciende al añadirle masa. Por tanto, en este caso, se elegiría el transductor más sensible (y por tanto de mayor tamaño) que no produzca una carga de masa significativa. En casos especiales, incluso el transductor más pequeño puede dar como resultado una carga inaceptable. Entonces puede elegirse un aparato que no haga contacto con la superficie de examen. Consideremos otro ejemplo. Supongamos que una especificación requiere que se mida el desplazamiento de la vibración. Es razonable asumir que hay que elegir un transductor de desplazamiento (como el que se describe en el Capítulo 14 de la Referencia 1), ya que (dependiendo del espectro de la frecuencia) éste daría lugar a la relación más alta entre señal y ruido. Por otra parte, en muchos problemas de medida es más conveniente e igualmente satisfactorio seleccionar un acelerómetro con un rango dinámico amplio y emplear un circuito eléctrico que obtenga el desplazamiento mediante la integración doble de la señal de la salida del transductor.

MONTAJE DEL TRANSDUCTOR Existen distintos métodos de montaje de un transductor sobre una superficie de ensayo: (1) atornillar el transductor sobre la superficie de ensayo mediante un taco enroscado, (2) adherir el transductor a la superficie de ensayo, (3) montar el transductor sobre la superficie de ensayo mediante una capa de cera, (4) conectar el transductor a una superficie ferromagnética mediante un imán permanente, (5) montar el transductor sobre un apoyo que, a su vez, está montado sobre la superficie de ensayo y (6) sujetar el transductor sobre la superficie con la mano. La Figura 10.1 ilustra otras técnicas de montaje, y sus características de respuesta en frecuencia aparecen en la Figura 10.2. La Figura 10.3 ilustra dos tipos de apoyos mecánicos. El método de montaje afecta a la frecuencia de resonancia y, por tanto, al rango de frecuencia útil del transductor. Por ello es importante asegurarse de que la respuesta en frecuencia es la adecuada antes de iniciar las medidas. Cada uno de los métodos de montaje previos tiene ventajas y desventajas. La elección adecuada para un problema de medida concreto depende de varios factores, entre los cuales están los siguientes: Efecto del montaje sobre el rango de frecuencias útil del transductor Efecto de la carga de la masa del montaje del transductor sobre la superficie de ensayo Nivel máximo de vibración que puede aguantar el montaje Temperatura máxima de funcionamiento Precisión de medida Posibilidad de repetir las medidas. (¿Puede volver a montarse el transductor en la misma posición exactamente con la misma orientación?)

(e)

(el)

ACELEROMETRO

TACO AISLANTE (e)

(f)

lMA~

ACELEROMETRO

LlGANTE

FIGURA 10.1. Varios métodos de montaje de un transductor sobre una superficie de ensayo. (a) Montaje de taco; el transductor se enrosca directamente sobre la superficie mediante un taco a rosca. (b) Igual que (a), pero con un transductor aislado de la superficie de ensayo mediante un taco fabricado con material aislante y una arandela de mica entre la superficie y el transductor. (e) Montaje con ligante de un transductor; elligante une el transductor directamente a la superficie. (d) Parecido a (e), pero el ligante une la superficie a un taco atornillado al transductor. (e) Transductor montado sobre una superficie mediante un disco o cinta de doble cara. (1) Transductor montado sobre la superficie mediante un imán. (Cortesía de Brüel y Kjaer.)

(b)

(a)

ARANDELA DE MICA

:....

..a

o

5 z

(')

»

::lJ

IJJ

~

);

m

O

~

O

s:: m

om

~ en

Z

(')

;ri

20

20

O

(A) MONTAJE CON TACO

1000

v~

2000

\

500

1000

WRA I

I

In

I

I

I

I

i\.1 ~ 5000 10000

f\

~

20000 50000

20000 50000

\

I

O

10

20

30

O

10

20

30

.c::. 40

ulo ,Ill' o V ,~ j 1.11 ,, ~~ t-;\ ~!

5000 10000

FRECUENCIA. Hz

2000

I

(C) MONTAJE DE ADHESIVO

°r ~Or~EI

500

_1 1111" I I

¡.

00

-

~

~ ~

(B) MONTAJE CON UGANTE

500

1000

2000

I

I

I

I

1

¡

I 111111 I 1 I ----

500

1000

i

I I

--

:,~ ~

\

,

tv-

~ (1

¡

;

1

:

¡

o

20000 50000

1 1

20000 50000

----

,

_L-~

~ "\

5000 10000

L.

I

FRECUENCIA. Hz

2000

- -

5000 10000

11111" 1 I 1_<-

r- (O) MONTAJE MAGNETICO

-

I

fi

o~ 1ft'

~ lA

3~

I~ U

FIGURA 10.2. Curvas de respuestas en frecuencia para el mismo acelerómetro piezoeléctrico montado mediante distintos métodos ilustrados en la Figura 10.1. (a)) Montaje con taco; (b) montaje con ligante; (e) montaje de adhesivo de doble cara; (el) montaje magnético. Los números dentro de los círculos indican las condiciones de montaje descritas en el texto. (Cortesía de Brüel y Kjaer.)

> Z

...J W

o 10

w

CJl

::J
o


'O

ID

30

O

> Z 10

...J W

o

w

;¡!j

::J

~

!g 30

40

....

eo

:xl

e

m r-

o

r-

o

:xl

Z -t

o

(')

-<

~en

e ~

» (')

en

~

O

m

~

om

» r-

e

~

» z

o 00

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.9

FIGURA 10.3. Dos tipos de apoyos de montaje. En este ejemplo, se muestra un transductor del tipo de velocidad; las flechas indican la dirección del movimiento medido.

Estabilidad del montaje a lo largo del tiempo Requisito de que la superficie de ensayo no se dañe con los agujeros de los tornillos Requisito de aislamiento eléctrico del transductor Tiempo requerido para preparar el montaje Tiempo requerido para quitar el montaje Dificultad de limpieza del transductor después de su retirada de la superficie de ensayo Dificultad de limpieza de la superficie de ensayo una vez retirado el transductor Destreza requerida para preparar el montaje Coste del montaje Problemas ambientales (suciedad, polvo, aceite, vapor) Por ejemplo, el «requisito de aislamiento eléctrico del transductor» constituiría una consideración principal en la selección del método de montaje si el aislamiento así obtenido diera como resultado la ruptura del bloque de tierra, como se explica en la siguiente sección.

Montaje del taco. La Figura 10.112 ilustra un típico transductor montado con taco. El transductor se fija a la superficie de ensayo mediante un tornillo de metal. La Figura 10.lb muestra un método de montaje del transductor para aislarlo de la superficie de ensayo. El taco de metal es reemplazado por otro fabricado con un metal aislante y se inserta una arandela de mica entre la superficie y el transductor. Otros fabricantes emplean un taco a rosca aislado con una falange del mismo material; la falange, situada a media longitud del taco, sirve de base para el acelerómetro. Si el montaje mediante tacos es factible, es el mejor por las siguientes razones: 1. Se obtiene la frecuencia de resonancia más alta (hasta 100 kHz) de cualquiera de las técnicas de montaje y, por tanto, el rango de frecuencias de medida más amplio posible (hasta 50 kHz). 2. Permite medir a niveles de vibración muy altos sin que el transductor se separe de la superficie de ensayo.

10.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3. No reduce la máxima temperatura de funcionamiento permisible a que pueden realizarse las medidas. 4. Permite resultados precisos y reproducibles, ya que la posición de medida siempre puede duplicarse. Al preparar un montaje con tacos, la superficie ha de ser agujereada y preparada. Suele usarse una rosca normalizada 10-32. (Véase también International Standards Organization Norma ISO 1101.) La distorsión del transductor montado puede producir tensiones que afectan a su respuesta. Por tanto es importante: (1) asegurarse de que la superficie a examen es muy plana (que puede lograrse mediante esmerilado o pulido; (2) prevenir que el montaje mediante tacos se haga en la carcasa del transductor, lo cual puede dar lugar a tensión, y (3) atornillar el taco en el agujero de la superficie de examen y montar luego el acelerómetro sobre el taco según las recomendaciones del fabricante del transductor. La aplicación de una grasa de silicona (como Dow-Corning DC-4) o un aceite ligero de máquina entre el transductor y la superficie de ensayo suele aportar la mejor respuesta a frecuencias altas, por ejemplo, por encima de 2000 Hz. La Figura 10.2a muestra las curvas de respuesta para un acelerómetro montado con tacos para las siguientes condiciones: (1) ajustado con llave inglesa, que tiene la frecuencia de resonancia más alta; (2) ajustado a mano; (3) montado con una arandela de mica para aportar aislamiento eléctrico entre el transductor y la superficie vibratoria, y (4) montado sobre una arandela de mica más delgada, que da como resultado una frecuencia de resonancia más alta que (3).

Montajes con Iigantes de cianocrilato, dental y EPOXY. Cuando no es posible utilizar un montaje de tacos, el transductor puede unirse a la superficie mediante una fina capa de ligante (por ejemplo, cianoacrilato, dental y EPOXY), como muestra la Figura 10.le. Si la superficie de ensayo no es plana y se utiliza un acelerómetro miniatura, no es difícil montar una capa de cemento dental alrededor del acelerómetro para lograr que esté firmemente anclado. Otro método de montaje es utilizar un taco cementador que se atornilla dentro del transductor; el lado plano del taco se une con elligante a la superficie de ensayo, como muestra la Figura 1O.ld. Esta es una técnica útil cuando se requieren medidas repetidas en el mismo punto. El transductor puede desmontarse para medidas en otros lugares, pero el taco sigue en el mismo sitio. Se logra así la seguridad de que las medidas futuras se realizarán exactamente en el mismo punto. El método de montaje con ligante de un transductor aporta una respuesta en frecuencia excelente, como muestra la Figura lO.2b, para tres condiciones: (1) acelerómetro cementado directamente sobre la superficie de ensayo, (2) acelerómetro cementado con un adhesivo «suave» (no se recomienda) y (3) acelerómetro con un taco que se conecta a la superficie mediante ligan te fuerte. Este tipo de montaje puede usarse con niveles altos de vibración si las superficies se preparan cuidadosamente. Puede aportar o no aislamiento eléctrico; si éste es preciso, la resistencia eléctrica entre el transductor y la superficie de ensayo debe comprobarse. La temperatura máxima a que pueden realizarse las medidas está limitada por las características físicas del cemento empleado, habitualmente unos

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.11

80 oC (176°F). Este tipo de montaje mantiene buena estabilidad a lo largo del tiempo. Los ligantes de metil cianoacrilato, como Eastman Kodak 910MHT 3M, Cyanolite 101 y Permabond 747, se secan mucho más rápidamente que el EPOXY y por tanto se precisa menos tiempo para montar un transductor. Pueden retirarse fácilmente y la superficie puede limpiarse con un disolvente como acetona. Retirar el EPOXY de la superficie de examen y del transductor puede llevar bastante tiempo. De hecho, la unión con EPOXY puede ser tan fuerte que el transductor puede dañarse al intentar retirarlo de la superficie. Cuando está adherido con EPOXY, el acelerómetro puede estar sometido a considerable tensión, lo cual alterará significativamente sus características. Por otra parte, salvo que las superficies sean muy suaves, un EPOXY ofrece una unión superior, ya que rellenará una superficie rugosa mucho mejor que un ligante de cianoacrilato. Con cualquiera de los agentes conectores, las superficies han de estar muy limpias antes de aplicar el cemento. Montaje de cera. La cera de abeja o la cera de base de petróleo puede utilizarse para conectar el transductor con una superficie de ensayo plana. Si la capa conectora es delgada (por ejemplo, no superior a 0,2 mm), es posible obtener una frecuencia de resonancia casi tan alta como la del montaje con tacos, pero si la superficie de examen no es lisa, se precisa una capa de cera más gruesa y se reducirá la frecuencia de resonancia. Si las superficies a unir están muy limpias y libres de vapor, es relativamente fácil montar el transductor, aunque es necesaria cierta práctica. El transductor puede retirarse rápidamente mediante un disolvente tipo nafta. Las desventajas incluyen la posibilidad de que el transductor se despegue a niveles de vibración muy altos, la limitación de temperatura debido al punto relativamente bajo en que se derrite la cera y la baja estabilidad del montaje a largo plazo. Montaje adhesivo. Puede utilizarse una película adhesiva para montar un transductor pequeño sobre una superficie de examen plana y limpia; habitualmente mediante una cinta adhesiva de doble cara. Algunos fabricantes de transductores ofrecen discos adhesivos de doble cara. Esta técnica de montaje, ilustrada en la Figura 1O.le, es rápida y fácil de aplicar. Más aún, este montaje tiene la ventaja de aportar aislamiento eléctrico entre el transductor y la superficie de examen y no requiere practicar agujeros sobre ésta. Es aplicable sobre todo con transductores que no tengan agujero en su base. Estos adhesivos ofrecen una conexión segura sobre un rango limitado de temperaturas. Al preparar un montaje adhesivo, es importante limpiar tanto el acelerómetro como la superficie de ensayo, con el fin de que se adhieran firmemente. Cuando se hace así, la respuesta en frecuencia puede ser bastante buena, como ilustra la Figura 10.2c, pero no tanto como con el montaje de cera. Montaje magnético. En el montaje magnético, ilustrado en la Figura 1O.le, un imán permanente conecta el transductor a la superficie de ensayo, que debe ser ferromagnética, plana, libre de partículas de suciedad y razonablemente suave. El montaje magnético es útil para medir niveles bajos de aceleración. El transductor puede conectarse fácilmente a la superficie y moverse rápidamente de un punto de medida a otro. Por ejemplo, en un sistema de aire acondicionado (descrito en el Ca-

10.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS V CONTROL DEL RUIDO

pítulo 39), puede utilizarse para determinar la localización de medida adecuada en la que montar un transductor permanentemente sobre una gran máquina rotatoria. En una máquina pesada de este tipo, la masa añadida por el imán no es importante, pero en otros casos, esta carga adicional sobre la superficie de ensayo puede hacer inaceptable un montaje magnético. Más aún, si los niveles de aceleración son suficientemente altos, como en el ensayo de impacto, el imán puede soltarse momentáneamente. Esto puede dar como resultado una lectura inadecuada y posiblemente un ligero cambio en la posición del transductor, lo cual también modificará la lectura. La respuesta en frecuencia de este tipo de montaje es buena, como muestra la Figura 10.2d, pero no tanto como el montaje de cera. El imán, proporcionado generalmente por el fabricante del transductor, suele ajustarse a éste mediante: (1) un tornillo protector sobre el imán, que se introduce en la base del transductor, 0(2) un tornillo, uno de cuyos extremos se enrosca en el transductor, y el otro, en el imán. La aplicación de aceite ligero de máquina o grasa de silicona suele mejorar la respuesta en frecuencia por encima de 2000 Hz.

Montaje con apoyo o bloque. En algunos casos las condiciones físicas hacen imposible montar un transductor mediante cualquiera de los métodos anteriores. Entonces puede utilizarse un apoyo o bloque que haya sido especialmente preparado para uso sobre la superficie de ensayo (véase Figura 10.3). En lugar de emplear un acelerómetro triaxial, a veces es más conveniente utilizar tres transductores, con sensibilidades en tres direcciones ortogonales, sobre un bloque único. Cualquiera de estos montajes debe acoplar el transductor sobre la superficie de ensayo de manera que pueda seguir con precisión el movimiento de la superficie a la que está conectado. Esto requiere que la rigidez efectiva del montaje del transductor sea alta, de manera que no deflecte bajo la carga inercial de la masa del transductor. Esto no representa un problema grave en la mayoría de las instalaciones de transductores. Los apoyos de montaje pueden tener frecuencias de resonancia que están por debajo de 2000 Hz y tienen poco amortiguamiento. Bajo tales condiciones, su uso puede dar lugar a errores significativos de medida como resultado de la amplificación resonante o debido a la atenuación de la vibración en el montaje. Esto se ilustra en la Figura 10.4, que muestra la respuesta en frecuencia de un transductor montado sobre apoyos que son idénticos en su geometría, pero que están fabricados con distintos materiales. Nótese que un cambio de material, de acero (A) a plástico fenólico (B), reduce a la mitad la frecuencia de resonancia del montaje. Un cambio en el método de conexión de montaje, de tornillo (B) a nexo adhesivo mediante resina EPOXY (C), aumenta significativamente la frecuencia de resonancia del montaje. Aunque estos resultados no son de naturaleza general, muestran que variaciones menores en el montaje del transductor pueden producir cambios significativos en las características de la salida del transductor. Transductor sujeto con la mano

Un transductor que se sujeta contra la superficie de ensayo manualmente ofrece peor rendimiento que cualquiera de las técnicas descritas anteriormente, pero a veces puede resultar útil para hacer un sondeo rápido de la superficie, ya que la loca-

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.13

<1: 4 r - - - , - - - - , - - - - . - - - - ,

oo ~

5

Ü ~ O <1: ....J

3

PLASTICO FENOLlCO. MONTADO CON TORNILLO ...... _l..:.¡

r-~-~---1f----+'-:I:>"'-----1

L-

WC

>

- .....

<1:

•

l::!Q2 ¡-u zO

w¡¡J z>

o >-

B

1 ~'-~:::::=---+-,.r=:--Ur---7I?--'!"'--1

Ü
:5 Q PLASTICO FENOLICO. l::! fil O CEMENTADO CON EPOXY :!:

O

500

1.000

1.500

2.000

FRECUENCIA. Hz

FIGURA 10.4. Respuesta en frecuencia relativa de un transductor de velocidad montado sobre tres apoyos que tienen idéntica geometría, pero que están fabricados con distintos materiales: (A) apoyo de acero, montado con tornillo; (8) apoyo de tejido reforzado de plástico fenólico, montado con tornillo; y (e) igual que (8) pero conectado mediante resina adhesiva EPOXY.

lización de la medida puede cambiarse más rápidamente que con cualquier método de montaje. Por lo general, una barra (denominada sonda), con rosca en un extremo, se atornilla al transductor; el otro extremo tiene una punta que se presiona contra la superficie de ensayo. La respuesta en frecuencia es muy restringida, aproximadamente de 20 a 1000 Hz. Esta técnica se utiliza cuando no es esencial la precisión en la medición, p. ej., para hallar los puntos nodales sobre una superficie vibratoria.

Carga de masa

El efecto del montaje sobre la precisión de la medida puede estimarse aproximadamente si se asume que la combinación del transductor (con una masa m) y el montaje (con una rigidez k) se comporta como un sistema simple de masa y muelle, conducido hacia el extremo del muelle del sistema. Entonces, la aceleración del transductor viene dada por k k + m(2'Trf)2

x=ü-----;:;

(10.1)

donde ü es la aceleración del elemento que se examina y les la frecuencia de vibración. Si la aceleración de un transductor ha de estar dentro del 10 por 100 de la aceleración del elemento examinado, a partir de la Ecuación (10.1), k ha de tener un valor al menos 10 veces mayor que el término m(2'Trf)2. Dado que la frecuencia natural no amortiguada In del sistema transductor-montaje viene dada por In = (k1m)112/(2'Tr), el valor de la frecuencia natural del sistema debe ser al menos 10 veces la frecuencia de vibración del elemento examinado, especialmente para la medición de transientes.

10.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TECNICAS DE CALlBRACION DE CAMPO Transductores

En el Capítulo 18 de la Referencia 1 se describen varios métodos de calibración de los transductores. De entre ellos, los siguientes son particularmente adecuados para su uso en trabajos de campo.

Método de comparación. Este es un método rápido y cómodo para obtener la sensibilidad de un transductor. Es una de las técnicas de calibración más frecuentemente utilizadas. La calibración se obtiene mediante la comparación directa de la salida generada cuando el transductor está conectado a un excitador de vibración con la salida generada por un transductor normalizado secundario que está conectado al mismo excitador de vibración y que está sujeto precisamente al mismo movimiento. Los dos transductores se montan reverso contra reverso. La calibración mediante este método está limitada a los rangos de frecuencia y amplitud para los que ha sido calibrado el transductor secundario y para los que el excitador de vibración tiene movimiento rectílineo adecuado. Método de calibración de caída libre. El método de calibración gravimétrica de caída libre (a veces denominado prueba de caída) es una forma sencilla y rápida de calibrar los sensores de movimiento y fuerza. Se permite que el transductor a prueba caiga libremente durante un instante de tiempo bajo la influencia de la gravedad; entonces se mide la señal pico para una aceleración de la gravedad con un valor de 1 g. Método del campo de gravitación de la tie"a. La siguiente técnica (a veces denominada calibración por método de inversión) es una variación del calibrador de apoyo inclinado. El eje sensible del transductor se alinea primeramente en vertical, en una dirección del campo gravitacional de la tierra, como muestra la Figura 1O.5a. Entonces se invierte de manera que su eje sensible se alinea en la dirección opuesta, como muestra la Figura 10.5b. Se observa la salida del transductor para un cambio de aceleración de 2 g, como muestra la Figura 10.5c. La aplicación de este método está limitada a acelerómetros con una sensibilidad que desciende hasta OHz; no se recomienda para la calibración de acelerómetros con una sensibilidad transversal significativa. Sistema completo

La calibración de un sistema completo de medida de la vibración suele denominarse calibración global o calibración de extremo a extremo. Es aconsejable realizarla a intervalos periódicos, sobre todo antes y después de una serie amplia de mediciones. En esta calibración, se determinan las características de amplitud, de fase y la linealidad del sistema completo cuando el transductor está sometido a una aceleración, velocidad o desplazamientos conocidos. Cuando esto no es posible, a veces se determinan las características globales mediante la combinación de las características de los componentes individuales del sistema, como se describe a continuación, o

10.15

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

•

•

9

9

CONDICION INICIAL

CONDICION FINAL

(a)

(b)

w ....,

~

:...J

o

I

>

TIEMPO

-1 ,TRANSICION,I, +19 CONDICION CONDICION INICIAL FINAL (e)

FIGURA 10.5. Método del campo gravitacional (prueba de inversión para calibrar un acelerómetro con una sensibilidad útil hasta O Hz). La inversión del acelerómetro, inicialmente alineado en una dirección (a), hacia la dirección opuesta (b) produce un cambio de aceleración de 2 g. En (e) se mide la salida del transductor para este cambio. (Cortesía de Ouixote Measurement Dynamies, Ine.)

mediante el empleo de una salida simulada de transductor [véase «Método de calibración de sustitución del voltaje» a continuación y «Calibración de circuitos auxiliares» (Capítulo 18 de la Referencia 1)]. Puede haber una señal eléctrica significativa en la salida de un sistema de medición, aunque el transductor no aporte ninguna señal a la entrada; estas señales eléctricas se denominan ruido: (1) pueden resultar de un acoplamiento entre circuitos en el sistema de medición y circuitos de potencia, (2) pueden estar generadas por elementos sensibles a la vibración distintos al transductor (como el cable), o (3) pueden ser el resultado de una selección inadecuada de los componentes del sistema o el ajuste inadecuado de uno o más de estos componentes, de manera que no se logra la relación entre señal y ruido que el sistema completo puede conseguir. Si la fuente de ruido es un componente único del sistema de medición, a veces puede localizarse mediante un osciloscopio, que se conecta primeramente a la salida del transductor sin aplicar vibración. Entonces se mueve la conexión del osciloscopio, componente a componente, a través del sistema de medida hasta que se observa ruido. Otro enfoque es hacer cortocircuitos en la vía de la señal en varios puntos del sistema (allí donde se pueda), de uno en uno, hasta que desaparezca el ruido del sistema. Por lo general, así se señala como fuente al componente siguiente más próximo al transductor a partir del último cortocircuito.

10.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Hay que eliminar o controlar las fuentes mecánicas espurias y acústicas de ruido si producen ruido en el sistema de medida. Las resonancias espurias en la respuesta del sistema global pueden resultar de un asentamiento inadecuado del transductor sobre la superficie de ensayo o de resonancias en el montaje del transductor. A menudo resulta útil excitar el sistema de transductor-montaje mediante un soplo y observar luego la salida del transductor; hay que observar las resonancias distintas a la frecuencia de resonancia del transductor. Las otras frecuencias de resonancia que aparezcan pueden deberse a: (1) resonancias en el objeto examinado o (2) resonancias en el montaje del transductor. Los montajes flojos suelen producir señales «ruidosas» y sonidos de zumbido audibles. A menudo es difícil determinar la diferencia entre las resonancias en el montaje y las del objeto que se examina. Si existen dudas serias, hay que repetir la prueba con un montaje distinto o con una localización de medida distinta para el transductor. Si las frecuencias de resonancia son idénticas, probablemente se deben al objeto y el montaje original era seguramente satisfactorio.

Uso de las características de calibración de los componentes de un sistema de medida. Un sistema completo puede calibrarse combinando las características eléctricas medidas en todos los componentes del sistema, de un extremo a otro. Obtener una calibración del sistema de esta manera evita las dificultades de una calibración de campo precisa, pero requiere que cada elemento sea calibrado en el laboratorio con extremo cuidado y que los efectos de las impedancias de la fuente y de la carga sean completamente explicados. Así, la calibración del sistema está sometida a la suma de los errores experimentales introducidos por la calibración de cada elemento, además de cualquier error resultante de la simulación inadecuada o explicativa de los efectos de carga. En general, la calibración de cada elemento se realiza antes de montar el sistema y por ello este método está sometido a errores que resultan de: (1) daños no detectados de los componentes entre calibración y uso y/o (2) conexiones inadecuadas, identificaciones erróneas o confusiones en la polaridad. Método de calibración de sustitución del voltaje. Un transductor simulado adecuado para utilizarlo en las comprobaciones de campo debe duplicar las salidas eléctricas del transductor real para las distintas condiciones de vibración que hay que simular. El transductor simulado tiene que: o (1) reproducir el voltaje eléctrico o las características de generación de corriente del transductor real y tener la misma impedancia de salida o (2) duplicar la cantidad eléctrica generada por el transductor real cuando se conecta a su carga. No satisfacer estas condiciones dará como resultado una carga distinta entre transductores reales y simulados y probablemente producirá errores de calibración. Es importante que el transductor simulado tenga las mismas configuraciones de toma de tierra que el transductor real; en caso contrario, el ruido del circuito eléctrico y el habla cruzada' no estarán representados con precisión cuando se utilice el transductor simulado.

* El habla cruzada es la salida de un canal de medición cuando se aplica una señal a otro canal de me· dición. El habla cruzada se diferencia de otras alteraciones eléctricas porque es una función de la señal aplicada al otro canal de medida y desaparece cuando se retira esta señal.

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.17

La Figura 10.6 muestra ejemplos de circuitos que simulan transductores. Estos introducen una señal eléctrica en el sistema de medida, simulando por tanto la respuesta del transductor real.

CONSIDERACIONES SOBRE LOS CABLES Y LA INSTALACION ELECTRICA El método de transmisión de datos entre el transductor y la instrumentación electrónica que le sigue depende de la complejidad del problema. En general, se utilizan cables en la mayoría de los casos, pero la industria aeroespacial a menudo confía la transmisión de datos a la telemetría. Existen muchos tipos de cables. La elección del más adecuado depende fundamentalmente de la aplicación concreta, el transductor, la longitud del cable, de si el transductor es seguido de un amplificador de voltaje o amplificador de carga y de las condiciones ambientales. Por ejemplo, la funda del cable puede ser de caucho de silicona, con un rango de temperatura útil entre -73 y 260 oC ( -100 a 500°F); de polivinilclorido, con un rango de temperatura útil entre - 54 Y79 oC ( -65 a 175°F), o de teflón fusionado, con un rango de temperatura útil entre -268 y 260 oC (-450 a 500°F). Existen cables especiales que pueden utilizarse a temperaturas mucho más altas. En general, los cables deben ser tan ligeros y flexibles como sea posible, de acuerdo con otros requisitos. El efecto de la capacidad de derivación del cable que sigue al transductor sobre la sensibilidad de éste depende del tipo de amplificador conectado al cable. Si se utiliza un amplificador de voltaje, hay una reducción en la sensibilidad del transductor, dada mediante la Ecuación (7.7). Por otra parte, cuando se utiliza un amplificador de carga, el efecto de la capacidad de derivación del cable en la reducción de la sensibilidad del transductor es insignificante (aunque la recepción de ruido en el circuito de impedancia alta aumenta con la longitud del cable). Dentro del rango de frecuencias auditivas, la inductancia L de la serie y la pérdida de derivación G de los cables cortos de buena calidad son insignificantemente pequeñas en comparación con otrgs parámetros y por tanto pueden ignorarse. La Figura 10.7a muestra la representación equivalente de baja frecuencia de un cable con constantes distribuidas. Para la mayoría de las aplicaciones, la configuración más sencilla de constante agrupada de la Figura 1O.7b es una representación suficientemente precisa. Las cantidades Re Y Ce son la resistencia total de los conductores y la capacidad total entre ellos, respectivamente. Los valores para un cable coaxial típico con un dieléctrico de teflón son Re = 0,01 ohmios/ft (0,03 ohmios/m) y Ce = 29 micro-microfaradios/ft (88 micro-microfaradios/m). La impedancia normal característica de aproximadamente 50 ohmios para este cable no es significativa en la mayoría de los problemas de medición, en que los cables suelen ser relativamente cortos. La impedancia del circuito abierto de entrada del cable es casi exclusivamente capacita ti va. Cuando se ha terminado, adquiere la impedancia de la carga, modificada por las series y los parámetros de derivación.

TIaffiO

~RANSFORM~~b~RTO ~

AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

e

DEL TRANSFOR

fR':

fC

.J" ¡I:~'~T-O-M-A-DO-R- i:= = =f= = =

8J~

OSC.

I ose:1

AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

8.d e

osc.

R,

®

LJ-l~-@

AISLAMIENTO

NOTAS

g~LS~~g~ITO ABIERTO DEL TRANSDUCTOR

c = 2 x CAPACIDAD EQUIVALENTE DEL TRANSDUCTOR

DEL ACELEROMETRO DEL CIRCUITO ABIERTO

e = FIJADO IAGUAL AL VOLTAJE DE SALIDA

R, = 1/2 RESISTENCIA DEL PUENTE LEG. R R, + R, e fijado igual a - - - x VOLTAJE DEL R, g~~IJ~L~~J..ERTO DEL PUENTE

Rl» R2

R,

e fijado igual a R, + R, x VOLTAJE

Rl» R2

R = Resistencia del potenciómetro desde la derivación A hacia B y C conectados conjuntamente e = Voltaje de excitación del potenciómetro x el cambio de resistencia/resistencia total del potenciómetro ESTE CIRCUITO SOLO ES VALIDO PARA VALORES PEQUEÑOS DE CAMBIO DE RESISTENCIA DEL POTENCIOMETRO

FIGURA 10.6. Diagramas eléctricos esquemáticos de algunos tipos frecuentes de transductor y circuitos típicos utilizados para simularlos durante la calibración de campo. Los terminales denominados A y B son las conexiones de los cables de la señal a los que el transductor o el transductor simulado están conectados.

ACELEROMETRO DE TIPO PIEZOELECTRICO

TIPO PUENTE CALIBRADOR DE TENSION

r--:

TIPO AUTOGENERADOR CAPTADOR DE VELOCIDAD

TIPO DE TRANSDUCTOR

TRANSDUCTOR SIMULADO

... ...

Z

o

e e

:D

r

em

r

O

:D

o z -t

n

-<

C/)

~

-t

eC/)

n

l>

C/)

~

e

s:m

em

r

l>

e

s:l>

00

?

10.19

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

R

R

R

(a)

R

R

(b)

FIGURA 10.7. Aproximaciones sucesivas en la representación de una línea de transmisión corta de alta calidad a frecuencias auditivas. (a) Configuración de constante distribuida ignorando la inductancia de la serie y la pérdida de la derivación; (b) configuración de constante agrupada.

En general, los cables deben tratarse con el mismo cuidado que los transductores en los sistemas de medición de impacto y vibración. A continuación se presentan recomendaciones basadas en la Referencia 1; pueden considerarse como directrices de una técnica adecuada en casos prácticos. 1. Se conecta el cable coaxial al transductor haciendo girar el conector dentro de la rosca del transductor (no al revés), con el fin de evitar dañar las puntas. 2. Para evitar que el cable se mueva, se sujeta en un punto cerca del transductor y a intervalos regulares; esto evita el ruido inducido por el cable. 3. La conexión del cable se atornilla hasta el ajuste especificado por el fabricante. 4. En un ambiente de humedad alta, se debe forzar una cierta curvatura del cable cerca del conector para permitir que la condensación se escurra antes de alcanzar el conector. 5. El conector del cable se limpia antes de utilizarlo (con freón, acetona o cloroteno) para retirar la contaminación que resulta de su manejo; la contaminación puede producir una impedancia baja entre la vía de la señal y tierra. 6. Si se observan señales intermitentes, se comprueba la continuidad eléctrica de los conectores del cable y su cobertura. Entonces, se flexiona, sobre todo cerca del conector, y se observa si la señal se ve afectada por ello.

Generación de ruido del cable

Cuando dos sustancias distintas se pegan juntas, sus cargas son opuestas. Este fenómeno se conoce como triboelectricidad, y se ilustra en la Figura 10.8. Así, se puede generar una carga cuando un cable es flexionado, doblado, golpeado, apretado o distorsionado de cualquier manera, porque entonces tiene lugar una fricción entre el dieléctrico y la cubierta exterior o entre el dieléctrico y el centro del conductor2. Se genera una carga a lo largo de la capacidad del cable de manera que aparece un voltaje a través de la terminación del mismo. Otro mecanismo mediante el cual puede inducirse ruido en un cable resulta del cambio en su capacidad cuando es flexionado. Si el transductor produce una carga a lo largo del cable, el cambio de capacidad da como resultado un cambio de voltaje

10.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 10.8. Una sección de cable durante la distorsión, mostrando como la separación de la carga triboeléctrica conduce a la producción de ruido en el cable a través de la resistencia de la terminación. (De acuerdo con T. A. Per/~.)

en la salida del cable, que aparece como ruido a la entrada de un amplificador de voltaje; si se usa un amplificador de carga, no se producirá este cambio. Supongamos que las superficies dieléctricas dentro del cable se cubren de manera que se forme una vía de pérdida eléctrica a lo largo de la superficie dieléctrica. Entonces, si se separa la cobertura del cable de la superficie exterior del dieléctrico, las cargas fluyen a lo largo de la superficie hasta el punto más próximo de contacto entre el dieléctrico y la cobertura; sin esta vía de pérdida, las cargas fluirían hasta la impedancia terminal, donde darían lugar a un aumento de la señal de ruido. Los cables de ruido bajo comercializados contienen este tipo de cobertura. Los cables de este tipo pueden soportar considerables abusos antes de producir ruido. Suelen ser continuamente comprobados por el fabricante en toda su longitud para asegurar que satisfacen las características de ruido bajo. Al ajustar el cable con un conector o al dividirlo, es importante que ningún material conductor forme una vía de pérdida entre los conductores. El tetraclorido de carbono y el xileno son disolventes y agentes de limpieza satisfactorios.

TECNICAS DE SUPRESION DEL RUIDO Bajo ciertas condiciones ambientales y de ruido, pueden producirse señales espurias (ruido) en la instalación eléctrica y cables del sistema de medición. Entonces habrá señales en la terminación del sistema que no estaban presentes en la salida del transductor. El ruido eléctrico puede estar generado por el movimiento de algunas partes de la instalación eléctrica debido a la variación en la resistencia de contacto en los conectores, debido a cambios en la geometría de la instalación eléctrica o debido a voltajes inducidos por el movimiento o los cambios en los campos electrostáticos o magnéticos que puedan estar presentes. En general, este ruido eléctrico se reducirá si el cable se asegura a la estructura a intervalos regulares y si se instalan cierres mecánicos a los conectores y bucles de alivio de la tensión en sus cables. Las precauciones que se toman para evitar las interferencias suelen incluir el uso de blindajes, cables que no sean más largos de lo necesario y la toma de tierra adecuada. Además, el uso de un transductor que contenga un amplificador interno puede aportar ventajas en la supresión del ruido.

Blindajes.

Un cambio en el campo eléctrico o en el campo magnético que rodea a

TECNICAS DE MEDIDA DE LA VIBRACION

10.21

un circuito o cable puede inducir un voltaje dentro de éste y ser así una fuente de ruido eléctrico. Esta interferencia eléctrica puede evitarse rodeando completamente el cable o circuito con una superficie conductora que mantiene el espacio dentro de ella libre de campos externos electrostáticos o magnéticos. Se denomina blindaje a este proceso. La protección contra los cambios en cada tipo de campo es distinta.

Blindajes electrostáticos. Los blindajes electrostáticos aportan una superficie conductora para la terminación de las líneas de flujo electrostático. Trenzados, engranajes y pantallas de buenos conductores eléctricos como cobre o aluminio son buenos blindajes electroacústicos. La mayoría de lo~cables blindados utilizan cobre trenzado como conductor exterior y blindaje electrostático. Un buen blindaje magnético también es un buen blindaje electrostático, pero 10 contrario no es cierto. A veces se utilizan cables de doble blindaje para instalaciones en que la longitud del cable es especialmente larga, donde las impedancias son altas o donde la interferencia del ruido es una objeción seria. En este tipo de cable, se trenza una segunda coraza sobre la cobertura del cable, aislándola eléctricamente de la coraza interior; el trenzado interior aporta protección adicional contra campos electrostáticos que penetren en el primer blindaje. Los blindajes deben estar conectados a tierra sólo en un punto, como se explica en la sección «Bucles de toma de tierra». Blindajes magnéticos. Los blindajes magnéticos son eficaces en parte debido al cortocircuito de las líneas magnéticas de flujo mediante vías de reluctancia baja, y en parte, debido a la compensación que resulta de los campos opuestos establecidos por corrientes parásitas o de Foucault. De forma acorde, están fabricados con materiales altamente permeables como PERMALLOY, son tan gruesos como sea posible y contienen un mínimo de juntas, agujeros, etc. Los campos magnéticos asociados con las líneas de potencia que transportan la corriente, el equipamiento eléctrico y los transformadores de potencia son algunas de las fuentes más problemáticas de interferencia magnética en el montaje de la instrumentación, sobre todo a la frecuencia de la línea de potencia y sus armónicos. Como estos campos se atenúan rápidamente con la distancia de la fuente, la solución más práctica para este tipo de interferencia suele ser mantener los cables de señal tan lejos como sea posible de la fuente de potencia. Bucles de toma de tierra. Se dice que un circuito tiene toma de tierra cuando uno de sus terminales está conectado a «tierra». La toma de tierra elimina la diferencia de potencial entre ese lado del circuito y la tierra y las capacidades dispersas variables que tienden a inducir voltajes en sistemas «flotantes» (sin toma de tierra). Las tuberías del agua constituyen buenas conexiones a tierra debido a su estrecho contacto con ella. Los bucles de toma de tierra se forman cuando una conexión común en un sistema se lleva a tierra en más de un punto, como ilustra la Figura 10.9, donde el blindaje del cable va a tierra por ambos extremos. Como es improbable que las dos tomas de tierra tengan el mismo potencial, su diferencia de potencial, egnd, será la fuente de corrientes que circulan en el bucle de toma de tierra. Entonces, una señal producida por el transductor estará modulada por el potencial egnd, introduciendo por tanto ruido en el sistema de medición. Esta condición puede producirse cuando

10.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO AMPLIFICADOR

ESTRUCTURA CON TOMA DE TIERRA

J \

e GND

-=\ TOMA DE

PUNTOS DE

TIERRA SEPARADOS

FIGURA 10.9. Bucle de toma de tierra en un sistema como resultado de conectar el cable blindado a tierra en dos puntos. Entonces, la señal de entrada está modulada por la diferencia de potencial egndque se desarrolla entre estos dos puntos.

un extremo del cable está conectado por un lado a la salida eléctrica de un transductor cuya carcasa ha sido conectada a tierra y cuando el otro extremo del cable está conectado a un amplificador de voltaje o acondicionador de la señal que también tiene toma de tierra (habitualmente en la carcasa del instrumento). Entonces se forma un bucle de toma de tierra. Hay que evitar esta condición haciendo que el circuito sólo tenga toma de tierra en un punto. Así, el circuito que muestra la Figura 1O.lOa producirá ruido debido al bucle de toma de tierra, pero aislando el transductor como muestra la Figura 1O.lOb, éste se rompe.

(

CABLE BLINDADO CONDUCTOR UNICO

(b)

FIGURA 10.10. (a) Un bucle de toma de tierra formado por el lado «bajo» del transductor y del amplificador, cuando están conectados a sus respectivas cubiertas, que tienen tomas de tierra. (b) El bucle de toma de tierra que se muestra en (a) se rompe mediante el aislamiento de la cobertura del transductor del suelo.

REFERENCIAS 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York, NY 10020, 1988. 2. T. A. Perls,Journal of Applied Physics, vol. 23, n.o 6,1952, p. 674.

Capítulo

11

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA David M. Veager Alan H. Marsh

INTRODUCCION Este capítulo describe los niveles sonoros que suelen utilizarse para cuantificar los sonidos tanto estables como variables en el tiempo. Las diferencias entre los muchos niveles sonoros utilizados para caracterizar las fuentes de ruido son sobre todo el resultado de las diferencias en: (1) los procesos de cálculo del promedio temporal de la señal de presión sonora cuadrática, (2) la duración del intervalo de tiempo de promedio y (3) la ponderación de frecuencia utilizada. El Capítulo 5 comenta las características electroacústicas de los sonómetros. Las técnicas de medición de los niveles sonoros se describen en el Capítulo 9.

NIVEL SONORO CON PONDERACION TEMPORAL EXPONENCIAL Los sonómetros obtienen, en decibelios, un nivel sonoro con ponderación de frecuencia y ponderación exponencial de tiempo. Por convención, estas medidas se conocen como niveles sonoros.

Ponderaciones de frecuencia

Hay dos ponderaciones de frecuencia que se utilizan a menudo, las ponderaciones A y C. Las características eléctricas de estas ponderaciones de frecuencia se describen en el Capítulo 5. La ponderación A es utilizada más habitualmente que la C. Casi todos los sonómetros aportan una ponderación de frecuencia plana o lineal, que es independiente de la frecuencia dentro de las tolerancias especificadas por el fabri11.1

11.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cante, para un rango determinado de frecuencias. Una ponderación «allpass» puede aportar un rango más amplio de respuesta plana. Con una ponderación de frecuencia A y una ponderación de tiempo rápida (fast), el símbolo para el nivel sonoro es L AF; la abreviatura es F AL. Los símbolos y abreviaturas correspondientes al nivel sonoro lento (slow) con ponderación A son LAs YSAL. Con una ponderación de frecuencia C y una ponderación de tiempo rápida (fast), el símbolo para el nivel sonoro es L CF; la abreviatura es FCL. Los símbolos y abreviaturas correspondientes al nivel sonoro lento (slow) con ponderación C son Les YSCL. Si no se especifica ponderación para la frecuencia, hay que asumir un nivel sonoro con ponderación A.

Ponderaciones exponenciales de tiempo

Las dos ponderaciones exponenciales de tiempo normalizadas más ampliamente utilizadas se identifican mediante los nombres de lenta (slow) y rápida (fast). Una medida realizada con un sonómetro con la ponderación temporal lenta (slow) o rápida (fast) se conoce como nivel sonoro lento (slow) o nivel sonoro rápido (fast) , respectivamente. La ponderación temporal lenta (slow) aporta una mayor amortiguación del nivel sonoro que muestra el aparato indicador que la ponderación temporal rápida (fast). La ponderación temporal lenta (slow) hace más fácil la determinación de una aproximación del nivel sonoro promediado en el tiempo de un sonido inestable que la ponderación rápida (fast), ya sea mediante la observación del indicador o mediante el estudio de una representación gráfica de la salida del aparato de medición. Salvo que se especifique de otro modo, se sobreentiende la ponderación temporal rápida (fast); véase párrafo 2.3 de la Referencia 1 y cláusula 801-02-14 de la Referencia 2. Niveles sonoros lentos (slow) y rápidos (fasi)

Un nivel sonoro lento (slow) o rápido (fast)* en decibelios se obtiene tomando el 10garitmo común (de base 10) de la relación entre: (1) la integral de la presión sonora al cuadrado con ponderación de tiempo exponencial y ponderación de frecuencia y

* En principio, un nivel sonoro con ponderación A [símbolo LA o LA,(t)], en decibelios, para cualquier tiempo de observación t, de una señal de presión sonora con ponderación de frecuencia A y para una ponderación exponencial de tiempo e-(t-¡)/, se determina de acuerdo con la expresión (11.1)

donde pi (~) es el cuadrado de la presión sonora instantánea con ponderación de frecuencia A en pascales, ~ es una variable ficticia de integración y p~ es el cuadrado de la presión sonora de referencia de 20 micropascales. La integración temporal de la presión sonora al cuadrado con ponderación de frecuencia se produce desde un momento determinado en el pasado que se inicia en tso hasta el presente tiempo de observación t. El tiempo de observación t, el tiempo de comienzo tso la variable de integración ~ y la constante de tiem-

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.3

(2) el cuadrado de la presión sonora estandarizada de referencia y multiplicando luego el logaritmo por 10. Los valores normalizados de diseño para constantes de tiempo rápidas (fast) y lentas (slow) son 0,125 segundos y 1,00 segundos, respectivamente 1,3. La constante de tiempo Ten la ecuación (11.1) es igual al tiempo requerido para que una cantidad que varía exponencialmente con el tiempo aumente en un factor [1 - (l/e)] o decrezca en un factor l/e, donde e es la base del logaritmo neperiano (e ... 2,71828). El efecto de la ponderación temporal exponencial puede ilustrarse considerando la contribución teórica (en el momento de observación) a la integral en la Ecuación (11.1) de los sonidos ocurridos 1 y 2 segundos antes. Con la ponderación temporal rápida (fast), los sonidos que se produjeron 1 segundo antes del tiempo de observación se ponderan con el factor 3,5 X 10-4 • Por tanto, la presión sonora al cuadrado, ponderada para la frecuencia, 1 segundo antes del tiempo de observación ha de ser mucho mayor que la del momento de observación para contribuir de forma significativa a la medición del nivel sonoro rápido (fast). Con la ponderación temporal lenta (slow), los sonidos que se producen hasta 4 segundos antes del tiempo de medición pueden tener una contribución significativa al nivel sonoro observado. Tanto las ponderaciones temporales exponenciales rápidas (fast) como las lentas (slow) ponen mayor énfasis en los sonidos que se han producido recientemente que en los que ocurrieron anteriormente. Medidas de niveles sonoros lentos (s/ow) y rápidos (fas'"

La elección entre la ponderación temporal exponencial rápida (fast) o lenta (slow) depende de la estabilidad del sonido, de los requisitos de la norma de medición o código de ensayo aplicable y de la intención con que se mide el nivel sonoro. Un nivel sonoro rápido (fast) siempre está más influido por los sonidos recientes y menos influido por los sonidos que se produjeron en el pasado distante que el correspondiente nivel sonoro lento (slow). Para el mismo sonido no estable, el nivel sonoro rápido (fast) máximo suele ser mayor que el correspondiente nivel sonoro lento (slow) máximo. Para apreciar los pasos que, ~nceptualmente, están implicados en la determinación de un nivel sonoro rápido (fast) o lento (slow) consideremos los resultados que muestra la Figura 11.1 para una muestra concreta de 1,65 segundos de sonidos no estables. Como sucede en el cálculo del nivel sonoro mediante la Ecuación (11.1), la variable independiente de los gráficos es el tiempo relativo antes del tiempo de observación en el momento t. La Figura 11.1a muestra la presión sonora instantánea con ponderación A en pascales. po T poseen las mismas unidades, por ejemplo, segundos. Si se selecciona la ponderación de frecuencia e en lugar de A, se reemplaza el subíndice A por e en la Ecuación (11.1). Dividiendo el resultado de la integración en la Ecuación (11.1) entre la constante temporal T se obtie. ne el tiempo medio de integración de la presión sonora al cuadrado con ponderación de frecuencia. El término tiempo medio de integración indica que el nivel sonoro con ponderación de tiempo exponencial que indica un sonómetro convencional se actualiza continuamente en función del tiempo de observación.

11.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

8~

(a)

~
oc:

:1] O1"¡."",~~*, .""'A4' .lrtMft, ... ',1 JI. t ., c:

~& o

~

-1~==~================~======~

0.5 ......

(b)

-ca.. ~

«..

(,J

c:

(ij

:2

~~

gm gg

c: c. :Q e

~ 8

a..

O

..lIJ.. . .

I

¡ , . .¡4·

• '.

" 1'11 kwL__ lot.__~~ ___

1,0:;::==:!=========!=========~======~ (e)

Fast.

t

= 0.125 s

1.-1~====!=============!=============~~========~ 0: :t ~;2o

e

,f N

(d)

05 --g~ «>.g. ~ , '" ' 0 c: 0

LAF (~ = t) 68.3 db

'" es

c. ca ~ E

(ij'o

o~ ~ c: c: c:

o(1) 0.'o-o

~ .~

a..

e

-g-1 o

c. (e)

LAS (~ = t) 66.5 db

-""------.. . ~ ___ . . . ____...u.... w.. __--.JJL ¡.___....

-1.5

-1,0 Tiempo relativo. (t -

-0.5 ~).

1

O

segundos

FIGURA 11.1. Ilustración de la aplicación de la Ecuación (11.1) para calcular los niveles sonoros rápidos (fast) o lentos (slow) con ponderación A, para un sonido no estable al final de un intervalo de 1,65 segundos. (a) Presión sonora instantánea con ponderación A; (b) el cuadrado de la presión sonora instantánea con ponderación A; (e) ponderaciones temporales exponenciales rápida (fast) y lenta (slow) en el momento de observación; (d) y (e) resultado de multiplicar la presión sonora al cuadrado con ponderación A por las ponderaciones temporales exponenciales rápida (fast) y lenta (slow).

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.5

La Figura l1.1b muestra el cuadrado de la presión sonora instantánea. Las magnitudes de los golpes individuales de presión sonora se enfatizan mediante el proceso de elevación al cuadrado. Las ponderaciones temporales exponenciales rápida (fast) y lenta (slow) normalizadas se muestran en la Figura l1.1c, en el momento de observación. A medida que la variable del tiempo de integración ~ aumenta, desde el tiempo de comienzo hasta el tiempo de observación t, la ponderación temporal exponencial e-(t-f)1T aumenta exponencialmente hacia 1. La ponderación temporal rápida (fast) es casi cero a, aproximadamente, 0,7 segundos antes del tiempo de observación y, en cualquier momento, siempre tiene una magnitud más pequeña (o mayor ponderación) que la ponderación temporal lenta (slow). Las Figuras l1.1d y e muestran el resultado de la multiplicación del cuadrado de la presión sonora con ponderación de frecuencia de la Figura l1.1b, mediante la ponderación temporal exponencial de la Figura l1.1c. La muestra de presión sonora con ponderación de frecuencia A que presenta la Figura l1.1a, en el momento de observación, cuando la variable de tiempo de integración ~ es igual al tiempo de observación t, la Figura l1.1d la presenta con la ponderación temporal rápida (fast); sólo las contribuciones de los distintos sonidos que se han producido en los 0,5 segundos previos al tiempo de observación influyen significativamente en el nivel sonoro rápido (fast) de 68,3 dB. Por otra parte, con la ponderación temporal lenta (slow), la Figura l1.1e muestra que las contribuciones de todos los sonidos que se han producido dentro del intervalo de 1,65 segundos dan como resultado un nivel sonoro lento (slow) de 66,5 dB. La Figura 11.2 fue preparada para ilustrar la influencia de la ponderación temporal exponencial sobre la medida de los niveles sonoros promediados en el tiempo de integración. Esta ilustración muestra la historia temporal del sonido emitido por una impresora de matriz de puntos bidireccional que fue programada para emitir un patrón consistente en un punto, al comienzo y final de cada línea, más los caracteres «TESTING ... » impresos en el centro. (En el paso de vuelta, el texto se imprime en el orden inverso como indica «... GNITSET» en la parte inferior de la Figura l1.2a). La Figura l1.2a indica qué parte de la forma de onda de la presión sonora fue producida por las operaciones de impresión. «LF» indica una operación de salto de línea (line feed), durante la cual el papel avanza hasta la siguiente línea. La Figura l1.2b muestra los ni,yeles sonoros con ponderación A rápidos (fast) y lentos (slow) correspondientes a la señal de presión sonora con ponderación A en la Figura l1.2a. Los máximos niveles sonoros lentos (slow), que se produjeron cuando la parte central del patrón de prueba está siendo impresa, son aproximadamente 6 dB más bajos que los correspondientes niveles sonoros máximos rápidos (fast). Por otra parte, en los intervalos entre impresiones de la parte central del patrón de prueba, el nivel sonoro lento (slow) es más alto que el correspondiente nivel sonoro rápido (fast) (hasta en 15 dB), debido a que la constante temporal más larga de la ponderación temporal lenta (slow) previene el rápido descenso del nivel sonoro indicado. Puntas intermedias de presión sonora, asociadas con la impresión de los puntos al principio y al final de cada línea, contribuyen al nivel sonoro rápido (fast), pero no alIento (slow), debido al mayor efecto igualador de la ponderación temporal exponencial lenta (slow).

11.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO (a)

.,

-

TESTING...

... GNITSET

LF

1 80 "T' ~========~====~======~====~ (b)

a..

., -t,'

70

es e

lento

e'o

O'u ~

l!:!

:º~

60

'" e ~ o

a.. ~ 50 O

(.)

40

°

0,5

1,0

1,5

2,0

Tiempo, segundos

FIGURA 11.2. Niveles sonoros rápidos (fast) y lentos (slow) en función del tiempo transcurrido desde la observación inicial del ruido producido por una impresora de puntos bidireccional, durante un intervalo de 2 segundos. (a) Forma de onda de la pre, sión sonora con ponderación A; (b) variaciones en el tiempo de los niveles sonoros rápido (fast) y lento (slow).

NIVEL SONORO IMPULSO La ponderaci6n temporal exponencial impulso difiere significativamente de las ponderaciones rápida (fast) y lenta (slow). Como costumbre, las ponderaciones temporales exponenciales rápida (fast) y lenta (slow) se consideran mediante constantes nominales de tiempo de 125 milisegundos y 1000 milisegundos, respectivamente, de manera que suele aplicarse la misma ponderación nominal a todas las partes de la señal de presión sonora. Por otra parte, la ponderación temporal exponencial impulso posee una constante de 35 milisegundos para sonidos que aumentan con el tiempo y una constante de 1500 milisegundos para sonidos que decrecen con el tiempo4. La constante de tiempo en descenso de 1500 milisegundos permite una determinación visual del nivel sonoro de impulso sobre un indicador analógico de un sonómetro convencional. Las constantes de tiempo en ascenso de 35 milisegundos y en descenso de 1500 milisegundos han sido adoptadas en normas nacionales e internacionales1,3 como valores de diseño para la medición del nivel sonoro impulso. Las mediciones realizadas con la ponderación temporal exponencial impulso requieren una interpretación especialmente cuidadosa, sobre todo para medidas de sonidos repetitivos de corta duración y nivel alto que se producen a intervalos inferiores a 1 segundo5• El símbolo del nivel sonoro con ponderación de frecuencia A y ponderación exponencial de tiempo de impulso es L A1 y la abreviatura es IAL.

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.7

NIVEL SONORO MAXIMO El nivel sonoro máximo es el nivel sonoro más alto con ponderación temporal exponencial, en decibelios, que se produce durante un período de tiempo determinad01,3. Para una forma de onda concreta de presión sonora inestable, el nivel sonoro máximo depende de la ponderación temporal exponencial utilizada [rápida (fast), lenta (slow) o impulso]. Siempre hay que especificar la ponderación temporal exponencial utilizada cuando se publica una medición de nivel sonoro; salvo que se indique lo contrario, se sobreentiende la ponderación rápida (fast) para mediciones de niveles sonoros máximos producidos por un automóvil o camión al pasar. Los valores de los niveles sonoros máximos para ponderación temporal impulso, rápida (fast) y lenta (slow) son 76,5, 73,3 Y66,8 dB, respectivamente, para las señales de presión sonora de 2 segundos de duración de la muestra del ruido de la impresora que muestra la Figura U.2a. El nivel sonoro impulso máximo con ponderación A es mayor que el rápido (fast) máximo con ponderación A, debido sobre todo a que el primero emplea una constante nominal de aumento de tiempo de 35 milisegundos, en tanto que el segundo emplea una constante nominal de tiempo de 125 milisegundos; y algo parecido ocurre con la diferencia entre los niveles sonoros rápido (fast) máximo y lento (slow) máximo. La medición del nivel sonoro máximo requiere una forma de capturar y almacenar el valor máximo; por ejemplo, mediante la característica «retención de máximo» del sonómetro. Un aparato de grabación analógico o digital (p. ej., una tarjeta de registro analógico) puede utilizarse para grabar una aproximación del nivel sonoro variable en el tiempo con ponderación exponencial de tiempo; a partir de éste se puede obtener una indicación del nivel sonoro máximo. Sin embargo, en aparatos distintos a los sonómetros o instrumentos equivalentes, a menudo no hay constante exponencial de tiempo o es probable que no sean iguales a las constantes nominales de tiempo rápida (fast) y lenta (slow), incluso dentro de las tolerancias permitidas por las normas1,3. La letra símbolo para el nivel sonoro rápido (fast) máximo con ponderación A es L AFmax , la del nivel sonoro lento (slow) máximo con ponderación A es L ASmax Y la del nivel sonoro impulso máximo con ponderación A es L A1max•

NIVEL SONORO CONTINUO EQUIVALENTE El nivel de presión sonora continuo equivalente con ponderación de frecuencia para un intervalo de tiempo especificado es el nivel de un ruido estable que corresponde al promedio (integral) en el tiempo de la presión sonora al cuadrado con ponderación de frecuencia producida por fuentes de sonidos estables, fluctuantes, intermitentes, irregulares o impulsivos en el mismo intervalo de tiempo. Habitualmente se utilizan las ponderaciones de frecuencia A para la medición de los niveles de presión sonora continuos equivalentes. Salvo que se especifique lo contrario, se sobreentiende la ponderación A. A menudo, el término «nivel de presión sonora continuo equivalente con ponderación A» se abrevia como nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A,

11.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS V CONTROL DEL RUIDO

nivel sonoro continuo equivalente o nivel sonoro promediado en el tiempo, quedando indicado el intervalo de tiempo por el contexto. El nivel sonoro continuo equivalente en un determinado punto de medición de un sonido que cambia con el tiempo es igual al nivel de un sonido estable equivalente para la misma duración de la medida; es decir, un sonido que tiene la misma energía sonora equivalente en una onda sonora libre progresiva que el sonido variable realmente medido. El nivel sonoro continuo equivalente es una cantidad que se mide directamente con un sonómetro integrador6 . El nivel sonoro continuo equivalente, en decibelios, es 10 veces el logaritmo en base 10 de la relación entre la presión sonora con ponderación A al cuadrado integrada en el tiempo de referencia T y la presión sonora de referencia estandarizada al cuadrado. Así, el nivel sonoro continuo equivalente (símbolo Leq o LAeq,T) durante el intervalo de tiempo especificado T viene dado por

Leq

= 10 IOglO {[ (111)

Lp~

(t)

dt}P~}

(11.2)

donde p~(t) es el cuadrado de la presión sonora instantánea con ponderación A, en pascales, en función del tiempo t, para un intervalo de tiempo T que comienza en t1 y termina en t2 (el tiempo de integración t y el tiempo T están en las mismas unidades); y p~ es el cuadrado de la presión sonora de referencia normalizada de 20 micropascales. La comparación de las Ecuaciones (11.1) y (11.2) muestra la diferencia fundamental entre el nivel sonoro continuo equivalente y el nivel sonoro con ponderación temporal. El nivel sonoro continuo equivalente se basa en una ponderación de tiempo uniforme; es decir, la presión sonora al cuadrado promediada de todos los sonidos que se producen en cualquier momento durante el intervalo de tiempo a que se refiere el nivel sonoro continuo equivalente indicado. El nivel sonoro con ponderación temporal se basa sobre una ponderación exponencial de tiempo, que da lugar a niveles sonoros influidos fundamentalmente por los sonidos que han ocurrido más recientemente. Para la mayoría de las aplicaciones de control técnico del ruido, se prefieren las medidas de los niveles sonoros continuos equivalentes a las de los niveles sonoros con ponderación temporal.

Medidas del nivel sonoro continuo equivalente

Los niveles sonoros continuos equivalentes pueden medirse mediante un sonómetro integrador o mediante un analizador de espectro con dispositivos para indicar el nivel promediado en el tiempo del cuadrado de las señales de presión sonora filtradas. Para la mayoría de los problemas de control de ruido, el intervalo de tiempo para la medición del nivel sonoro continuo equivalente varía entre varios segundos y algunas horas. El intervalo de tiempo mínimo es a menudo 1 segundo para los sonómetros integradores portátiles. Tiempos de pocos milisegundos pueden seleccionarse en algunos tipos especiales de sonómetros integradores y en algunos analiza-

11.9

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

dores de espectro. Para los instrumentos portátiles, el intervalo de tiempo máximo está limitado por la fuente de energía eléctrica, habitualmente de 8 a 24 horas. Al subdividir el intervalo de tiempo en que se desarrollan una serie de operaciones ruidosas repetitivas en una serie de intervalos temporales contiguos más cortos, todos de igual longitud, el sonido producido por la operación completa o ciclo puede describirse mediante el nivel sonoro continuo equivalente determinado para cada uno de los intervalos cortos. Por ejemplo, la Figura 11.3 ilustra una aplicación del uso de tiempos de medida cortos mediante una secuencia de los correspondientes niveles sonoros continuos equivalentes durante los 2 segundos de duración de una medición del ruido producido por un disco duro instalado en un microordenador durante las operaciones típicas de lectura del diskette y escritura en el diskette. La señal de presión sonora se midió en una cámara semiecoica a 1,2 m (47,2 in) por encima del plano reflectante y 0,25 m (9,8 in) de la parte frontal del ordenador, colocado sobre una mesa normalizada de ensayo a 0,75 m (29,5 in) de altura7,8. Las señales de presión sonora con ponderación A que muestra la Figura 11.3 fueron digitalizadas a una tasa de muestreo alta y almacenadas para su posterior análisis. La forma de onda de presión sonora medida que muestra la Figura 11.3a está 25x10~,-----------.-----------.-----------,-----------~

(a)

o

.~

c:!g

c:0'-'« o u.!c e ¡ji:2 o 0 - '-' c:~~

0 . - Q) U):::I'O

-

C'

c:

Q)Q)O

.~

Z

C.

-25~--------~----------~-----------L----------~

60,---------,----------,---------,----------, (b)

c: co

8~ 50 ~«

o c:

C:'O 0'U)

16

,g Qj ._ 'O

O

T = O,1s

U) c: Q)o

ci:c.

0,5

1,0

1,5

2,0

Tiempo, segundos

FIGURA 11.3. Ilustración del uso de los distintos intervalos de tiempo para evaluar los niveles sonoros continuos equivalentes en un intervalo de 2 segundos con varias fuentes de sonidos impulsivos producidos por el disco de un microordenador. (a) Forma de onda de la presión sonora con ponderación A; (b) niveles sonoros continuos equivalentes con ponderación A para intervalos de 0,5 y 0,1 segundos. El nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A se muestra en función del tiempo después del comienzo del análisis de datos.

11.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

compuesta de los sonidos fluctuantes emitidos durante las distintas fases del funcionamiento del disco duro (p. ej., el movimiento de búsqueda de la cabeza magnética del disco), más la banda ancha, sonido estable del ventilador de refrigeración del microordenador. Cada golpe de sonido del disco duró aproximadamente 0,1 segundos. Los niveles sonoros continuos equivalentes se muestran en la Figura 11.3b, para intervalos de tiempo de medida de 0,5 y 0,1 segundos; este último se eligió para permitir que los niveles sonoros continuos equivalentes cuantifiquen el ruido producido por la operación de movimiento de la cabeza magnética sobre los segmentos del disco duro. Los niveles sonoros continuos equivalentes de 0,5 y 0,1 segundos, indicados mediante barras en la Figura 11.3b, fueron determinados a partir de las señales de presión sonora con ponderación A digitalizadas, mediante el procedimiento de la Ecuación (11.2). Tanto el intervalo de tiempo como el tiempo específico en que comienza el promedio afectan a los cálculos de una secuencia de niveles sonoros continuos equivalentes de corta duración. Hay dos condiciones para las que este método de promediación temporal produce resultados consistentes: 1. El sonido es predecible o periódico, de manera que los intervalos de tiempo seleccionados pueden sincronizarse con aumentos o descensos rápidos en la presión sonora. 2. Se elige el intervalo de tiempo para que sea mucho más corto que la duración de los aumentos o descensos rápidos en la presión sonora. En la ilustración de la Figura 11.3, los aumentos y descensos rápidos en la presión sonora, asociados con el ruido del disco, duraron aproximadamente 0,1 segundos. Se obtuvieron resultados consistentes mediante la sincronización descrita en la primera condición. Aunque los tiempos cortos pueden resultar útiles en los estudios del ruido producido por las fuentes de ruido impulsivo de corta duración, niveles de sonido en intervalos de tiempo largos suelen ser suficientes para indicar las tendencias relevantes y evaluar las distintas medidas de control del ruido. Nivel sonoro continuo equivalente impulso con ponderación A

El nivel sonoro continuo equivalente impulso con ponderación A, en decibelios, es el nivel sonoro continuo equivalente de la presión sonora con ponderación temporal exponencial impulso y con ponderación de frecuencia A. Para ordenadores y equipamientos comerciales, se utiliza a veces una medida opcional para cuantificar el carácter impulsivo de los sonidos de corta duración producidos habitualmente por estos aparatos7 ,8. Esta medida especial es la diferencia entre el nivel sonoro continuo equivalente impulso con ponderación A (LAJeq,T) yel correspondiente nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A (L eq ), determinado de acuerdo con la Ecuación (11.2). Esta diferencia se denomina parámetro de impulso en la medida del ruido producido por ordenadores y equipamiento de oficinas7,8. Se considera, de acuerdo con las normas7 ,8, que el sonido de un ordenador o máquina comercial es impulsivo cuando el parámetro de impulso del sonido, en ellu-

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.11

gar del operador o de un observador, es superior a 3 dB, durante un período de medición determinado. Como ejemplo de la aplicación del parámetro de impulso, las señales de presión sonora con ponderación A de la Figura 11.2, tomadas de las medidas del sonido de una impresora de puntos, fueron procesadas con las ponderaciones exponenciales de tiempo impulso normalizadas y luego promediadas para intervalos de 2 segundos, con el fin de obtener el nivel sonoro continuo equivalente de impulso con ponderación A de 2 segundos de 75,2 dB. Las mismas señales de presión sonora con ponderación A fueron también integradas para obtener un nivel sonoro continuo equivalente de 2 segundos de 65,1 dB. La diferencia de 10,1 dB entre estos niveles sonoros continuos equivalentes es mayor que 3 dB; por tanto, el sonido producido al imprimir la muestra de examen se considera impulsivo. NIVEL PICO DE PRESION SONORA

El nivel pico de presión sonora, en decibelios, es 10 veces el logaritmo (de base 10) de la relación entre el cuadrado de la presión sonora instantánea más alta que se produce durante un período determinado y el cuadrado de la presión de referencia de 20 micropascales. 1,3 Cuando se mide el nivel pico de presión sonora hay que usar la anchura de banda más amplia del sistema de medición, con el fin de incluir todos los componentes de frecuencia significativos de una señal de corta duración. Muchos sonómetros (e instrumentos equivalentes) incorporan una «retención de pico» para almacenar las medidas de los niveles pico de presión sonora. Dependiendo de la forma de onda de un sonido de corta duración, el nivel pico de presión sonora puede superar al nivel sonoro máximo rápido (fast) con ponderación A hasta en 20 dB 5 • Dado que las imprecisiones de fase o amplitud del sistema de medición pueden distorsionar la forma de onda de la presión sonora (y por tanto afectar al nivel pico de presión sonora medido), hay que tener la precaución de conservar la amplitud relativa y las características de fase de todos los componentes de frecuencia. En el ejemplo de la Figura 11.2.. el nivel pico de presión sonora de banda ancha es 88,9 dB, durante los 2 segundos de las mediciones; es 15,6 dB más alto que el correspondiente nivel sonoro máximo rápido (fast) con ponderación A de 73,3 dB*. Niveles sonoros promediados en el tiempo'·

Muchos niveles sonoros con ponderación de frecuencia y promedio temporal se usan para cuantificar y evaluar el ruido producido por distintas fuentes sonoras; véase las definiciones de los niveles en el Capítulo 2. La ponderación de frecuencia

*

N. del R.: El registro de los niveles pico no figura en la gráfica. N. del R.: Este apartado se dedica a los índices de ruido basados en el nivel sonoro continuo equivalente. Se ha respetado el encabezamiento original «Time-average sound level», pero se ha preferido

**

11.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

A es la más utilizada para estos niveles sonoros continuos equivalentes. Si se utiliza otra ponderación de frecuencia, debe mencionarse expresamente en el texto del informe de medición y mediante la apropiada modificación de los subíndices en los símbolos y las abreviaturas del nivel sonoro. Los niveles sonoros continuos equivalentes en intervalos de tiempo largos descritos en esta sección son representativos de los que se utilizan más habitualmente en la descripción del ruido en una comunidad. Todos los niveles sonoros descritos son niveles sonoros continuos equivalentes determinados sin ponderación exponencial de tiempo. Las distintas medidas de niveles sonoros continuos equivalentes en intervalos de tiempo largos se diferencian en la duración del intervalo de tiempo y en si hay que añadir una corrección por hora del día a los niveles ocurridos durante la tarde y la noche. Además de informar de la duración del intervalo de tiempo, las medidas de los niveles sonoros deben acompañarse de una descripción de la hora del final del intervalo de medida, el lugar en que se realizaron las mediciones y las fuentes de sonidos incluidos en la medida.

Nivel sonoro continuo equivalente de 1 hora (abreviatura, 1HL)

El nivel sonoro continuo equivalente de 1 hora (símbolo, Llh o LAeq,lh), en decibelios, es un nivel sonoro continuo equivalente determinado de acuerdo con la Ecuación (11.2), para un tiempo de 1 hora (preferentemente, comenzando y terminando a cualquiera de las 24 horas estandarizadas, de medianoche a medianoche, cualquier día). Para su identificación, es preferible utilizar la hora a que termina el nivel sonoro medido para la hora precedente·. El nivel sonoro de 1 hora medido con un sonómetro integrador, o instrumento equivalente, es el promedio temporal del cuadrado de la presión sonora con ponderación A, de acuerdo con la siguiente modificación de la Ecuación (11.2):

Llh

= 10 10glO {[ (1/3600) f:600 p ~ (t) dt }p~ }

(11.3)

donde el tiempo se expresa en segundos y el intervalo de integración se extiende sobre una hora completa (3600 segundos). A modo de ilustración de cálculos sencillos de varios niveles sonoros continuos equivalentes en intervalos de tiempo largos, en la Tabla 11.1 figuran ejemplos representativos de niveles sonoros de 1 hora de acuerdo con la Ecuación (11.3), en una ubicación en área urbana de una gran ciudad. Las principales fuentes sonoras son automóviles y camiones desplazándose por las calles. Los niveles sonoros de 1 hora fueron medidos continuamente durante 10 días sucesivos y, para los ejem-

utilizar el término niveles continuos equivalentes en vez de niveles promediados en el tiempo en el desarrollo de este apartado. * N. del R.: Es preferible indicar la referencia del intervalo de tiempo mediante la hora de inicio y la hora final.

11.13

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

TABLA 11.1. Ejemplos de niveles sonoros continuos equivalentes de 1 hora con ponderación A (L 1h ) y niveles sonoros de intervalos de tiempo largos correspondientes Tiempo al final de la hora,h 01 02 03 04

05 06 07 08 09 10

11 12

La, dB

62,0 59,5 58,5 57,0 55,0 61,0 66,5 70,0 70,0 70,0 69,0 69,0

Tiempo al final de la hora, h

La,dB

69,0 69,0 69,0 69,0 69,0 68,5 68,0 67,5 66,0 66,0 66,0 64,5

13 14

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Nivel sonoro diurno (DL), dB Nivel sonoro vespertino (EL), dB Nivel sonoro nocturno (NL), dB Nivel sonoro de 24 horas (24HL), dB Nivel equivalente de ruido comunitario (CNEL), dB Nivel sonoro corregido día-noche (DNL), dB

68,8 66,6 62,6 67,3 71,1

70,6

plos de cálculo, los niveles sonoros medios de los días laborables se redondearon hasta el 0,5 dB más próximo.

Nivel sonoro continuo equivalente de 8 horas (8HL) El nivel sonoro continuo equivalente de 8 horas (símbolo, L8h o LAeq.8h) se utiliza a menudo como el nivel sonoro en el lugar de trabajo; véase capítulo 12. Si se mide para un intervalo de 8 horas, el nivel sonoro de 8 horas (o nivel sonoro continuo equivalente de 8 horas), en decibelios, se determina de acuerdo con

L Sh = 10 10glO {[ (1128.800)

f;S.soo p~ (t) dt}p~}

(11.4)

donde el tiempo se expresa en segundos y el intervalo de integración se extiende sobre 8 horas consecutivas (28.800 segundos). Debe mencionarse al menos el momento final del intervalo de 8 horas, junto con la descripción del lugar en que se midió el nivel sonoro.

11.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Si hay disponibles ocho niveles de 1 hora sucesivos que cubran el intervalo completo, el nivel sonoro de 8 horas puede calcularse a partir de ellos mediante L Sh

= 10 10glO [(118) ~ l()O,lLlh(i)]

(11.5)

donde Llh(i) es el nivel sonoro continuo equivalente de 1 hora, en decibelios, en una de las i horas.

Nivel sonoro diurno (DL)

El nivel sonoro diurno, en decibelios, es el nivel sonoro continuo equivalente medido para 15 horas diurnas, entre las 7:00 y las 22:00 horas (de 7:00 a.m. a 10:00 p.m.). El nivel sonoro diurno Ld puede medirse directamente, mediante un sonómetro integrador, en intervalos de 15 horas, o puede calcularse a partir de los niveles sonoros de 1 hora de acuerdo con Ld

] = 10 10glO [ (1115) 2200 ~ l()O,lL,h (i)

(11.6)

donde los quince niveles sonoros continuos equivalentes de 1 hora son los medidos durante las horas que acaban entre las 8:00 y las 22:00.

Nivel sonoro vespertino (EL)

El nivel sonoro vespertino, en decibelios, es el nivel sonoro continuo equivalente medido para 3 horas vespertinas (período tarde-noche), entre las 19:00 y las 22:00 horas (de 7:00 p.m. a 10:00 p.m.). El nivel sonoro vespertino Lev puede determinarse a partir de (11.7) donde los tres niveles sonoros continuos equivalentes de 1 hora son los de las tres horas que acaban a las 20:00, 21:00 y 22:00.

Nivel sonoro nocturno (NL)

El nivel sonoro nocturno, en decibelios, es el nivel sonoro continuo equivalente medido para las 9 horas divididas, de acuerdo con el calendario diario de 24 horas, entre las siete que terminan de 1:00 a 7:00 y las dos que terminan a las 23:00 y 24:00

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.15

horas (desde la medianoche hasta las 7:00 a.m. y desde las 10:00 p.m. hasta la medianoche *). El nivel sonoro nocturno Ln puede determinarse a partir de Ln = 10 10glO {(1/9)[! 100,lL1h(i) + 0100

~ 100,lLlh(i)]}

(11.8)

2300

donde los nueve niveles sonoros continuos equivalentes de 1 hora son los correspondientes a las horas prescritas.

Nivel sonoro de 24 horas (24HL)

El nivel sonoro de 24 horas, sin corrección adicional para hora del día a la que se producen los niveles sonoros vespertinos y nocturnos, se utiliza a veces para caracterizar el nivel sonoro en un lugar durante todo el día. Un nivel sonoro de 24 horas, en decibelios, es el nivel sonoro continuo equivalente medido para 24 horas (símbolo, L 24h o L Aeq,24h), desde la medianoche a la medianoche, y puede determinarse a partir del seguimiento continuo de los niveles sonoros horarios, de acuerdo con

L 24 h

= 10 10glO [ 1/24 ~ 100,lLlh(i)]

(11.9)

0100

donde los 24 niveles sonoros continuos equivalentes son los correspondientes a las horas que acaban a la 1:00 y 24:00 horas. De forma alternativa, el nivel sonoro de 24 horas puede determinarse a partir de los niveles sonoros diurno de 15 horas y nocturno de 9 horas, de acuerdo con L 24h

= 10 loglO{(1/24)[(15

X

lOo,IL d) + (9

X lOo,ILn )]J

(11.10)

Nivel equivalente de ruido comunitario (CNEL)

El nivel equivalente de ruido comunitario (o nivel sonoro día-tarde-noche) fue desarrollado en California para evaluar y regular el ruido en las comunidades. El nivel equivalente de ruido comunitario (L den ) es un nivel sonoro continuo equivalente medido con ponderación A para 24 horas, obtenido después de añadir 5 dB a los niveles sonoros vespertinos, de 19:00 a 22:00, y 10 dB a los niveles sonoros nocturnos, desde la medianoche hasta las 7:00 y desde las 22:00 hasta la medianoche. El nivel equivalente de ruido comunitario, en decibelios, puede calcularse a partir del conjunto correspondiente a los niveles sonoros de 1 hora, de acuerdo con

*

N. del R.: Se trata del período 22 h-7 h.

11.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

0700

L den = 10 10glO (1124) ~ lOO•1(L 1h(i) + 10) {

[

+

0100

1900

~ lOO•1(L 1h(i)

+

0800

2200

~

1QO.l(L 1h (i) + 5)

2000

+ 2400 ~ 1QO.1(L1h (i) + 10) ]} (11.11) 2300

De forma alternativa, el nivel de ruido equivalente en la comunidad puede calcularse a partir de los niveles sonoros diurnos de 12 horas, el nivel sonoro vespertino corregido y el nivel sonoro nocturno corregido. Este método alternativo se calcula mediante

L den

=

10 10glO

{(1124)[~

1QO,I(Llh(i)

+ (3

X

1QO.1(L•• + 5»

0800

+ (9

X

1QO.l(L. +

lO»]}

(11.12)

El nivel equivalente de ruido comunitario se determina a menudo para períodos superiores a un día; por ejemplo, mensual, cuatrimestral o anual. Estos niveles a largo plazo pueden calcularse a partir de los niveles diarios, de acuerdo con la siguiente relación que se presenta como ejemplo de nivel equivalente anual de ruido comunitario (YCNEL):

L deny

365

=

1010g10 [ (11365) ~ i -

] 1QO,I(Ldo .(i)

1

(11.13)

donde Lden(i) es el nivel equivalente de ruido comunitario para el día i de 1 año. Para intervalos distintos a 1 año, se aumenta o reduce, según sea apropiado, el número de días incluidos en el sumatorio en la Ecuación (11.13). Nivel sonoro corregido día-noche (DNL)

El nivel sonoro corregido día-noche es un nivel sonoro para 24 horas con la corrección de 10 dB para los niveles sonoros de las nueve horas nocturnas desde la medianoche hasta las 7:00 y desde las 22:00 hasta la medianoche. El nivel sonoro corregido día-noche, L dm en decibelios, puede calcularse a partir del conjunto correspondiente a los 24 niveles sonoros de 1 hora, mediante la expresión 0700

L dn = 10 loglO { (1124) [ ~

0100

1QO,1(L 1h (i) + 10)

+

2200

~

1QO.1(L1h (i)

+

0800 2400

~ 1QO.l(L1.(i) + 10)

2300

(11.14)

11.17

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

De forma alternativa, el nivel sonoro corregido día-noche puede calcularse a partir del correspondiente nivel sonoro diurno y el nivel sonoro nocturno con la ponderación por hora del día. En el método alternativo se calcula mediante L dn

= 10 10gIo {(1I24)[(15

X 100.1Ld )

+ (9

X lOO,I(L" + lO»]]

(11.15)

El nivel sonoro corregido día-noche para intervalos superiores a 24 horas puede calcularse a partir de los niveles sonoros corregidos día-noche diarios Ldn(i); por ejemplo, para el nivel sonoro anual corregido día-noche L dny

L dny

=

365

10 10glO [ (11365) ~

] 100,IL d"(i)

(11.16)

La abreviatura del nivel sonoro anual corregido día-noche es YDNL. Para intervalos de tiempo superiores a un año, se aumenta o reduce, según resulte apropiado, el número de días incluidos en el sumatorio de la Ecuación (11.16).

Ejemplos de cálculo de niveles sonoros con promedio temporal

Supongamos que la tarea es calcular el nivel sonoro diurno, el nivel sonoro vespertino, el nivel sonoro nocturno, el nivel sonoro de 24 horas, el nivel equivalente de ruido comunitario y el nivel sonoro corregido día-noche a partir de los 24 niveles sonoros continuos equivalentes de 1 hora de la Tabla 11.1. Para el nivel sonoro diurno, el procedimiento de la Ecuación (11.6) da

= 10 loglO[(1I15)(107,00 + 107,00 + 107,00 + 106,90 + 106,90 + 106,90 + 106,90 + 106,90 + 106,90 + 106,90 + 106,85 + 106,80 + 106,75 + 106.60 + 106,60)] Ld

= 10 logIO[(1I15)(1,126 X 108 )] = 68,8 dB El nivel sonoro vespertino, determinado de acuerdo con la Ecuación (11.7) es

Lev

=

10 10gIO [(113)(106,75 + 106,60 + 106.60)]

= 10 10gIO [(113)(1,359 X =

107)]

66,6dB

El nivel sonoro nocturno, calculado mediante el procedimiento de la Ecuación (11.8) es

11.18 Ln

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

= 10 10glO [(1/9)(1
+ lOS·95 + lOS·so + lOS·70 + lOS·50 + 106.10 + 106.65 + 106,60 + 106.45 )] 10 10glO [(1/9)(1,645 X 107)] 62,6 dB

En lugar del largo procedimiento de cálculo de la Ecuación (11.9), el cálculo del nivel sonoro de 24 horas puede simplificarse mediante el empleo de los cálculos ya obtenidos del nivel sonoro diurno y nivel sonoro nocturno con la Ecuación (11.10) como

L 24h = 10 10glO {(1/24)[(15

X

106.88)

+ (9 X 106.26)]}

10 10glO {(1/24)(1,302 X 108)J 67,3 dB Al estar disponibles los niveles sonoros vespertinos y nocturnos, el nivel equivalente de ruido comunitario se calcula cómodamente a partir de la Ecuación (11.12) en lugar de (11.11), añadiendo 5 dB al nivel sonoro vespertino de 66,6 dB y 10 dB al nivel sonoro nocturno de 62,6 dB. El cómputo viene dado por

L den = 10 10glO [(1/24)(107.00 + 107.00 + 107.00 + 106.90 + 106.90 + 106.90 + 106.90

+ 106.90 + 106.90 + 106.90 + 106.85 + 106.80 + (3 =10 10glO [(1/24)(3,061

=

X

107.16)

+ (9 X 107,26)]

x 108)]

71,1 dB

El cálculo del nivel sonoro corregido día-noche utiliza la versión simplificada de la Ecuación (11.15), en lugar de la suma de los niveles sonoros de 1 hora de la Ecuación (11.14), con el nivel sonoro diurno de 68,8 dB Y añadiendo 10 dB al nivel sonoro nocturno de 62,6 dB, para obtener Ldn

= 10 10glO {(1/24)[(15 X 106.88 ) =10 10glO {(1/24)(2,776 x 108)J = 70,6dB

+ (9 X 107.26)]J

Los seis niveles sonoros calculados anteriormente se muestran debajo de las columnas de niveles sonoros de 1 hora en la Tabla 11.1.

NIVEL DE EXPOSICION SONORA (SELJ El nivel de exposición sonora es un índice útil para calcular los niveles sonoros que resultan de cualquier combinación de fuentes sonoras.

11.19

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

El nivel de exposición sonora, en decibelios, es 10 veces el logaritmo de base 10 de la relación entre una exposición sonora, en pascales al cuadrado segundo, y la exposición sonora estandarizada de referencia de 20 micropascales al cuadrado segundo (20 fLPa 2.s). Los niveles de exposición sonora pueden medirse con un sonómetro6 integrador para cada suceso acústico por separado que se produce en una determinada posición. El nivel de exposición sonora con ponderación A, L AE , en decibelios, viene dado por (11.17) donde EA es la exposición sonora con ponderación A, en pascales al cuadrado segundo, y Eo = p~to es la exposición sonora de referencia, en pascales al cuadrado segundo, y to el tiempo de referencia de 1 segundo. Véase Ecuación (12.1) en el Capítulo 12 para una descripción matemática de la exposición sonora como integral de tiempo del cuadrado de la presión sonora con ponderación A, sin ponderación temporal. Si se utiliza una ponderación de frecuencia distinta de A, debe indicarse explícitamente; p. ej., mediante el símbolo Ec para la exposición sonora con ponderación C, con LCE como símbolo para el nivel de exposición sonora con ponderación C, abreviado CSEL. En el Capítulo 5 se describen los instrumentos para medir el nivel de exposición sonora.

Relación entre el nivel de exposición sonora y el nivel sonoro continuo equivalente

Cuando el ruido ambiental es el resultado de los sonidos procedentes de uno o más sucesos acústicos identificables (como el sonido del funcionamiento repetido de una máquina, paso de camiones o automóviles, o sobrevuelo de aviones), el nivel sonoro continuo equivalente correspondiente, durante un intervalo de tiempo especificado, puede calcularse fácilmente a partir de los niveles de exposición sonora de los sucesos (o de grupos de sucesos dentro del conjunto). Para un suceso acústico único (p. ej., el funcionamiento de una máquina moldeadora de metal), el nivel sonoro continuo equivalente (L eq o LAeq,T), para el intervalo de tiempo T, se relaciona con el nivel de exposición sonora (L AE) producido por la fuente de sonido mediante la expresión (11.18)

donde todos los tiempos están en segundos. Si una serie n de sucesos acústicos se produce durante el intervalo de tiempo T, el nivel sonoro continuo equivalente correspondiente puede calcularse a partir de los niveles de exposición sonora LAE(i) de cada suceso mediante (11.19)

11.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cuando T = 86.400 segundos o 24 horas, el nivel sonoro de 24 horas, en decibelios, se convierte en

(11.20)

donde el término constante es 10 lag 10 (1186.400) = - 49,4 dB. Para calcular el nivel sonoro corregido día-noche, la Ecuación (11.20) puede modificarse para tener en cuenta la corrección de 10 dB que se añade a los niveles de exposición sonora m que se producen durante las horas nocturnas. La expresión modificada para el nivel sonoro corregido día-noche, con n niveles de exposición sonora produciéndose durante las horas diurnas, viene dada por

(11.21)

Ejemplos de cálculos

Para ilustrar la utilidad de los cálculos del nivel sonoro continuo equivalente a partir de las mediciones o predicciones del nivel de exposición sonora, ha de considerarse un ejemplo en que se desea determinar el nivel sonoro corregido día-noche del ruido del tráfico en un lugar que está a 40 m (130 ft) de la línea central de vehículos en una autopista de varios carriles. Se supone que para un día laborable típico, el carril más próximo es utilizado por un total de 30.000 vehículos de todo tipo y que un 75 por 100 del flujo total de tráfico se produce en horas diurnas y un 25 por 100 en las nocturnas. Se supone también que durante las horas diurnas, los camiones pesados constituyen el 3 por 100 del total, los camiones de tipo medio el 4 por 100 y los automóviles y camiones ligeros el 93 por 100. En horas nocturnas, el tráfico se divide entre el 5 por 100 de camiones pesados, el 7 por 100 de camiones de tipo medio y el 88 por 100 de automóviles y camiones ligeros. Para el ejemplo, se supone que los niveles de exposición sonora a una distancia de 40 m son 82 dB para los camiones pesados típicos, 72 dB para los camiones medios y 69 dB para los automóviles y camiones ligeros. El cálculo del nivel sonoro corregido día-noche puede disponerse de la siguiente manera para la combinación de camiones pesados (HT), camiones medios (MT) y automóviles y camiones ligeros (AL):

NIVELES SONOROS Y SU MEDIDA

11.21

Horas diurnas Vehículos

%

n

HT MT AL

3 4 93

675 900 20.925

675 900 20.925

X 108,2 X 107 •2 X 106 ,9

= 1,07 X 1011 = 1,43 X 1010 = 1,66 X 1011 ¡ =2,87 X 1011

Horas nocturnas (con corrección de 10 dB) Vehículos

%

m

HT MT AL

5 7 88

375 525 6600

mX 375 525 6600

lOO,l[LAEV) + IOJ

X 109 ,2

= 5,94 X 1011 = 8,32 X 1010 = 5,24 X 1011 ¡ =1,20 X 1012

X 108 •2 X 107 ,9

Y, a partir de la Ecuación (11.21), L dn

= 10l0glO (2,87

X

1011 + 1,20

X

1012 )

-

49,4 = 72,3 dB

Situaciones alternativas a la descrita anteriormente pueden evaluarse fácilmente mediante los cambios apropiados en los cálculos. Por ejemplo, se puede considerar una situación futura en que el tráfico diario medio aumenta a 36.000 vehículos, sobre la misma autopista, pero, debido a los avances en la tecnología de control del ruido, acompañados de acciones para su cumplimiento, el nivel medio de exposición sonora de los camiones pesados se reduce de 82 dB a 77 dB. Con la misma división del tráfico entre horas nocturnas y diurnas utilizada en los cálculos anteriores, modificando el número de vehículos por tipo y el nivel medio de exposición sonora de los camiones pesados, se obtiene una predicción para el nivel sonoro corregido día-noche de 71,4 dB, o un nivel sonoro corregido día-noche 0,9 dB inferior, a pesar del aumento del-20 por 100 en el flujo total de tráfico diario.

REFERENCIAS 1. American national standard specification for sound level meters, ANSI S1.4-1983, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1983. 2. Advance edition ofthe intemational e!ectrotechnical vocabulary, capítulo 801, «Acoustics and electroacustics», IEV 50(801):1984, International Electrotechnical Commission, CH1211 Ginebra 20, Suiza, 1984. 3. Sound leve! meters, lEC Standard 651:1979, International Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1979. 4. P. V. Brüel, «Reminiscence from Per Brüel in honor of Fritz Ingerslev», Noise Control Engineering Joumal, vol. 32, n.o 2, marzo-abril 1989, p. 52.

11.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

5. P. V. Brüel, «Do we measure damaging noise correctly?», Noise Control Engineering Joumal, vol. 8, n.o 2, marzo-abril 1977, p. 52-60. 6. Integrating-averaging sound leve! meters, lEC 804:1985, International Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1985. 7. Acoustics - Measurement of airbome emitted by computer and business equipment, ISO 7779:1988, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1988. 8. American national standard methods for the measurement and designation of noise emitted by computer and business equipment, ANSI S12.10-1985, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1985.

Capítulo

12

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO Alan H. Marsh William v. Richings

INTRODUCCION Este capítulo describe los instrumentos y procedimientos para la medida de la exposición sonora y la dosis de ruido, fundamentalmente de cara a la conservación de la audición. Otros capítulos estrechamente relacionados con éste son: Capítulo 5, «Instrumentos de medida acústica»; Capítulo 11, «Niveles sonoros y su medida»; Capítulo 18, «Pérdida auditiva por exposición al ruido»; Capítulo 22, «Programas de conservación de la audición», y Capítulo 26, «Criterios de exposición al ruido y la vibración».

EXPOSICION SONORA La exposición sonora es una cantidadiíndice) que es proporcional a la energía acústica que está presente en un punto durante cierto período de tiempo. Al igual que la energía eléctrica, que se mide en kilovatios/hora y representa el producto de la potencia que se transmite por la duración del tiempo de transmisión, la exposición sonora es equivalente al producto de la potencia acústica incidente sobre un receptor (p. ej., un micrófono o un oído) por la duración del tiempo de exposición. Principio de las medidas de exposición sonora

Matemáticamente, la exposición sonora es la integral en el tiempo del cuadrado de la presión sonora instantánea ponderada para la frecuencia durante un «suceso», por ejemplo, una secuencia de operaciones ruidosas que duran minutos u horas o la duración completa de una jornada laboral. La definición de la exposición sonora es 12.1

12.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

equivalente a la que está internacionalmente normalizada! y es la base para el principio de funcionamiento de un aparato personal de medición de exposición sonora2 • Las medidas de la exposición sonora en el ambiente de trabajo suelen realizarse con la respuesta de frecuencia con ponderación A que está normalizada internacionalmente para los sonómetros3,4. La exposición sonora E con ponderación A viene dada por

E =

f

l2

pl(t) dt

(12.1)

11

donde P'i(t) es el cuadrado de la presión sonora instantánea con ponderación A, en pascales, en función del tiempo t, para un período de integración T, comenzando en t] y acabando en t2. Por lo general, no es necesario conocer o registrar la duración T del período de integración, siempre que sea lo suficientemente largo como para incluir todas las contribuciones significativas a la integral de la Ecuación (12.1) para el «suceso» de interés. La unidad del Sistema Internacional (SI) para la exposición sonora es el pascal al cuadrado segundo. Para medidas de exposición sonora en ambientes laborales, una unidad más conveniente es el pascal al cuadrado hora (Pa2 • h). Una exposición de 1 Paz . h corresponde a un nivel sonoro constante con ponderación A de casi 85 dB (error de de 0,1 dB) durante un período de 8 horas; una exposición sonora de 3,2 Paz. h corresponde exactamente a un nivel sonoro constante con ponderación A de 90 dB durante 8 horas.

CALCULO DE LA EXPOSICION SONORA A PARTIR DE LOS NIVELES SONOROS Y LAS DURACIONES O A PARTIR DE LOS NIVELES DE EXPOSICION SONORA

La exposición sonora en un lugar determinado puede medirse directamente o determinarse a partir del conocimiento de: (1) el nivel sonoro presente en el lugar y la duración del mismo o (2) el nivel de exposición sonora durante la duración de la exposición. Los sonómetros integradores5 pueden utilizarse para medir niveles sonoros continuos equivalentes. Los sonómetros con ponderación temporal exponencial3,4 pueden utilizarse para medir una aproximación de los niveles sonoros continuos equivalentes. Los aparatos de medición que integran el nivel sonoro aportan estimaciones del nivel de exposición sonora para la duración de un suceso, que puede ser tan largo como una jornada laboral. Véase el Capítulo 11 para un comentario sobre niveles sonoros continuos equivalentes con ponderación de frecuencia; niveles sonoros con ponderación temporal exponencial, con ponderación de frecuencia, y niveles de exposición sonora.

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.3

Cálculo de la exposición sonora a partir del nivel sonoro y la duración

El nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A (símbolo Leq o LAeq,T) , en decibelios, en un lugar durante un intervalo de tiempo T, en horas, está relacionado con la exposición sonora total E, en pascales cuadrados hora, que ocurre dentro de este período por medio de la expresión (12.2)

o de forma alternativa mediante Leq =

10 lag 10 [E/(P~T)]

(12.3)

donde Po = 20 micropascales (20 ¡..t.Pa). Para sonidos estables o no estables, los niveles sonoros con ponderación temporal exponencial, convenientemente promediados para los períodos de medida apropiados, pueden utilizarse en la Ecuación (12.2), en lugar del nivel sonoro continuo equivalente, para estimar las exposiciones sonoras. A menos que se indique otra cosa, se sobreentiende la ponderación A.

Relaciones gráficas entre exposición sonora, nivel sonoro continuo equivalente y duración de la exposición

La exposición sonora puede estimarse a partir de los gráficos de las relaciones descritas por la Ecuación (12.2), dados el nivel sonoro continuo equivalente y la correspondiente duración de la exposición. La Figura 12.1 muestra la exposición sonora en función del nivel sonoro continuo equivalente para varias duraciones de la exposición. Por ejemplo, supongamos que el nivel sonoro continuo equivalente es 94 dB Yla duración de la exposición 4 horas. Siguiendo la flecha hacia arriba a partir de 94 dB e interpolando para una duración de la exposición de 4 horas, se obtiene una estimación de 4 pascal es cuadrados hora (pa 2 ·h) para la exposición sonora correspondiente. La Figura 12.2 muestra la exposkión sonora en función de la duración para varios niveles sonoros continuos equivalentes. En la Figura 12.2 se ilustran dos situaciones. Por ejemplo, si el nivel sonoro continuo equivalente es 112 dB para una duración de la exposición de 15 minutos, entonces la exposición sonora es relativamente alta, próxima a 16 Pa2 ·h. El segundo caso muestra que una exposición relativamente larga de 5,5 horas a un nivel sonoro equivalente continuo de 93 dB produce una exposición sonora cercana a 4,4 Pa 2 • h.

Cálculo de la exposición sonora a partir del nivel de exposición sonora

La exposición sonora puede calcularse a partir de un nivel de exposición sonora medido directamente mediante un sonómetro integrador, con la debida consideración de la exposición sonora de referencia y de la unidad de tiempo.

12.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1000 800 600 400 200 100 80 60

i

..

40

Cl.

w·

o

20

"'O

'co:

.,

'¡¡;

10 8 6

a. (/)

4

iii c: o()

'(3

o

w

2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 80

90

100

110

120

130

Nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A LAeq, r dB

FIGURA 12.1. Exposición sonora en función del nivel sonoro, con la duración de la exposición como parámetro. El ejemplo muestra que un nivel sonoro continuo equivalente de 94 dB para un promedio temporal (duración de la exposición) de 4 horas produce una exposición al sonido de aproximadamente 4 Pa 2 ·h.

La exposición sonora E, en pascales cuadrados segundos, puede determinarse a partir de una medida del nivel de exposición sonora LE, en decibelios, mediante (12.4)

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.5

1000r--.--.---rr--'--'~rT.--.~-r-rT>---r.--.-,,~

800 600 400

200

-f N

~

w· o

'O

'co U)

¡¡¡ c:

-o '(3

'¡¡;

8.x

w

100 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0,8 0,6 0,4

0,2 0,1 ~-L--~~~--~-L~~__~__~LL~~__-L-Lf-J 0,01 0,02 0,04 0,1 6810 20 4060 100 80 0,06 Duración de la exposición T, h

FIGURA 12.2. Exposición sonora en función de la duración de la exposición, con el nivel sonoro continuo equivalente como parámetro. Los ejemplos muestran que: (1) una duración de la exposición de 0,25 h (15 minutos) a un nivel sonoro continuo equivalente de 112 dB produce una exposición sonora de aproximadamente 16 Pa 2 ·h y (2) una duración de la exposición de 5,5 horas a un nivel sonoro continuo equivalente de 93 dB produce una exposición sonora de aproximadamente 4,4 Pa 2 ·h. o, en pascales cuadrados hora, a paftir de (12.5) donde Ea es la exposición sonora de referencia de (20 ¡..tPa)2·s. Por ejemplo, un nivel de exposición sonora de 135 dB corresponde a una exposición sonora de aproximadamente 3,5 Pa2 • h. De no especificarse lo contrario, se asume la ponderación A para la exposición sonora y el nivel de exposición sonora.

Exposición sonora total a partir de las exposiciones sonoras componentes

Si el nivel sonoro tiene un valor estable para un período de tiempo TI y luego cambia a otro valor estable para un período de tiempo T2 y así sucesivamente, las ex-

12.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

posiciones sonoras individuales en cada uno de los N períodos de tiempo (El, E 2 , ... , EN) pueden calcularse mediante la aplicación de la Ecuación (12.2) y con la posterior suma sobre los N períodos se obtiene la exposición sonora total Es, de acuerdo con Es = El

+ E 2 + ... + EN

(12.6)

NIVEL SONORO NORMALIZADO DE 8 HORAS; EXPOSICION PERSONAL DIARIA AL RUIDO El nivel sonoro normalizado de 8 horas (símbolo L 8hn o L A8hn ) es el nivel sonoro (con ponderación A) continuo equivalente correspondiente a una exposición sonora durante un período de tiempo de normalización Tn de 8 horas, que es la misma que la exposición sonora real durante el período de tiempo real de duración T. La duración del tiempo real de exposición puede ser mayor o menor que 8 horas. El nivel sonoro normalizado de 8 horas L 8hn viene dado, en decibelios, por (12.7) o alternativamente por (12.8) donde E es la exposición sonora, en pascales al cuadrado hora, que está presente durante el período de tiempo T de integración, en horas, y p~ es el cuadrado de la presión sonora de referencia de 20 micropascales. El nivel sonoro normalizado de 8 horas es idéntico a la dosis diaria de exposición personal LEP,d que viene prescrita en el Artículo 2 de las Directivas del Consejo de Comunidades Europeas6 sobre la protección de los trabajadores frente a los riesgos relacionados con la exposición al ruido laboral.

DOSIS DE RUIDO La dosis de ruido es una medida, prescrita en normativas nacionales o estatales, de la exposición al ruido a que está sometida una persona. A diferencia de la exposición sonora, que es proporcional a la energía acústica presente en un lugar, el concepto de dosis de ruido no tiene interpretación física. La dosis de ruido es una cantidad que se desarrolló para evaluar la exposición al ruido en los centros de trabajo como protección contra la pérdida de la audición (véase «Relación entre exposición al ruido y lesión del mecanismo auditivo» en el Capítulo 26). La dosis de ruido suele expresarse como un porcentaje de la exposición diaria máxima permisible al ruido; es una combinación de un nivel sonoro continuo equivalente estable con ponderación A y la duración de la exposición correspondiente. Dependiendo de cómo se defina en una norma o regla, la medida de la dosis de rui-

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.7

do puede ser equivalente a la medida de una exposición al ruido. Hay que prestar una atención cuidadosa a las definiciones de las cantidades medidas porque la dosis de ruido, definida de diferente manera, ha sido utilizada como sinónimo de exposición sonora. Las medidas de las dosis de ruido implican consideraciones sobre los conceptos de tasa de intercambio, nivel sonoro criterio, umbral del nivel sonoro y exposición diaria máxima permisible al ruido.

Tasas de intercambio

Una tasa de intercambio expresa cuánto tendría que aumentar (o descender) el nivel sonoro para mantener una medida seleccionada de riesgo de pérdida de audición cuando se duplica la duración de la exposición (O se reduce a la mitad). Se usan tasas de intercambio de 3, 4 Y5 dB para cambios en el nivel sonoro correspondiente a la duplicación (o reducción a la mitad) de la duración de la exposición; v. g., las reglas de 3 dB, 4 dB Y5 dB, respectivamente. (Véase Capítulo 26 para un comentario adicional sobre tasas de intercambio.) La relación de la tasa de intercambio puede expresarse como un exponente de la presión sonora que se integra con respecto al tiempo para determinar la exposición sonora o la dosis de ruido. Un exponente de presión sonora de 6/3 = 2 aporta la integración del cuadrado de la presión sonora y corresponde a la tasa de intercambio de 3 dB. De forma parecida, la integración de la presión sonora con un exponente de 6/4 o 6/5 para determinar la dosis de ruido corresponde a las tasas de intercambio de 4 dB Y5 dB, respectivamente. La tasa de intercambio de 3 dB también se conoce como tasa de intercambio de «igual energía», porque la energía acústica equivalente se mantiene cuando el nivel sonoro cambia en 3 dB, Yla duración de la exposición cambia por un factor correspondiente de 2. Nótese que el exponente de la presión sonora en la ecuación (12.1) es 2 (= 6/3) para la tasa de intercambio de 3 dB, Y también que no hay ponderación de tiempo exponencial ni umbral de nivel sont>ro implicados en la determinación de la exposición sonora mediante la integración del cuadrado de la presión sonora de la señal. El nivel sonoro continuo equivalente siempre es una medida de «igual energía» correspondiendo a la tasa de intercambio de 3 dB, nunca a otras tasas de intercambio.

Nivel sonoro criterio

El nivel sonoro criterio es la media normalizada de 8 horas. Es un nivel sonoro con ponderación A que corresponde a la máxima exposición diaria al ruido permitida especificada en una norma o regla. Se utilizan niveles sonoros criterio de 85 dB Y 90dB.

12.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Umbral del nivel sonoro

El umbral del nivel sonoro, en decibelios, es el nivel sonoro con ponderación A especificado por el fabricante de un aparato de medición de la dosis de ruido por debajo del cual el instrumento no produce ninguna indicación significativa. El umbral del nivel sonoro debe estar al menos 5 dB por debajo que el nivel sonoro criterio correspondiente.

ExposiCión al ruido diaria máxima permitida

La máxima exposición diaria al ruido permitida se basa en una exposición sonora máxima (nivel sonoro con ponderación A, tasa de intercambio de 3 dB, sin ponderación exponencial de tiempo) o en una dosis máxima de ruido [basada en un nivel sonoro con ponderación A por encima de un nivel sonoro criterio especificado, tasas de intercambio de 3, 4 o 5 dB; Y con ponderación temporal exponencial lenta (slow), en cumplimiento de los requisitos7 de la Occupational Safety and H ealth Administration (OSHA) de EE.UU.]

Principio de las medidas de la dosis de ruido

De acuerdo con la norma nacional estadounidense ANSI S1.25 para dosímetros personales de ruidos, la dosis de ruido se mide según el principio determinado por la expresión matemática (12.9) donde D

= dosis de ruido como porcentaje de la máxima dosis de ruido diaria per-

Tn

= período de tiempo normalizado (también conocido como criterio de du-

mitida ración) de 8 horas

= duración del período de tiempo medido, horas LA(t) = nivel sonoro con ponderación A, con ponderación exponencial de tiemT

po lenta (slow), dB, para tiempos en que el nivel sonoro es mayor o igual que un umbral de nivel sonoro especificado por el fabricante; cuando el nivel sonoro es inferior a este umbral, la cantidad representada por LA(t) en la Ecuación (12.9) se considera igual a -00 y la contribución a la integral es cero Le = nivel sonoro criterio, dB, especificado por el fabricante para el aparato de medición de la dosis de ruido q= parámetro no dimensional que determina la tasa de intercambio de acuerdo con q = 5/[loglO(2)] para la tasa de intercambio de 5 dB, o q = 4/[loglO(2)] para la tasa de intercambio de 4 dB, o q = 3/[loglO(2)] para la tasa de intercambio de 3 dB

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.9

Las dosis de ruido D es igual al 100 por 100 cuando el nivel sonoro es constante e igual al nivel sonoro criterio para un tiempo de medición igual al período de normalización de 8 horas. Un nivel sonoro con ponderación A que es constante a 90 dB durante 8 horas también corresponde a una dosis de ruido del 100 por 100, si el nivel sonoro criterio con ponderación A es 90 dB. Dosis de ruido a partir de las medidas del nivel sonoro

Si el nivel sonoro con ponderación de frecuencia A y con ponderación temporal exponenciallenta (slow) es constante, o prácticamente constante, en algún valor durante toda una jornada laboral, entonces, de acuerdo con los requisitos7 de la Occupational Safety and Health Administration de EE.UU., la dosis de ruido D, en porcentaje, puede calcularse a partir de la expresión D

=

100 C/T,

(12.10)

donde C es la duración de la exposición al ruido con el nivel sonoro constante con ponderación A, en horas, y T, es la duración de referencia, en horas, permitida para exposición a ruido al nivel sonoro estable. La duración de referencia es un múltiplo del tiempo de normalización T n de 8 horas y está determinada a partir del nivel sonoro con ponderación A y con ponderación exponencial de tiempo lenta (slow) (símbolo LA o L pAS ), para una tasa de intercambio de 5 dB Y un nivel sonoro criterio de 90 dB, de acuerdo con (12.11) Con Tn = 8 horas, la duración de referencia a partir de la Ecuación (12.11) es 1 hora cuando el nivel sonoro estable con ponderación A es 105 dB, 2 horas para 100 dB, 4 horas para 95 dB, 8 horas para 90 dB Y16 horas para 85 dB. Así, si el nivel sonoro en el lugar de trabajo de una persona es esencialmente constante a 95 dB Yel período de tiempo que la persona está expuesta a este nivel es 3 horas durante toda la jornada laboral, la dosis diaria de ruido se obtiene a partir de D = 100(3/4) = 75%. Si el ruido en el lugar de trabajo está compuesto de un total de N períodos distintos en que el nivel sonoro es constante con un valor determinado para cierta duración de la exposición, la dosis total de ruido D experimentada por una persona durante toda la jornada laboral se determina mediante N

D

= 100

~ [C(i)/T,(i)]

(12.12)

i = 1

donde el nivel sonoro estable con ponderación de frecuencia A y ponderación exponencial de tiempo lenta (slow) es constante a lo largo de la duración qi) del período i expresada en horas, para el que la duración de referencia de la exposición correspondiente, en horas, T,(i), se calcula de acuerdo con la Ecuación (12.11). Como aplicación de la Ecuación (12.12), supongamos que una jornada laboral

12.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de 8 horas consiste en 4 períodos con las siguientes duraciones de las cuatro exposiciones y los correspondientes niveles sonoros con ponderación A y duraciones de exposición de referencia:

C(i), h

LA(i),dB

T,(i), h

6,0 1,4 0,5 0,1

92 98 107 115

6,06 2,64 0,76 0,25

Mediante la Ecuación (12.12), la dosis diaria de ruido se halla a partir de D = 100[(6,0/6,06) + (1,4/2,64) + (0,5/0,76) + (0,110,25)] = 258 por 100, aproximadamente. Dado que la dosis total de ruido supera el 100 por 100, deberán emprenderse acciones, por ejemplo mediante la reducción de los niveles de ruido, de los tiempos de exposición, proveer aparatos de protección auditiva o alguna combinación de todos los anteriores.

NIVEL SONORO MEDIO CON PONDERACION TEMPORAL PARA 8 HORAS La normativa de la Occupational Safety and Health Administration de EE.UU? especifica una cantidad similar al nivel sonoro normalizado de 8 horas, denominada nivel sonoro medio con ponderación temporal para 8 horas (abreviado TWA en la normativa). El nivel sonoro medio con ponderación temporal para 8 horas es un nivel sonoro con ponderación A y ponderación de tiempo exponencial lenta (slow), que si fuera constante durante un período de 8 horas de exposición daría como resultado la misma dosis de ruido con tasa de intercambio de 5 dB que la medida. El nivel sonoro con ponderación temporal para 8 horas (TW A), en decibelios, se determina a partir de TWA

= 90 + 10 IOglO (D/100)5/[1OIoglO (2)] = 90 + 16,611oglO (D/100)

(12.13a) (12.13b)

donde D es la dosis total de ruido en porcentaje, medida para cualquier duración de exposición apropiada. La dosis diaria total de ruido, para el cálculo del nivel sonoro medio con ponderación temporal para 8 horas, puede determinarse a partir de la Ecuación (12.10) o (12.12), dadas las medidas de los niveles sonoros con ponderación A y ponderación temporal exponencial lenta (slow) y las duraciones correspondientes de la exposición. Sin embargo, a menudo se logra mayor precisión utilizando un aparato de medición de la dosis de ruido para obtener una medida directa de la dosis total de ruido a que la persona está expuesta en el lugar de trabajo y calcular luego el nivel

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.11

sonoro medio con ponderación temporal para 8 horas mediante la Ecuación (12.13). PRESION SONORA PICO La presión sonora pico es la presión sonora instantánea máxima que se produce durante un período de tiempo determinado. La presión sonora pico debe medirse sin ponderación de frecuencia ni ponderación temporal exponencial y debe incluir todos los componentes de frecuencia dentro de la anchura de banda del sistema de medición del sonido. Muchos sonómetros convencionales e integradores aportan una indicación «pico» con una constante muy corta de elevación temporal (menos de 50 microsegundos o menos de 100 microsegundos, dependiendo del diseño del instrumento y de la clase de precisión) junto con una instalación de almacenamiento que mantiene y muestra el nivel pico de presión sonora. Algunos medidores personales de la exposición sonora incorporan una opción similar para aportar una indicación de que la presión sonora pico previamente establecida ha sido superada durante un período de medición. Como alternativa para medir la presión sonora pico, algunas normativas especifican una cantidad que ha de medirse mediante un sonómetro normalizado. Por ejemplo, la normativa de la Unión Europea6 mantiene que si el nivel sonoro impulso máximo con ponderación de frecuencia A y ponderación temporal exponencial no supera los 130 dB, puede asumirse que la máxima presión sonora instantánea, no ponderada, no supera los 200 pascales. En el Reino Unido, una norma nacional9 establece que si el nivel sonoro con ponderación de frecuencia A y ponderación temporal exponencial rápida (fast) supera los 125 dB, hay que realizar mediciones más precisas del campo sonoro, por ejemplo, mediante un micrófono adecuado, amplificador y osciloscopio calibrado de almacenamiento para capturar y mostrar la forma de onda. Sin embargo, es difícil medir con precisión el verdadero nivel sonoro pico porque la forma de onda de la señal de presión sonora puede estar distorsionada por la frecuencia y la respuesta de fase del micrófono y el sistema de medición asociado. APARATOS DE MEDICION DE EXPOSICION SONORA; APARATOS DE MEDICION DE DOSIS DE RUIDO; DOSIMETROS DE RUIDO Aparatos de medición de exposición sonora

Los aparatos de medición de la exposición sonora estiman la exposición sonora directamente, evitando así la necesidad de los cálculos descritos anteriormente. Si este instrumento está diseñado para que lo lleve una persona, se denomina medidor personal de la exposición sonora. La Figura 12.3 muestra un diagrama de los elementos funcionales de un medidor personal de la exposición sonora. El micrófono suele ser pequeño y viene acompañado de un cable de extensión, de manera que pueda montarse cerca del oído. La

12.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Micrófono

O-

Amplificador y ponderación de frecuencia A

-

Aparato de elevación al cuadrado

-

Integrador de tiempo

-

Indicador de la exposición al ruido

Dispositivo indicador de sobrecarga

FIGURA 12.3. Elementos funcionales de un aparato personal de medición de la exposición sonora.

salida eléctrica del micrófono, correspondiente a la forma de onda de la presión sonora incidente, es amplificada mediante un circuito que incorpora la ponderación de frecuencia A; entonces es elevada al cuadrado e integrada con respecto al tiempo. El indicador de exposición sonora suele estar incorporado dentro del instrumento, aunque puede estar separado de la unidad que lleva la persona. El indicador puede calibrarse directamente en pascales al cuadrado hora o, de forma alternativa, puede mostrar un porcentaje de una exposición sonora especificada por el fabricante. Una característica importante del diseño de un medidor personal de la exposición sonora es el requisito de responder a un amplio rango de niveles de presión sonora para un rango amplio de frecuencias sin un control manual de la sensibilidad. Se incorpora un indicador de sobrecarga que envía un aviso de que una presión sonora de alto nivel dentro del rango de frecuencias del instrumento ha superado el rango de niveles sonoros disponible. Los medidores personales de la exposición sonora suelen utilizarse en ambientes industriales agresivos y, por tanto, se construyen con robustez. Los medidores personales están diseñados para minimizar los efectos sobre su sensibilidad de las variaciones en la temperatura ambiental del aire, humedad atmosférica, golpes mecánicos y vibración, además de la interferencia de campos magnéticos, electrostáticos y electromagnéticos de las frecuencias de radio. A pesar de ello, todos estos últimos campos pueden causar problemas, por ejemplo, cuando se utiliza el medidor personal de la exposición sonora cerca de un transmisor de radio. Los medidores personales de la exposición sonora no tienen controles accesibles al usuario y están razonablemente sellados con el fin de evitar una utilización indebida. Existen versiones seguras de medidores personales de la exposición sonora para utilización en zonas peligrosas, tales como minas o canteras. Dado que el medidor personal de la exposición sonora se suele utilizar durante la jornada laboral, casi siempre funciona mediante una batería, que ha de tener carga para al menos 8 horas de funcionamiento del aparato.

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.13

Aparatos de medición de dosis de ruido; dosímetros de ruido

Un aparato de medici6n de dosis de ruido (también denominado dosímetro de ruido o medidor de la dosis de ruido) es un instrumento que mide el porcentaje de la dosis de ruido diaria máxima permitida por las normas; suele estar diseñado para que la persona lo lleve encima. Los requisitos descritos anteriormente para los medidores de la exposición personal al ruido también se aplican a los dosímetros de ruido, pensados para funcionar en ambientes laborales agresivos. Sin embargo, existen diferencias significativas entre los requisitos del diseño de un medidor personal de la exposición sonora y un dosímetro de ruido, como puede verse comparando los elementos funcionales que muestran las Figuras 12.3 y 12.4. Ambos instrumentos incluyen un micrófono, un amplificador, ponderación de frecuencia A, dispositivo para elevar al cuadrado, integrador de tiempo e indicador. Un medidor personal de la exposición sonora incluye indicador de sobrecarga, mientras el dosímetro de ruido puede incluir un indicador del límite superior. Un dosímetro de ruido tiene que incorporar la ponderación exponencial de tiempo, habitualmente la lenta (slow), y el umbral de nivel sonoro especificado por el fabricante. Los medidores personales de la exposición sonora no poseen ponderación temporal exponencial ni umbral de nivel sonoro. La diferencia más importante entre los dos aparatos es el exponente de la señal de presión sonora que es integrado. A menudo, para un dosímetro de ruido, la función de potencia especificada de la señal de presión sonora aporta una tasa de intercambio de 5 o 4 dB.

Dispositivo indicador del limite superior ,

M~fono Amplificador y

-

ponderación de frecuencia A

-

.

Aparato de elevación al cuadrado

-

Ponderación exponencial ¡del tiempo

Nivel del umbral sonoro

-

1---

Tasa de intercambio

Integrador de tiempo

I

FIGURA 12.4. Elementos funcionales de un dosímetro.

r--

¡-

Indicador de la dosis de ruido

12.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Normas para los instrumentos personales de medición de la dosis de ruido

y de la exposición al sonido La norma nacional estadounidense ANSI S1.258 contiene especificaciones sobre dosímetros. La presión sonora con ponderación de frecuencia A y ponderación temporal lenta (slow) es integrada con una tasa de intercambio de 5 dB, de acuerdo con las normas de EE.UU. de la OSHA y de la Mine Safety and Health Administration (MSHAf,lO (o 3 o 4 dB, dependiendo de la aplicación). Se permite un indicador opcional de retención del límite superior. En los dosímetros de ruido comercializados que cumplen con la norma ANSI S1.25, el indicador de retención del límite superior suele estar fijado para funcionar a un nivel sonoro máximo estable con ponderación A de 115 dB, tal y como permiten las normas OSHA estadounidenses? Además de las especificaciones sobre el rendimiento electroacústico de un instrumento, la norma ANSI S1.25 especifica los límites de los efectos de las variaciones en la presión ambiental del aire, temperatura, vibración y campos magnéticos sobre la sensibilidad del aparato. Sin embargo, las especificaciones sobre funcionamiento contenidas en esta norma se basaron sobre los requisitos para los sonómetros de Tipo 2 y no fueron pensadas para su aplicación a la medición precisa del nivel sonoro de corta duración de los ruidos impulsivos. La cantidad medida, de acuerdo con la norma británicall BS 6402, para un medidor personal de la exposición sonora es la exposición sonora, es decir, la integral de tiempo de la presión sonora con ponderación A, con una tasa de intercambio de 3 dB Y sin ponderación temporal exponencial. Una característica de esta norma británica es el requisito de medir las señales de presión sonora con ponderación A que tengan un nivel sonoro pico de hasta, al menos, 132 dB. Un instrumento que cumpla esta norma ha de elevar al cuadrado e integrar las señales con ponderación A con un factor cresta (relación entre presión sonora pico y presión sonora rms) de, al menos, 7 (equivalente a una diferencia de 17 dB del nivel de presión sonora), en comparación con el factor cresta de tan sólo 3 especificado en la norma lEC 651 3 para los sonómetros de precisión con ponderación temporal exponencial de las Clases 1, 2y 3. El indicador de sobrecarga es obligatorio en la norma británica, para avisar de que el nivel sonoro en el micrófono ha superado el rango de medición del instrumento. Además de los requisitos ambientales, como especifica la norma nacional estadounidense ANSI S1.25, la norma qritánica limita los efectos sobre la sensibilidad del instrumento producidos por las variaciones de humedad y campos electromagnéticos de las frecuencias de radio. La norma internacionallEC2 (borrador de 1990) para medidores personales de la exposición sonora se basa sobre un rango de funcionamiento significativamente mayor que el especificado para el sonómetro integradoii de Tipo 2 y mide la exposición producida por sonidos impulsivos, fluctuantes e intermitentes sobre un rango de niveles sonoros con ponderación A entre, al menos, 80 dB y 130 dB. La cantidad medida es la exposición sonora en pascales al cuadrado hora. Incluye un indicador obligatorio de sobrecarga que cierra el pestillo cuando el nivel sonoro de entrada supera el rango de nivel sonoro del instrumento.

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.15

MEDICION DE LA EXPOSICION SONORA O DOSIS DE RUIDO Instrumentos que lleva la persona

Cuando la exposición al ruido de la persona varía significativamente con el tiempo o cuando la persona se mueve yendo de una zona ruidosa a otra, un método cómodo para determinar la exposición total consiste en que la persona lleve encima un medidor personal de la exposición sonora (o un dosírnetro de ruido) durante toda la jornada laboral. El instrumento de medición puede colocarse en un bolsillo o montarse sobre un cinturón o arnés. Los comentarios de esta sección se aplican por igual a los medidores personales de exposición sonora y a los dosímetros. La localización del micrófono influye significativamente sobre la medición de la exposición sonora en estos aparatos. El micrófono puede montarse sobre el hombro de la persona o pegado al cuello. De forma alternativa, puede resultar cómodo montarlo sobre un sombrero o casco de seguridad. Siempre que sea posible, para cualquier posición, el micrófono debe estar localizado a 100 mm ± 10 mm (4 in X 0,4 in)12 de un oído, y en ningún caso a más de 300 mm (12 in)13, como muestran las posiciones A, B Y C en la Figura 12.5. Habitualmente es necesario un cable de extensión para el micrófono. Si el ruido a que la persona está expuesta llega predominantemente en una dirección, por ejemplo, de una máquina concreta, entonces el micrófono deberá estar

FIGURA 12.5. Localización del micrófono en un aparato personal de medición de la exposición sonora o en un dosímetro: (A) sobre el hombro, (B) pegado al cuello, (e) montado sobre un sombrero o casco de seguridad.

12.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

montado en el lado de la persona más cercano a la fuente de ruido. Debido a la disposición reflectante de la presión sonora, producida por la presencia del cuerpo de la persona, no se recomienda montar el micrófono sobre su pecho o torso. Puede ser necesario vigilar a la persona que lleva el medidor de exposición sonora para evitar un uso inadecuado; por ejemplo, disparar el indicador de sobrecarga mediante golpes o sacudidas deliberadas al micrófono para dar una indicación falsa de la presencia de sonidos impulsivos de alto nivelo dejar el instrumento cerca de la fuente de ruido de alto nivel con el fin de dar una medida incorrecta de la exposición sonora real.

Períodos de tiempo de integración

Con el fin de medir la exposición sonora total diaria, el medidor personal suele funcionar durante la jornada laboral completa. Sin embargo, en algunos casos, las exposiciones sonoras han de medirse a lo largo de períodos más cortos. Si el nivel de ruido es sustancialmente constante a lo largo de la jornada laboral se mide una muestra de exposición sonora de x pascales al cuadrado hora (Pti·h) durante y minutos; la exposición sonora total E, durante una jornada laboral de T horas de duración, viene dada por E

= (x)(y/60)(1)

(12.14)

Por ejemplo, si la exposición sonora es 0,8 Pa2 ·h para un período de 30 minutos, la exposición sonora total a partir del mismo nivel de ruido en una jornada laboral de 7,5 horas se encuentra mediante E = (0,8)(30/60)(7,5) = 3,0 Pa2 ·h. Si la exposición sonora varía notablemente de un día a otro, la exposición sonora diaria media Eav durante N días viene dada por (12.15)

donde El, E 2 , E 3 , oo., EN son las exposiciones sonoras en los días 1, 2, 3, oo., N, respectivamente.

Efectos del cuerpo de la persona sobre la medición de la exposición sonora o la dosis de ruido

De acuerdo con las normas nacionales e internacionales para la minimización de la lesión auditiva producida por la exposición al ruido, la exposición al ruido en ellugar de trabajo está considerada como la que se mediría en ausencia de la persona, con el micrófono colocado en el mismo lugar en que habitualmente estaría la cabeza de la persona. Así, para aprovechar las ventajas de los medidores personales de la exposición sonora en la medición del ruido de los ambientes laborales, es necesario tener en cuenta los efectos del cuerpo de la persona que lleva el aparato. La magnitud en que el cuerpo afecta a la medición de la exposición sonora depende de: (1) el tipo de campo acústico, (2) el ángulo de incidencia del sonido,

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.17

(3) el espectro de frecuencia del sonido, (4) la absorción del sonido por la ropa de la persona y (5) la localización del micrófono sobre la persona. La diferencia entre: (a) la exposición sonora con el micrófono montado sobre una persona y (b) la exposición sonora medida en el campo acústico inalterado, en ausencia de la persona, varía entre -20 y +300 por 100 (correspondiendo a diferencias en el nivel de presión sonora de -1 a +5 db )14,15. Para muchas situaciones, la exposición sonora o dosis de ruido medidas mediante un instrumento montado sobre una persona es mayor que la que se mediría en ausencia de ella. Para un espectro típico de ruido industrial, puede usarse la adaptación de los factores presentados en la Tabla 12.1 para estimar la exposición sonora (o dosis de ruido) en el lugar del micrófono en ausencia de la persona. Se multiplica la exposición sonora (o dosis de ruido) por el factor de ajuste aplicable para obtener una estimación de la exposición sonora (o dosis de ruido) en ausencia de la persona. Para muchas medidas de la exposición sonora industrial, el aumento medio en el nivel sonoro con ponderación A con el micrófono montado sobre el hombro o el cuello está aproximadamente 1 dB por encima de lo que se habría medido en ausencia de la persona. Con el fin de conservar la audición en la industria, donde la persona se mueve de un área ruidosa a otra, y el micrófono está montado sobre el hombro, cuello, sombrero o casco, para obtener una estimación conservadora de la exposición sonora que se mediría en ausencia de la persona se recomienda que la exposición sonora indicada se multiplique por 0,8.

Normas para la medición de la exposición sonora o dosis de ruido

Las normas nacionales e internacionales hacen recomendaciones para la medición directa de la exposición sonora I2 ,13. Las normas internacionales también aportan directrices sobre muestreo y métodos estadísticos que pueden utilizarse para calcular la exposición sonora a partir de los niveles sonoros medidos con instrumentos convencionales e integradores y los tiempos correspondientes de exposición sonora. Las normas nacionales, si están
Factor de ajuste 0,7 0,6 0,5

• Se multiplica la exposición sonora (o dosis de ruido), medida mediante un micrófono montado sobre una persona, por el factor apropiado con el fin de obtener una estima· ción de la exposición sonora correspondiente (o dosis de ruido) que se hubiera medido en ausencia de la persona, durante el mismo perfodo de tiempo en el(los) mismo(s) lu· gar(es).

12.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

NIVELES SONOROS NORMALIZADOS DE 8 HORAS A PARTIR DE LAS MEDIDAS DE EXPOSICION SONORA El nivel sonoro normalizado de 8 horas (símbolo L Shn o L AShn ), en decibelios, puede calcularse a partir de L Shn

= 10 10glO [(E x 109 )/3,2]

(12.16)

donde E es la exposición sonora en pascales al cuadrado hora, o de forma alternativa, a partir de L Shn

= 10 10glO [(E x 105 )/1.152]

(12.17)

donde E es la exposición sonora en pascales al cuadrado segundo. La Ecuación (12.16) puede obtenerse mediante la sustitución de la presión sonora normalizada de referencia de 20 micropascales y el período de tiempo normalizado de 8 horas en la Ecuación (12.8). La Tabla 12.2 muestra los niveles sonoros normalizados de 8 horas y las exposiciones sonoras correspondientes en pascales al cuadrado hora y pascales al cuadrado segundo.

NIVELES SONOROS CONTINUOS EQUIVALENTES A PARTIR DE LAS MEDIDAS DE LA DOSIS DE RUIDO Sólo es posible la conversión de la dosis de ruido al nivel sonoro continuo equivalente cuando la dosis de ruido se mide mediante un instrumento con una tasa de intercambio de 3 dB. No existe una relación única entre la dosis de ruido y el nivel sonoro continuo equivalente para otras tasas de intercambio. El nivel sonoro continuo equivalente (símbolo Leq o LAeq,T), en decibelios, para un tiempo especificado T en horas, se determina a partir de Leq = Le + 10 10glO D/lOO

(12.18)

donde Leq es el nivel sonoro criterio para el dosímetro de ruido y D es la dosis de ruido, medida con la tasa de intercambio de 3 dB, como un porcentaje de la dosis diaria máxima de ruido permitida para una duración especificada de la exposición. La Ecuación (12.18) asume una influencia insignificante de la constante exponencial de tiempo sobre la medida de la dosis de ruido y una contribución también insignificante del sonido por debajo del umbral del nivel sonoro [véase Ecuación (12.9)]. Una vez que se ha determinado el nivel sonoro continuo equivalente, el nivel sonoro normalizado de 8 horas puede calcularse mediante la Ecuación (12.7) para el tiempo especificado.

MEDIDA DE LA EXPOSICION SONORA. SONIDO Y DOSIS DE RUIDO

12.19

TABLA 12.2. Niveles sonoros normalizados de 8 horas con ponderación A, LA8hm Y exposiciones sonoras E correspondientes L A8bn , dB

E,Paz'h

E, Paz·s

75 76 77 78 79 80 81 82 83

0,101 0,127 0,160 0,202 0,254 0,320 0,403 0,507 0,639 0,804 1,01 1,27 1,60 2,02 2,54 3,20 4,03 5,07 6,39 8,04 10,1 12,7 16,0 20,2 25,4 32,0 40,3 50,7 63,9 80,4 101,0

364 458 576 726 913 1.150 1.450 1.820 2.290 2.890 3.640 4.580 5.760 7.260 9.130 11.500 14.500 18.200 22.900 28.900 36.400 45.800 57.600 72.600 91,300 115.000 145.000 182.000 229.000 289.000 364.000

84

85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105

REFERENCIAS 1. Advance edition ofthe international electrotechnical vocabulary, capítulo 801, «Acoustics and electroacoustics», lEY 50(801):1984, lnternational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1984. 2. Personal sound exposure meters, Draft international standard, 29(Central office)162, lnternational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 26 septiembre 1990. 3. Sound level meters, lEC 651:1979, International Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1979. 4. American national standard specificationfor sound level meters, ANSI S1.4-1983, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1983.

12.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

5. Integrating-averaging sound level meters, lEC Standard 804:1985, Intemational Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1985. 6. «Council directive of 12 May 1986 on the protection of workers from the risks related to noise exposure at work», 86/188/EEC, Official Joumal ofthe European Communities, nO L 137/28, 24 mayo 1986. 7. «Occupational noise exposure standard», U.S. Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration, Code of Federal Regulations, Title 29, Part 1910, Seco 1910.95 (29 CFR 1910.95), Federal Register, vol. 48, 28 junio 1983, pp. 29687-29698. 8. American national standard specification for personal noise dosimeters, ANSI Sl.25-1978, Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017-3483, 1978. 9. Prevention od damage to hearing at work, United Kingdom Health and Safety Commission, Her Majesty's Stationery Office, Londres, noviembre 1987. 10. "Noise standard for underground and surface coal mines», U.S. Mine Safety and Health Administration, Code of Federal Regulations, Title 30, Part 70, Subpart F, and Part 71, Subpart 1, Federal Register, vol. 47, 29 junio 1982, pp. 29095-28098. 11. Personal sound exposure meters, BS 6402:1983, British Standards Institution, Londres, 1983. 12. Acoustics - Determination of occupational noise exposure and estimation of noise induced hearing impairement, ISO 1999:1990, Intemational Organization for Standarization, CH1211 Ginebra 20, Suiza, 1990. 13. Acoustics - Guidelines for the measurement and the assessment of exposure to noise in the working environment, Draft intemational standard DIS 9612, Intemational Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 22 marzo 1990. 14. G. F. Kuhn y R. M. Guemsey, «Sound pressure distribution about the human head and torso»,Joumal of Acoustical Society of America, vol. 73, n.O 1, enero 1983, pp. 95-105. 15. G. F. Kuhn, «Comparisons between A-weighted sound pressure levels in the field and those measured on people or manikis», Joumal of Acoustical Society of America, suppl. 1, vol. 79, n.o 1, primavera 1986, p. S2.

Capítulo

13

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA William W. Lang

INTRODUCCION La potencia sonora, para una banda determinada, es la energía sonora irradiada por unidad de tiempo. La unidad de potencia sonora es el vatio; la letra símbolo es W. A menudo, resulta cómodo expresar la potencia sonora de una fuente en escala logarítmica. Entonces se utiliza el nivel de potencia sonora. El nivel de potencia sonora Lw de una fuente, en decibelios, viene dado por dB

(13.1)

donde Wes la potencia de la fuente en vatios y W o es la potencia de referencia en vatios. Suele tomarse 1 picovatio como el valor de la potencia de referencia (10- 12 vatios). Sustituyendo este valor en la Ecuación (13.1) se obtiene

..

Lw = 10 10glO (W/l0- 12 ) = 10 10glO W + 120

dB

(13.2)

La Tabla 1.1 presenta los niveles de potencia sonora para fuentes de sonido típicas. La ventaja de utilizar el nivel de potencia sonora [véase Ecuación (1.5)] en vez del nivel de presión sonora [véase Ecuación (1.8)] al informar del ruido de equipos es que, en la práctica, la potencia sonora irradiada por una pieza de maquinaria es independiente tanto de la localización de ésta como de las condiciones ambientales. El nivel de potencia sonora de una fuente no cambia de valor de una localización física a otra, siempre que la fuente opere de la misma manera. Más aún, el nivel de potencia sonora de una fuente es independiente de su distancia al punto de medida. Por otra parte, el nivel de presión sonora producido por una pieza de equipamiento varía tanto con la distancia entre ésta y el punto de medida como con el ambiente en que esté colocado. 13.1

13.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 13.1. Correcciones para el ruido de fondo

Diferencia entre el nivel de presión sonora medido con la fuente de sonido funcionando y nivel de presión del sonido de fondo a solas, dB

Correcciones que hay que restar del nivel de presión sonora medido con la fuente de sonido funcionando para obtener el nivel de presión sonora debido sólo a la fuente de sonido, dB

<6

Medidas no válidas 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0

6 7

8 9 10 >10

El nivel de potencia sonora se utiliza fundamentalmente como un descriptor del equipamiento estático. Un inconveniente de su uso para jerarquizar fuentes de ruido móviles (como equipos de construcción) es que las medidas pueden no estar relacionadas con las situaciones de funcionamiento real en las cuales el equipo está total o parcialmente en movimiento. Más aún, los niveles de potencia sonora que se determinan de acuerdo con los métodos descritos en este capítulo no se miden directamente, sino que se calculan a partir de la presión sonora cuadrática media para varias localizaciones del micrófono: (1) promediada espacialmente para la superficie adecuada que encierra la fuente en un campo libre o (2) promediada para el volumen de una cámara reverberante en que se realizan las medidas. Tanto el nivel de presión sonora como el de la potencia sonora pueden expresarse en decibelios. Por ejemplo, para un compresor de aire concreto, el nivel sonoro medio con ponderación A es de 87,4 dB(A) re 20 micropascales, a una distancia de 7 m (23 ft); su nivel de potencia sonora con ponderación A es 110,8 dB re 1 picovatio. El nivel de potencia sonora también puede expresarse en belios, donde 1 belio = 10 dB. Así, en este ejemplo, el nivel de potencia sonora es 11,1 belios. Los belios se usan en lugar de los decibelios al expresar el nivel de potencia sonora para reducir las confusiones entre los dos tipos de niveles!. Pocas fuentes son omnidireccionales, es decir, irradian la misma cantidad de energía sonora en todas direcciones. Por otro lado, muchas fuentes son altamente direccionales, irradiando más energía sonora en algunas direcciones que en otras (por ejemplo, véase Figura 1.10). De ahí que la característica direccional, o directividad, sea un descriptor importante de una fuente de sonido. Cuando la fuente irradia en un campo libre (o sea, un ambiente acústico en que no hay superficies límites reflectantes), el interés se centra tanto en su nivel de potencia sonora como en su directividad. Por otra parte, si la misma fuente está en un local cerrado en que hay muchas reflexiones sobre varias superficies, la directividad adquiere menor importancia; esto se debe a que las reflexiones tienden a hacer que el campo sonoro sea más uniforme. En este caso, la información sobre el nivel de potencia sonora es un descriptor suficiente de la fuente de sonido. Los datos sobre el nivel de potencia sonora y la directividad son útiles para:

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

13.3

• • • •

Calcular el nivel de presión sonora a una distancia determinada de la máquina Comparar el ruido irradiado por máquinas del mismo tipo y tamaño Comparar el ruido irradiado por máquinas de distinto tipo y tamaño Determinar si una máquina cumple con un límite superior de emisión de sonido especificado • Determinar la cantidad de reducción de ruido precisa bajo ciertas circunstancias • Desarrollar maquinaria y equipamiento silenciosos Este capítulo describe los métodos para determinar los niveles de potencia sonora de fuentes de ruido: (1) en un campo libre y (2) en una cámara reverberante; cada método requiere medidas de la presión sonora en las proximidades de la fuente. En el capítulo siguiente se comenta otro método para determinar el nivel de potencia sonora a partir de las medidas de la intensidad sonora en las proximidades de la fuente. El método de medida más apropiado depende de: • • • • • • •

La movilidad y localización de la fuente de ruido La naturaleza y configuración del ambiente de ensayo El uso a que se piensan destinar los resultados obtenidos Las características de la fuente de ruido El tiempo y equipamiento disponibles para las medidas La habilidad de la persona que lleva a cabo las medidas La precisión de medida que se requiere

Antes de seleccionar el método de medida y el sistema de instrumentación que se usarán para determinar el nivel de potencia sonora de una fuente, hay que considerar cuidadosamente cada uno de estos factores. MEDIDA DEL NIVEL DE POTENCIA SONORA EN UN CAMPO LIBRE SOBRE UN PLANO REFLECTANTE Procedimiento de medida

..

Supongamos que la fuente de sonido cuyo nivel de potencia sonora hay que medir está localizada en un campo libre sobre un plano reflectante. El nivel de potencia sonora puede determinarse mediante el siguiente procedimiento: Paso 1. Se rodea la fuente con una superficie hipotética de área S (ya sea un hemisferio o un paralelepípedo rectangular). Paso 2. Se calcula el área de esta superficie hipotética. Si es un hemisferio, S viene dada por 21T¡2, donde r es el radio del hemisferio; si es un paralelepípedo rectangular, S viene dada por ab + 2 (ac + bc), donde a, b y c son su longitud, anchura y altura. Paso 3. Se mide el nivel de presión sonora en puntos determinados sobre la superficie hipotética.

13.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Paso 4. Se obtiene la media Lp de los niveles de presión sonora medidos en el Paso 3. Paso 5. Por último, se calcula el nivel de potencia sonora a partir de la siguiente ecuación: dB

(13.3)

donde So es el área de referencia, 1m2• Este método para determinar el nivel de potencia sonora sólo puede usarse si: (1) las medidas se realizan sobre un plano reflectante extendido, (2) las dimensiones de la máquina no son excesivas (véase «Normas de medida», a continuación) y (3) el nivel de ruido de fondo en el lugar de ensayo no es excesivo, es decir, el nivel de presión sonora del ruido de fondo aislado está más de 6 dB por debajo del de la fuente sin ruido de fondo.

Normas de medida

El procedimiento anterior subraya los pasos básicos para calcular el nivel de potencia sonora de una fuente de ruido a partir de los valores del nivel de presión sonora medidos en sus proximidades. Se incluyen más detalles en las normas internacionales ISO 37442 e ISO 37453, que describen la medida de los niveles de potencia sonora para una fuente en campo libre sobre un plano reflectante. A continuación se comentan aspectos adicionales de las medidas, numerados para que se correspondan con los pasos del procedimiento anterior: 1. Para fuentes pequeñas [aquellas cuya dimensión mayor es significativamente inferior a 1 m (3 ft)] suele ser más cómodo emplear un hemisferio como superficie hipotética de medida. Para fuentes rectangulares grandes, suele preferirse la superficie rectangular paralelepípeda. 2. El radio del hemisferio hipotético ha de ser igualo mayor que el doble de la mayor dimensión de la fuente y no inferior a 1 m. Para el rectángulo paralelepípedo, la distancia de medida d, perpendicular entre la fuente y la superficie de medida, tiene un valor preferente de 1 m. 3. La Figura 13.1 muestra los puntos designados para las localizaciones del micrófono sobre el hemisferio. En la Figura 13.2 se muestran los puntos correspondientes para el paralelepípedo rectangular. Los puntos designados están asociados con áreas iguales sobre las superficies del hemisferio y del paralelepípedo. Los niveles de presión sonora en los puntos se miden con ponderación A, o en bandas de octava o tercio de octava, con el aparato indicador ajustado para la característica de ponderación temporal lenta S (slow). 4. El nivel de presión sonora media sobre la superficie medida se calcula a partir de los niveles de presión sonora medidos L p ¡, después de aplicar las correc-

13.5

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

. z ,

Paralelepípedo de referencia

---..x

FIGURA 13.1. Disposición de las posiciones del micrófono sobre una superficie hemisférica imaginaria que rodea la fuente cuyo nivel de potencia sonora se va a medir de acuerdo con la norma ISO 3744.

ciones para ruido de fondo (si es necesario) de acuerdo con la tabla 13.1, mediante la siguiente ecuación: dB donde Lp

(13.4)

= nivel de presión sonora promediado para la superficie de medida, dB;

el nivel de presión sonora de referencia es 20 micropascales nivel de presión sonora con ponderación A o de banda resultado de las i medidas en los puntos designados, dB N = número total de medidas

Lpj

=

5. El nivel de potencia sonora puede calcularse a partir de la Ecuación (13.3) como un nivel con ponderación A, de banda de octava, o de tercio de octava. El Índice de directividad DI, en decil;elios, de la fuente puede calcularse a partir de las medidas en campo libre sobre un plano reflectante, mediante la siguiente ecuación DI

= Lpi - Lp

+ 3 dB

(13.5)

donde Lpi es el nivel de presión sonora medido en la dirección perpendicular en que se desea el DI a una distancia de la fuente, y Lp es el nivel medio de presión sonora sobre el hemisferio de examen de radio r.

13.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Paralelepípedo de referencia

y

o Posiciones del micrófono • Posiciones adicionales del micrófono

FIGURA 13.2. Disposición de las posiciones del micrófono sobre la superficie de un paralelepípedo imaginario que rodea la fuente cuyo nivel de potencia sonora se va a medir de acuerdo con la norma ISO 3744.

MEDIDA DEL NIVEL DE POTENCIA SONORA EN UN CAMPO LIBRE Procedimiento de medida

La fuente de sonido cuyo nivel de potencia sonora hay que medir está localizada en un campo completamente libre. El nivel de potencia sonora puede determinarse mediante el siguiente procedimiento: Paso 1. Se rodea la fuente con una esfera hipotética de radio r, con la fuente colocada en el centro de la esfera. Paso 2. El área de la esfera hipotética es S = 4~. Paso 3. Se mide el nivel de presión sonora en puntos determinados sobre la esfera hipotética, con ponderación A, o en octavas o tercios de octavas. Paso 4. Se obtiene la media de los niveles de presión sonora L p , hallando el promedio de las medidas en el Paso 3, usando la Ecuación (13.4). Paso 5. Por último, se calcula el nivel de potencia sonora a partir de la siguiente ecuación: dB

Lp + 20 10gIOr + 11 dB donde todas las dimensiones se expresan en unidades SI. =

(13.6)

13.7

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

Normas de medida

Las medidas de potencia sonora en campo libre suelen llevarse a cabo en una cámara anecoica. Las superficies de estas cámaras absorben prácticamente toda la energía sonora incidente para el rango de frecuencia de interés, por lo que aportan condiciones de campo libre a la superficie de medida. La Referencia 3 incluye información detallada sobre los requisitos acústicos para las medidas en cámaras anecoicas de laboratorio, incluyendo los siguientes puntos relevantes: 1. La superficie hipotética de medida tiene forma esférica (la superficie rectangular no suele utilizarse para medidas en campo libre). El radio de la esfera de ensayo es igualo mayor que el doble de la dimensión mayor de la fuente, pero no inferior a 1 m (3 ft). Para las medidas de fuentes grandes, es necesaria una cámara anecoica muy grande. 2. Se calcula el área de la superficie hipotética (S = 4'TT?). 3. En la Figura 13.3 se representan los puntos designados sobre la superficie esférica para la localización de las posiciones del micrófono. Los lugares de los 20 puntos en la Figura 13.3 están asociados con áreas iguales sobre la superficie de la esfera de radio r. La Tabla 13.2 presenta las coordenadas cartesianas (x, y, z) de los 20 puntos, con el origen en el centro de la fuente. Se mide el nivel de presión sonora en los puntos designados. 4. Se calcula el nivel medio de presión sonora Lp sobre la superficie de medida a partir de los niveles de presión sonora tomados, mediante la ecuación (13.4). 5. Lw viene dado por la Ecuación (13.6).

MEDIDA DEL NIVEL DE POTENCIA SONORA EN UNA CAMARA REVERBERANTE Si una fuente irradia sonido en una habitación cuyos límites son muy reflectantes, de acuerdo con la Ecuación (4.7), el nivel de presión sonora del sonido reflejado viene dado por

Lp = Lw - 10 10glO A

+ 6,0

dB

(13.7)

donde Lw es el nivel de potencia sonora de la fuente y A es la absorción total en la habitación en sabinos métricos. Como se indicó en el comentario de la Ecuación (4.7), esta relación es válida cuando prevalecen las condiciones difusas, como ocurre en una cámara reverberante de laboratorio.

Método de medida directa

De acuerdo con la ecuación (13.7), el nivel de potencia sonora Lw del equipo sobre el que se realiza el ensayo puede medirse directamente si se conoce la absorción total del sonido en la cámara reverberante. La absorción del sonido A está re lacio-

13.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Distancia horizontal desde la línea central del conjunto de posiciones del micrófono Elevación de las posiciones del micrófono

0.66r

...

o

... III ....

ci

...

III

ot

ci é--

.. ...... III

o

ci

,

.

~

r-- r--~ t - - -

... III ot

Altura de las áreas correspon dientes de la esfera

.J

0.99r

L

/ L

~

L

I ..

z

1 "':"10 I

¡

8

1

-------

III ~

6,

\

1\

1--- -

11

-

14 15

,

1?,19

-

18/

I 1,20

~

/

i 0.99r

.

'"ci

2-3

,

I ¡ ..............

...

'"ci

r---+-- ------- .. '"

\ 16

~

...

'"ci \

! ,I

ci

~

~

---7-9~

!

12-13

.

~

ci

, 4- 5

ci

0.89r

J

¡

/

ci

.. .. '" '"ci

ci

...

~

0.66r

ci 0.89r

FIGURA 13.3. Disposición de las posiciones del micrófono sobre una superficie esférica imaginaria que rodea la fuente de acuerdo con ISO 3745.

nada con el tiempo de reverberación Too en segundos, el área total de la superficie de la cámara en metros cuadrados y su volumen Ven metros cúbicos. B es la presión

13.9

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

TABLA 13.2. Disposición de las posiciones del micrófono en un campo libre de acuerdo con la norma ISO 3745 La tabla da las coordenadas cartesianas (x, y, z) con origen en el centro de la fuente. El eje z se elige perpendicularmente hacia arriba desde el plano horizontal (z = O)

N.o

xlr

ylr

zlr

1 2 3 4 5 6 7 8 9

-0,99 0,50 0,50 -0,45 -0,45 0,89 0,33 -0,66 0,33 O 0,99 -0,50 -0,50 0,45 0,45 -0,89 -0,33 0,66 -0,33 O

O -0,86 0,86 0,77 -0,77 O 0,57 O -0,57 O O 0,86 -0,86 -0,77 0,77 O -0,57 O 0,57 O

0,15 0,15 0,15 0,45 0,45 0,45 0,75 0,75 0,75 1,0 -0,15 -0,15 -0,15 -0,45 -0,45 -0,45 -0,75 -0,75 -0,75 -1,0

10

11

12 13 14 15 16 17 18 19 20

de octava o de tercio de octava cuya frecuencia central corresponde a una longitud de onda A. Entonces, la Ecuación (13.7) puede reescribirse como

Lw

= Lp - 10 10gIO (T6<11 s) + 10 10gIO(V/1 m 3) + 10 10gIO (1 + SA/8V) - 10 10gIO (B/1000 mbar) - 14

dB

(13.8)

Aquí, Lp representa el nivel medio de presión sonora del sonido reflejado en una cámara (en una banda de octava o tercio de octava seleccionada). Dado que se considera que el sonido reflejado es perfectamente difuso, éste llega al micrófono desde todos los ángulos con igual probabilidad. Por tanto, estas medidas no pueden aportar información respecto de la directividad de la fuente que se está midiendo. El nivel de potencia sonora puede determinarse de la siguiente manera:

Paso 1. Se mide el tiempo de reverberación T60 de la cámara de ensayo del laboratorio con la fuente presente (pero no funcionando). Paso 2. Se calcula el volumen Vy la superficie S de la cámara de ensayo. Paso 3. Se mide la presión barométrica B en la cámara de ensayo. Paso 4. Se obtiene la media del nivel de presión sonora Lp.

13.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Paso 5. Se calcula el nivel de potencia sonora a partir de la Ecuación (13.8).

Normas de medida

Los métodos para determinar los niveles de potencia sonora de las fuentes de ruido en las cámaras reverberante s de los laboratorios se describen en detalle en las normas internacionales ISO 3741 e ISO 3742. La norma ISO 3741 4 incluye los métodos adecuados para fuentes de banda ancha; la norma ISO 37425 incluye instrucciones detalladas para la medida de frecuencias discretas y fuentes de banda fina. La norma ISO 3742 da detalles sobre las precauciones que hay que tener cuando hay frecuencias discretas o bandas finas de ruido en el espectro del ruido irradiado por la fuente; en este caso, la determinación precisa de la potencia sonora radiada por la fuente requiere más esfuerzo. Por lo general son necesarias posiciones del micrófono y localizaciones de la fuente adicionales. La siguiente información normativa es relevante para determinar los niveles de potencia sonora mediante este método: 1. El tiempo de reverberación Tóo se mide usando la técnica normalizada descrita en la norma internacional ISO 345 6 • 2. El volumen V y la superficie S se calculan a partir de las dimensiones de la cámara. 3. La presión barométrica B tiene tan sólo una pequeña influencia sobre el nivel de potencia sonora de la fuente. 4. El nivel medio de presión sonora Lp en la cámara se obtiene moviendo el micrófono a velocidad constante sobre una vía de al menos 3 m (9 ft) de longitud, mientras su señal de salida se promedia sobre la base de la presión cuadrática media. De forma alternativa, puede obtenerse el valor medio de la salida eléctrica de un conjunto de, al menos, tres micrófonos fijos distanciados entre sí 'A/2 (donde 'A es la longitud de la onda sonora correspondiente a la frecuencia más baja de interés). El nivel medio de presión sonora se corrige para ruido de fondo de acuerdo con la Tabla 13.1. 5. El nivel de potencia sonora Lw producido por la fuente en cada banda de octava o tercio de octava dentro del rango de frecuencia de interés se calcula a partir de la Ecuación (13.8). El nivel sonoro con ponderación A, L WA , puede calcularse a partir de los niveles de banda de octava o de tercio de octava. Véase ISO 3741 4 , Anexo C.

Método de medida por sustitución

Puede usarse un método de sustitución (más sencillo que el descrito anteriormente) para determinar el nivel de potencia sonora Lw de una fuente desconocida mediante la comparación de dos medidas: L p , el nivel medio de presión sonora del sonido reflejado (en una octava o fracción de banda de octava seleccionada) para el equipamiento a examen. Lp" el nivel medio de presión sonora del sonido reflejado (en una octava o frac-

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

13.11

ción de banda de octava seleccionada) para una fuente de referencia cuyo nivel de potencia sonora Lwr en la banda es conocido Sustituyendo estos valores en la Ecuación (13.7) y restando las dos ecuaciones resultantes, se obtiene

Lw

= Lp + (L wr - L pr )

dB

(13.9)

El procedimiento se esquematiza de la siguiente manera: Paso 1. La media de los niveles de presión sonora Lp en la cámara de ensayo se determina como en el Paso 4 del método directo (descrito anteriormente). Entonces se apaga la fuente cuya potencia sonora se está determinando. Paso 2. Se enciende la fuente de sonido de referencia y se determina el nivel medio de presión sonora que produce en la cámara de ensayo. Paso 3. Se determina entonces el nivel de potencia sonora Lw de la fuente que estamos evaluando mediante una simple resta, como plantea la Ecuación (13.9).

Normas de medida

La Referencia 4 describe el método de sustitución, que es más simple que el método directo porque no es necesario medir el tiempo de reverberación de la cámara de ensayo. Los siguientes aspectos normativos están relacionados con los pasos anteriores: 1. Los procedimientos para determinar los niveles medios de presión sonora en

la cámara de ensayo son iguales en los métodos directo y de sustitución. 2. La fuente de sonido de referencia se monta en el suelo de la cámara reverberante a una distancia de, al menos, 1,5 m (5 ft) de cualquier superficie reflectante, como la pared o la fuente que se está evaluando. Las fuentes sonoras de referencia son muy utilizadas para determinar las emisiones de ruido de fuentes estacionarias de sonido. Los requisitos de rendimiento y calibración de las fuentes de ~eferencia vienen determinados en la norma internacional ISO 6926.2 7• Las fuentes de referencia pueden ser de varios tipos: aerodinámicas, electrodinámicas y mecánicas. Las aerodinámicas, en que un ventilador o rueda especialmente diseñados son activados mediante un motor, son el tipo más frecuentemente utilizado.

CLASIFICACION DE LOS METODOS PARA DETERMINAR LOS NIVELES DE POTENCIA SONORA DE MAQUINAS y EQUIPAMIENTO La Tabla 13.3 clasifica las normas internacionales que incluyen información detallada sobre distintos métodos para determinar los niveles de potencia sonora a partir de medidas de los niveles de presión sonora en las proximidades de las fuentes.

Técnica

Técnica

Precisión

Sondeo

3744

3745

3746

Precisión

3743

3742

3741

ISO n°

Método de clasificación

Cualquiera

Estable, banda ancha, banda fina, frecuencia discreta

Sin restricciones: limitado sólo por el ambiente de ensayo disponible

Sin ambientes especiales de ensayo

Cualquiera

Estable, banda ancha, banda fina, frecuencia discreta

Estable, frecuencia discreta o banda fma

Estable, banda ancha

Preferiblemente menos de 0,5 % del volumen de la cámara de ensayo

Dimensión mayor menos de 15,0 m

Preferiblemente menos de 1 % del volumen de la cámara de ensayo

Tipo de ruido

Cámara anecoica o semiecoica

Exteriores o en una habitación grande

Cámara de ensayo reverberante especial

Cámara reverberante que cumple los requisitos especificados

Ambiente de ensayo

Volumen de la fuente

Ponderación A

Ponderación A y en bandas de tercio de octava o bandas de octava

Ponderación A y en bandas de octava

En bandas de octava o tercio de octava

Niveles de potencia sonora ostensibles

Niveles de presión sonora en función del tiempo; otros niveles ponderados de potencia sonora

Información de directividad y niveles de presión sonora en función del tiempo; otros niveles ponderados de potencia sonora

Otros niveles ponderados de potencia sonora

Nivel de potencia sonora con ponderación A

Información opcional disponible

TABLA 13.3. Normas internacionales de la serie ISO 3740 especificando varios métodos para determinar los niveles de potencia sonora de las máquinas y equipamiento

-1

eO

e

::c

,O ,Om

::c

O Z

(")

-<

~

e ~

(")

l>

gen

O

s::m

m

o

,l>

e

Z

s::

l>

N

~

... ...

MEDIDA DE LA POTENCIA SONORA

13.13

Factores que influyen en la elección del método

La Tabla 13.4 presenta un listado de los diversos factores que influyen en la elección del método de medición. Tamaño de la fuente de ruido. Los métodos de las normas internacionales establecen límites superiores para los volúmenes de las fuentes a las que son aplicables. En las cámaras reverberantes (ISO 3741, ISO 3742 e ISO 3743), el volumen de la fuente ha de ser inferior al1 por 100 del volumen de la cámara de ensayo. En la norma ISO 3744 (método de campo libre), la dimensión mayor de la fuente ha de ser menos de 15 m. En la norma ISO 3745 (método de campo libre), el volumen de la fuente ha de ser inferior al 0,5 por 100 del volumen de la cámara de ensayo. En la norma ISO 37468 (método de sondeo), no hay restricciones sobre el tamaño de la fuente. Características de la fuente de ruido. Si la fuente produce un ruido estable, de banda ancha, cualquiera de los métodos de la serie ISO 3740 puede utilizarse. Si la fuente produce componentes de frecuencia discreta o ruido de banda fina, puede usarse cualquier método, excepto el ISO 3741. Si el rango de frecuencias se extiende por debajo de 100 Hz (o por encima de 10.000 Hz), son necesarios volúmenes mayores (menores) para los métodos en cámara reverberante y medidas a distancias mayores para frecuencias bajas en condiciones de campo libre. Grado de precisión requerido (método de clasificación). Los métodos ISO para la determinación de los niveles de potencia sonora de las fuentes de ruido se clasifican de acuerdo con tres categorías de precisión. 1. Los métodos de precisión (laboratorio) (grado más alto de precisión) se describen en las normas ISO 3741 e ISO 3742 (método en cámara reverberante) e ISO 3745 (método de campo libre). 2. Los métodos técnicos (grado medio de precisión) se describen en las normas ISO 3743 (método en cámara reverberante) e ISO 3744 (método de campo libre). 3. El método de sondeo (grado más bajo de precisión) se describe en la norma ISO 3746. .• En general, cuanto mayor es la precisión, mayor es el esfuerzo de medición preciso. La Tabla 13.5 presenta las incertidumbres en la determinación de los niveles de potencia sonora, de acuerdo con la serie ISO 3740. Datos acústicos requeridos (aplicación de los datos). El tipo de datos de medida obtenidos depende de la finalidad de la medición llevada a cabo. Los usos principales de los datos sobre niveles de potencia sonora se describen a continuación. Control del ruido. La información cuantitativa sobre el espectro del nivel de potencia sonora (en octavas o tercios de octava) suele precisarse para desarrollar máquinas y equipamientos más silenciosos. También pueden ser necesarias medidas adicionales sobre componentes de frecuencia discreta y características vibratorias. Preferiblemente, los métodos de medición han de ser capaces de obtener datos de

Control de ruido Tipo examen Comparación de máquinas o equipamiento: distintos tipos mismo tipo

Niveles de potencia sonora de banda de octava Niveles de potencia sonora de banda de tercio de octava Niveles de potencia sonora con ponderación A Otras ponderaciones Información de directividad Patrón temporal

Cámara reverberante de laboratorio Cámara reverberante de ensayo espc;ciaI Habitaciones grandes, exteriores Cámara anecoica de laboratorio In situ, interiores, exteriores

Método de clasificación

Aplicación de los datos

Información obtenida

Ambiente de ensayo

Barra oscura: Información de acuerdo con las normas internacionales. Barra blanca: Información opcional.

- -

Precisión Técnica Sondeo

--

Estable-banda ancha Estable-banda fina, frecuencia discreta No estable

Características del ruido

--

Fuentes grandes - no móviles Fuentes pequeñas - móviles

ISO

I

I

I

~

I

ISO

ISO

I

3745

ISO

I

3746

I

I

I I

I

I

O

~

I

I

I I I

I

3744

IIIII

I

~

I I

I

3743

I

~ ~

I

I I

ISO

3742

ISO

3741

Factores que influyen sobre la elección de método a partir de la serie ISO 3740

Tamaño de la fuente

TABLA 13.4.

..

O

a

e

:lJ

rO m r-

O

:lJ

o z -1

n

~-<

-1

CIJ

n e

l>

CIJ

~

O

s:: m

m

o

r-

l>

e

s:: z

l>

-a ~ -a

_

...

-

-

In situ

3746

---

Cámara anecoica

3745

-----

Cámara reverberante

3744

---

Cámara reverberante

Cámara reverberante

3743

3742

3741

ISO n.o

Ambiente de medida

--

.

----

-

1 1,5

3

5

3

100-160

U5 500

1000-4000

-

-

3

2

200-315

1 1,5

2

-

400-630

2

1,5

-

1 1,5

0,5 1 -

2,5

3

3

6300-10.000

8000

1,5

800-5000

Frecuencias centrales de las bandas de tercio de octava, Hz

250

Frecuencias centrales de las bandas de octava, Hz

5

-

-

2

2

-

Ponderación A

TABLA 13.5. Incertidumbres al determinar los niveles de potencia del sonido, expresadas como el mayor valor de la desviación típica en decibelios

UI

...a ~ ...a

»

O ::o

z

O

en

j;

(")

~ Z

"'O

s;:

em

~

3: m

e

13.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

precisión alta, pero a menudo resultan satisfactorios los métodos con una precisión de grado técnico. Control de la producción (tipo examen). La determinación de un simple nivel global de potencia sonora con ponderación A suele ser suficiente para controlar la producción respecto de la emisión de ruido de máquinas y equipamiento del mismo tipo o familia. Este examen también puede aportar información sobre la distribución del nivel de potencia sonora en octavas o tercios de octava; el método de medición ha de aportar datos al menos al nivel de precisión de grado técnico. Comparación de máquinas. Para establecer comparaciones entre máquinas de distintos tipos o tamaños que tengan sentido, suele hacer falta disponer de información sobre el espectro del nivel de potencia sonora irradiada por las mismas. En la mayoría de los casos, es suficiente con datos de octava o de tercio de octava. Las medidas deben corresponder a datos con una precisión a nivel técnico. Al comparar máquinas del mismo tipo, construidas de acuerdo con las mismas especificaciones, suele ser suficiente determinar el nivel global de potencia sonora con ponderación A. Ambiente de ensayo adecuado para la medici6n. Si la fuente es móvil (y pequeña), su nivel de potencia sonora puede medirse en cualquier ambiente de ensayo. Si la fuente no es móvil, debe medirse in situ de acuerdo con las normas ISO 3744 o ISO 3746. Para máquinas grandes [aquéllas con volúmenes significativamente mayores que 2 m3 (70 ft3)] Y para las que están instaladas en interiores, sólo son aplicables los métodos ISO 3744 e ISO 3746.

REFERENCIAS 1. W. W. Lang y D. R. Flynn, «Noise power emission level tor product designation», Noise ControL Engineering, vol. 4, 1975, pp. 108-113. 2. Engineering methods for free-field conditions over a reflecting plane, ISO 3744, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1981. 3. Precision methods for anechoic and semi-anechoic rooms, ISO 3745, International Organization tor Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1977. 4. Precision methods for broad-band sources in reverberation rooms, ISO 3741, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1975. 5. Precision methods for discrete frequency and narrow-band sources in reverberation rooms, ISO 3742, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1975. 6. Measurements of sound absorption in a reverberation room, ISO 354, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1985. 7. Requirements on the performance and calibration of reference sound sources, ISO 6926.2, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1990. 8. Survey method, ISO 3746, International Organization tor Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1979.

Capítulo

14

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA Malcolm J. Crocker

INTRODUCCION La intensidad sonora, en cualquier punto de un campo sonoro, es igual al flujo de energía sonora en una dirección especificada a través de un área de unidad normal a esta dirección en el punto considerado. La unidad de intensidad sonora es el vatio por metro cuadrado (W/m2 ) y su símbolo es 1. La intensidad sonora es un cantidad vectorial que tiene magnitud y dirección. Por contra, la presión sonora y la potencia sonora son cantidades escalares que sólo tienen magnitud. Aunque la intensidad sonora fluctúa con el tiempo, lo que se mide es el promedio temporal de la intensidad sonora. Las medidas de intensidad sonora presentan ventajas porque: (1) pueden realizarse in situ en casi todos los ambientes; (2) pueden realizarse sin precisar instalaciones especiales, como cámaras anecoicas o reverberantes; (3) pueden tomarse en presencia de niveles de ruido de fondo moderados o altos porque éstos no contribuyen a la potencia sonora de una fuente determinada a partir de la intensidad sonora, y (4) pueden usarse para localizar fuentes de ruido, porque la intensidad sonora aporta una medida de la dirección del flujo de energía sonora, además de su magnitud l -3 • Este capítulo describe las características de la intensidad en distintos tipos de campos sonoros, la relación entre el nivel de intensidad sonora y el nivel de presión sonora, la medida de la intensidad sonora, la calibración de los equipos y las aplicaciones de las medidas de intensidad sonora.

14.1

14.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

CAMPOS SONOROS La intensidad sonora 1 en un punto determinado, medida en una dirección normal (a 90°) respecto de una unidad de área especificada a través de la cual fluye la energía sonora, viene dada por 1= p

xu

(14.1)

donde p es la presión sonora en el punto y u es la velocidad de las partículas en esa dirección4 • Consideremos una fuente en un campo libre. Como ilustra la Figura 1.12, toda la energía sonora irradiada por la fuente ha de pasar a través de una superficie imaginaria que la encierra; como la intensidad sonora es la potencia sonora por unidad de área, la potencia irradiada por la fuente puede determinarse obteniendo: (1) la medida de intensidad promediada en el espacio a lo largo del área que encierra la fuente y (2) multiplicando por esta área. En un campo libre, la intensidad sonora disminuye con la distancia a la fuente de acuerdo con la ley inversa del cuadrado, como indica la Ecuación (1.11). Esto puede verse en la Figura 1.12; a una distancia de 2r de la fuente, el área de la superficie de una esfera que encierre la fuente es 4veces mayor que el área de la esfera a una distancia r. Sin embargo, la potencia sonora irradiada ha de ser la misma a cualquier distancia (en ausencia de materiales absorbentes del sonido); en consecuencia, la intensidad (la potencia por área) debe disminuir 4 veces cada vez que se duplica la distancia desde la fuente. Esto es equivalente a un descenso en el nivel de presión sonora de 6 dB por cada vez que se dobla la distancia desde la fuente, como indica la Ecuación (1.7). En un campo libre, la relación entre la presión sonora cuadrática inedia y la intensidad sonora 1 es

p2

1=pc

(14.2)

donde p es la densidad del aire y c es la velocidad del sonido.

Campos sonoros activos y reactivos

En general, en todos los campos sonoros estables (salvo el caso especial de campos de ondas planas progresivas), la velocidad de las partículas ha de dividirse en dos componentes: uno en fase con la presión sonora y otro desfasado respecto de la presión sonora. La intensidad sonora activa es el producto de la presión sonora y el componente en fase de la velocidad de las partículas. La intensidad sonora activa: (1) fluctúa al doble de la frecuencia de la onda sonora, (2) tiene un promedio temporal distinto de cero, (3) tiene una dirección normal respecto a los frentes de onda, (4) posee magnitud y dirección y (5) está asociada con el flujo de energía sonora. Este es el componente al que se suele denominar simplemente como intensidad sonora.

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

14.3

La intensidad sonora reactiva es el producto de la presión sonora y el componente desfasado de la velocidad de la partícula. La intensidad reactiva del sonido: (1) fluctúa al doble de la frecuencia de la onda sonora, (2) tiene un promedio temporal igual a cero, (3) tiene una dirección opuesta al gradiente de presión sonora dependiente del espacio, (4) está asociada con el flujo fluctuante local de energía sonora y (5) no da como resultado energía sonora propagada en el campo alejado de la fuente. 1,2,4,5 Muy cerca de la fuente de sonido, el campo reactivo es más fuerte que el campo activo; salvo que el equipo de medida de intensidad sonora sea de buena calidad, es difícil determinar la intensidad activa del sonido con precisión (porque su medida está contaminada por la intensidad reactiva). Sin embargo, en ausencia de reflexiones, el campo reactivo disminuye muy rápidamente al aumentar la distancia desde la fuente. Por tanto, a una distancia moderada de la fuente, el campo sonoro está dominado por la intensidad activa, haciendo que resulte más fácil su medida. La extensión del campo reactivo depende de la frecuencia, las dimensiones de la fuente de sonido y las características de irradiación de la misma; sin embargo, en la práctica, se puede asumir que el campo reactivo es insignificante a una distancia superior a 0,6 m (2 f) de la fuente, siempre que el campo sonoro reflejado sea pequeño. Consideremos las ondas de sonido simples que se mueven en el interior de un tubo de paredes duras, como ilustra la Figura 14.1a; sólo hay una frecuencia presente. El tubo termina en el extremo derecho con un absorbente perfecto del sonido; por tanto, no hay reflexión del sonido en la terminación del tubo. En estas condiciones, la presión y la velocidad de las partículas están en fase. En este caso, la intensidad sonora 1 es el producto de la presión sonora p y la velocidad de la partícula u; la intensidad fluctúa con el tiempo y es siempre positiva en dirección hacia el extremo del tubo (x positivo). En la Figura 14.lb, el extremo del tubo tiene un material que es parcialmente absorbente; la onda sonora se mueve de izquierda a derecha. En este ejemplo, hay un reflexión parcial en el extremo, de manera que una onda más tenue vuelve de derecha a izquierda. Las dos ondas, que viajan en direcciones opuestas, se suman, dando la distribución de presión que se muestra. Para el material de la figura, la distribución de la velocidad de las partículas está desfasada 60° respecto de la presión sonora. Las dos ondas interactúan para dar un flujo activo de intensidad hacia la derecha, que es menor al de la Figura 14.la. También hay un pequeño componente reactivo que fluye yendo y viniendo de derecha a izquierda (su magnitud depende de la localización x en el tubo); el promedio temporal de la intensidad reactiva es cero en cualquier punto del tubo. En la Figura 14.1c, el tubo termina en un material infinitamente reflectante. Por tanto, las ondas son perfectamente reflejadas en este extremo. En este caso, las ondas reflejadas que viajan hacia la izquierda tienen la misma amplitud que las ondas incidentes que viajan hacia la derecha. Estas dos ondas se combinan para dar un nivel de presión sonora y distribuciones espaciales de la velocidad de las partículas que están desfasadas 900. En este caso, el promedio temporal de la intensidad es cero en cualquier punto del tubo; no hay un flujo de intensidad activa; la intensidad sonora es completamente reactiva.

14.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO Cambio de fase 0°

(a)

Presión

= Intensidad

instantánea

,Iv:\\ L 7\ 7\II.x 3 L \ ..

~'C:

~~I\I\ZVVII·x .

7-

Intensidad integrada en el tiempo

Cambio de fase 60°

(b)

Presión

~~\I\I\I·, x

.J::L

)

Intensidad integrada en el tiempo (e)

Cambio de fase 90°

x

T

Intensidad integrada en el tiempo = O

FIGURA 14.1. Distribución espacial de la presión sonora instantánea, velocidad instantánea de las partículas, intensidad sonora instantánea y la intensidad sonora integrada en el tiempo para una onda unidimensional de tono puro en un tubo. (a) No hay reflexión en el extremo derecho del tubo; el nivel de presión sonora y la velocidad de las partículas están en fase. (b) Con reflexión parcial en el extremo derecho del tubo; el nivel de presión sonora y la velocidad de las partículas están desfasados 60°. (e) Con terminación rígida en el extremo derecho del tubo; hay una reflexión perfecta y el nivel de presión sonora y la velocidad de las partículas están desfasados 90°; no hay intensidad activa; la intensidad es completamente reactiva.

14.5

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

RELACION ENTRE NIVEL DE INTENSIDAD SONORA Y NIVEL DE PRESION SONORA En un campo libre, los niveles de presión e intensidad sonora, en la dirección de propagación, son esencialmente iguales; esto se debe a que se han elegido la presión sonora de referencia (2 x 10-5 pascales) y la intensidad sonora de referencia (10- 12 vatios/metr02 ), de manera que los dos sean equivalentes numéricamente. En realidad, la relación entre estos dos niveles depende en cierta medida de la temperatura y la presión ambiental. Por ejemplo, en un campo libre, a una temperatura de 20 oC y una presión atmosférica de 1013 milibares, la relación exacta entre el nivel de presión sonora Lp y el nivel de intensidad sonora L¡ [definido en la Ecuación (1.14)] en la dirección de propagación es (L p - L¡)

= 0,15

dB

(14.3)

En la práctica, las medidas rara vez se realizan en campo libre; por tanto, habrá una diferencia entre el nivel de presión sonora y el de intensidad sonora. Esta diferencia de nivel (Lp - L¡) se denomina índice de presión-intensidad. En algunas medidas de intensidad sonora donde el nivel de presión sonora es grande y la intensidad sonora es baja, es difícil medir la intensidad sonora. En estos casos, el índice de presión-intensidad puede aportar una indicación de la dificultad de llevar a cabo medidas de la intensidad sonora.

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA Para determinar la intensidad sonora, de acuerdo con la Ecuación (14.1), es necesario medir la presión sonora p y la velocidad de las partículas u simultáneamente en el mismo punto del campo acústico. Los transductores necesarios para estas medidas deben ser pequeños, con.,el fin de evitar alterar el campo acústico. Como es imposible colocar dos transductores en el mismo punto del espacio, todas las medidas de intensidad implican acuerdos y limitaciones. La mayoría de los equipos comercializados usan dos transductores de presión sonora (micrófonos) para medir la presión sonora y la velocidad de las partículas. Esta última se determina, en un punto medio entre estos dos micrófonos, sobre la base de la relación entre la velocidad de las partículas u y el gradiente de presión (la tasa a que la presión instantánea cambia con la distancia) 'Opl'Or mediante la ecuación (14.4) donde p es la densidad del aire.

14.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El gradiente de presión sonora 8p/ar puede estimarse mediante la medida de la presión en cada micrófono, dividiendo entre la distancia entre ellos. (14.5) donde PA es la presión sonora en el micrófono A, PB es la presión sonora en el micrófono B y flr es la distancia entre los micrófonos (véase Figura 14.3). Esta relación se denomina aproximación por diferencia finita l • La velocidad de las partículas u se mide en el centro acústico de la sonda entre los dos micrófonos. u

= -

!

p

f

PB

-

flr

PA dt

(14.6)

En este mismo punto, la presión se determina tomando la presión media de los dos micrófonos: p=

PA

+ PB 2

(14.7)

Así, sustituyendo los valores de P [a partir de la Ecuación (14.7)] y u [a partir de la Ecuación (14.6)] en la Ecuación (14.1) y promediando para el tiempo se obtiene la intensidad (fft: (1)1 =

~

= -

f

pu dt

2~ f [[PA + PB{p~r] f (PB - PA) dt]dt

(14.8)

Sondas de intensidad sonora

Una sonda de intensidad sonora es una combinación de dos o más transductores (micrófonos) cuya salida alimenta un instrumento denominado analizador de intensidad sonora que procesa la salida eléctrica de los transductores [realiza la integración y los cálculos indicados en la Ecuación (14.8)], dando la intensidad sonora a lo largo del eje de la sonda. Otro tipo de analizador de intensidad sonora utiliza una formulación equivalente que relaciona la intensidad (1)1 con la parte imaginaria del cruce de los espectros de las señales de los dos micrófonos l . La directividad característica de una sonda ideal de intensidad sonora debe asemejarse al patrón en forma de ocho (en dos dimensiones) que ilustra la Figura 14.2, con el fin de aportar la máxima sensibilidad en la dirección en la que la intensidad se está midiendo. Para un sonido que incide a 90° respecto del eje de la sonda, no hay componente sobre el eje, ya que la diferencia de presión entre las señales es igual a cero. Por tanto, habrá una velocidad cero de las partículas y una intensidad

s

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

14.7

90° dB) -----------(-<>o

FIGURA 14.2. Características de directividad de una sonda ideal de intensidad sonora, que mide intensidad positiva delante y negativa detrás del aparato con un patrón de directividad en forma de ocho. Los números entre paréntesis, a distintos ángulos, indican el descenso en la respuesta del nivel de intensidad sonora en comparación con la respuesta a lo largo del eje. Por ejemplo, el cos 60° corresponde a un nivel de intensidad que es 3 dB menos que la respuesta a lo largo del eje, 9 = O°. (Según G. Rasmussert.)

cero sobre el eje. Para un sonido que incida sobre el eje con un ángulo arbitrario S, el componente de intensidad a lo largo de éste se verá reducido en un factor igual a cos S. Hay dos tipos principales de sondas de intensidad sonora ampliamente utilizados:

Sondas de intensidad tipo (P-p). Los sondas de intensidad de tipo (p-p) suelen consistir en dos transductores idénticos de presión sonora, habitualmente micrófonos de condensador de alta calidad6 • De forma ideal, cada uno de los micrófonos ha de tener una respuesta que sea independiente de la dirección de incidencia del sonido. Las configuraciones más habituales de los micrófonos se ilustran en la Figura 14.3. La configuración lateral tiene las siguientes ventajas: (1) los diafragmas de los micrófonos pueden colocarse cerca de la fuente de ruido que se está midiendo, (2) la sonda de intensidad puede también girar sobre su eje de simetría para comprobar el campo y (3) existe una gran variedad de pantallas antiviento esféricas disponibles que pueden adaptarse a los micrófonos. Sus desventajas son: (1) los micrófonos no pueden colocarse muy próximos entre sí y (2) un micrófono hace de pantalla respecto al otro. La configuración frontal tiene las ventajas siguientes: (1) los diafragmas pueden acercarse mucho entre sí y (2) la separación entre los micrófonos está bien definida. Tiene la desventaja de que no puede colocarse muy cerca de las superficies irradiantes, lo cual, a veces, resulta un inconveniente. La Figura 14.4 muestra los rangos de frecuencia aplicables a una sonda con una

14.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

- - _ o Ondas sonoras -----+

Ondas sonoras

Lateral

Frontal

FIGURA 14.3. Distintas configuraciones de micrófonos que se han utilizado con las sondas de intensidad del tipo (p-p). Las disposiciones utilizadas más a menudo son la lateral y la frontal. La separación entre micrófonos en cada disposición es tlr. (De acuerdo con W. P. Waser y M. J. Crocker.)

configuración frontal para distintas distancias entre los diafragmas de los micrófonos. La sonda de intensidad del tipo (p-p) sólo puede medir el componente de la intensidad sonora en una dirección (en la dirección del eje de la sonda). El vector completo está compuesto de tres componentes perpendiculares (a 90° entre sí); uno para cada una de las coordenadas de dirección. Por tanto, para obtener el vector, hay que hacer medidas en cada una de estas tres direcciones. Pueden utilizarse tres pares de micrófonos en una disposición frontal para la medición simultánea de la intensidad en tres direcciones ortogonales6 • Las sondas de intensidad de tipo (p-u) consisten en dos transductores, uno de los cuales mide la presión y otro que mide la velocidad de las partículas. En un sonda comercializada de este tipo, la presión se mide con un micrófono de condensador. La velocidad de las partículas u se determina mediante la medición del efecto Dopler que resulta de la superposición de esta velocidad con ondas ultrasónicas enviadas desde un transmisor T a un receptor R, como ilustra la Figura 14.5. La distancia entre el transmisor y el receptor es pequeña comparada con la longitud de onda del campo acústico que se detecta. La radiación del transmisor tiene amplitud y frecuencia constantes. Si c es la velocidad de propagación del ultrasonido en aire en calma y si existe un flujo de aire estable de velocidad u hacia la derecha, el ultrasonido viajará hacia la derecha con velocidad (c + u) y viajará hacia la izquierda con una velocidad (c - u). Así, si existe un campo acústico exterior con una velocidad fluctuante de las partículas u, también podrá detectarse de la misma manera. El uso de dos vías de onda ultrasónica en direcciones opuestas entre los dos transmisores y los dos receptores puede utilizarse para evitar el efecto de los flujos distintos al de la velocidad de las partículas7 • Sondas de intensidad tipo (P-u).

CALlBRACION DE LAS SONDAS DE INTENSIDAD SONORA Hay que controlar periódicamente las sondas de intensidad sonora y los procesadores. Las sondas del tipo (p-p) pueden probarse aplicando un pistófono a cada mi-

14.9

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

6mm

-011- 1· al Iil ¡

12 mm

----1 r- 1· al ID ¡ 12 mm

----1 t-

al ~r -l []l 31,5

125

250

1,25 k

Rangos de frecuencia para una precisión

5k

50 mm

1-

rur

10 k f(hz)

± ldB

FIGURA 14.4. Rango de frecuencias aplicables a una sonda de intensidad del tipo (p-p) para micrófonos de distinto diámetro y diferentes distancias entre los diafragmas. Algunos fabricantes de sondas insertan un espacio sólido entre los diafragmas de los micrófonos. El límite superior de frecuencia está gobernado por el error de aproximación de diferencia finita en que el espaciamiento entre micrófonos se hace comparable a la longitud de onda. El límite inferior de frecuencia está controlado por los errores de fase entre los micrófonos, que se aproxima a los verdaderos cambios de fase del campo a frecuencias bajas. (De acuerdo con W. P. Waser y M. J. Crocker1 .)

crófono para obtener una calibración de presión. Puede utilizarse un calibrador acoplador pequeño para aplicar la misma presión sonora en cada micrófono. La calibración de las sondas de intensidad sonora suele llevarse a cabo en laboratorios nacionales y/o fabricantes en: (1) un campo libre en una cámara anecoica o (2) un campo reactivo en un tubo de onda estacionaria.

Calibración en un campo libre

Para calibrar un sonda de tipo ~p-p) en campo libre: 1. Se calibran los dos micrófonos de la sonda por separado, mediante el método de reciprocidad o de comparación. 2. Se mide la presión sonora a cierta distancia de una fuente puntual. 3. Se calcula la intensidad a partir de la presión sonora utilizando la Ecuación (14.2). 4. Se mide la intensidad con la sonda y la intensidad sonora asociada del procesador. 5. Se comparan los resultados de los pasos 3 y 4 para todas las frecuencias de interés asegurándose de que el error de medida no supera la tolerancia permitida. En un campo libre a 0°, en el rango de frecuencias entre 125 y 1000 Hz, la tolerancia establecida es ±0,7 dB para sondas de Clase 1 y de ± 1,0 dB para las de Clase 11. Suelen permitirse tolerancias ligeramente más altas para el rango de fre-

14.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

--------A

A------

-

S onido

-

Sección transversal AA

I

-

~I'~ e+ u

I

Placa de apoyo

FIGURA 14.5.

Sonda de intensidad del tipo (p-u) que usa el efecto ultrasónico. Sonda de intensidad sonora Tipo 216 de Norwegian Electronics. (Según O. Bjor.)

cuencias de 50 a 100 Hz y de 1600 a 6300 Hz. Además, se espera que los fabricantes comprueben que la respuesta direccional de las sondas de intensidad de sonido obedece a la ley del coseno para 360° desde la dirección de referencia (incidencia 0°). Se permiten tolerancias de ± 1,5 dB para sondas de Tipo 1 y de ± 2 dB para las de Tipo 2, dentro de un ángulo de 60° desde la dirección de referencia. La respuesta mínima debe producirse con un error de ± 3° para ángulos de incidencia de 90° y 270° medidos desde la referencia (incidencia 0°, en la dirección axial).

Calibración en un campo reactivo

Puede usarse un tubo de onda estacionaria para comprobar una sonda de intensidad sonora. A partir de las mediciones de la presión sonora y de la distribución de la velocidad máxima y mínima sobre el eje del tubo, se puede calcular la intensidad en el tubo. Esta información puede usarse entonces como base de la calibración de la sonda de intensidad sonora. Es necesario controlar las sondas de intensidad sonora y procesadores de intensidad asociados para que no haya desajustes entre los canales. Esto puede lograrse alimentando con la misma señal sonora cada transductor del tipo sonda (p-p) y estimando directamente el cambio de fase con un medidor de fase. El procedimiento es más complicado con un sonda del tipo (p-u).

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

14.11

APLICACIONES DE LAS MEDIDAS DE INTENSIDAD SONORA Determinación de la potencia sonora'-3.a

Al determinar la potencia sonora de una fuente, se realizan mediciones de la intensidad sonora en una dirección perpendicular a una superficie imaginaria que envuelve la fuente. Entonces, la potencia sonora de la fuente viene dada por la integral de la intensidad sobre la superficie: (14.9)

donde In = intensidad sonora normal al área de la superficie y dS es un elemento del área sobre la superficie imaginaria que envuelve la fuente. En teoría, la superficie puede tener cualquier forma, pero suele resultar más cómodo utilizar una superficie que tenga una forma geométrica simple, como un hemisferio (Figura 14.6a) o un rectángulo paralelepípedo (Figura 14.6b). Si la superficie de medición sigue aproximadamente la forma de la superficie de la fuente, se denomina medición conformal. En aplicaciones prácticas, la integral anterior puede reemplazarse por una suma. En ese caso, la Ecuación (14.9) se convierte en n

W

=

~ InitlS i

(14.10)

i~1

donde Ini es la intensidad sonora normal a cada área elemental tlSi y n es el número de áreas elementales en que la superficie envolvente S se divide. No están presentes otras fuentes ni sumideros (absorbentes del sonido) dentro de la superficie. En principio, las fuentes (o sumideros) de sonido situadas fuera de la superficie no contribuyen al valor medido de la potencia sonora. Esto se debe a que (en ausencia de absorción dentro de la superficie S) la intensidad de una fuente externa entra en S a través de una parte de la supec.ficie y sale por otra, de manera que su contribución neta a la potencia sonora es igual a cero. Para que la contribución a la potencia sonora del ruido de fondo sea cero, éste no debe variar significativamente con el tiempo. Se asume que el suelo refleja toda la intensidad sonora y por tanto no es necesario incluirlo como parte de la superficie envolvente.

Distancia de medida 6ptima desde la fuente. La superficie imaginaria que envuelve la fuente puede, en teoría, estar situada a cualquier distancia de la misma, pero existen dos limitaciones prácticas: (1) si las mediciones de la intensidad sonora se hacen demasiado lejos de la fuente, la relación entre la señal y el ruido será desfavorable, y (2) si la medida de la intensidad sonora se toma demasiado cerca de la fuente, la presión sonora y la velocidad de las partículas no estarán en fase. La distancia de medición óptima depende de la frecuencia y del ambiente de la fuente; en la práctica, suele usarse una distancia entre 5 y 20 cm (2 y 8 in).

14.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(a)

y

(b)

'n

FIGURA 14.6. La intensidad sonora medida sobre un sector dS de una superficie envolvente hemisférica que rodea a una fuente con una potencia sonora W.

Medici6n sobre una superficie imaginaria. Hay dos formas principales de determinar la intensidad sobre una superficie imaginaria envolvente: mediciones de punto discreto (o punto fijo) y de rastreo. Mediciones de punto fijo. En las mediciones de punto fijo (Figura 14.7a), la intensidad sonora se mide en la dirección perpendicular a la superficie del cerramiento en n puntos fijos correspondientes a los n sectores de medición sobre la superficie S; la potencia sonora W se calcula a partir de la Ecuación (14.10). Hay que mantener la sonda fija sobre cada posición de medida, con su eje orientado para medir el componente normal saliente de la intensidad sonora en ese punto. Hay que tener cuidado de colocar la sonda de tal manera que el punto efectivo de medida esté sobre la superficie de medición. El número de posiciones de medida, n, no debe ser inferior a 8. Si el nivel de ruido de fondo es alto en comparación con el nivel de la fuente o si la fuente es muy direccional y hay grandes variaciones de intensidad sobre la superficie de medición, entonces es conveniente usar un número n grande. Si se desean mediciones de la potencia sonora de grado técnico, el comité ANSI S12-21 recomienda duplicar su-

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

14.13

(a)

(b)

FIGURA 14.7. Típica superficie en forma de caja para la medición de la intensidad. (a) Medición de la intensidad de,.punto fijo; (b) medida de la intensidad por rastreo en

que la sonda de intensidad se pasa sobre la superficie de un paralelepípedo rectangular. (Según G. Rasmusserr.)

cesivamente el número de puntos n de medición de la intensidad, hasta que la diferencia entre las estimaciones sucesivas del nivel de potencia sonora en cada banda de tercio de octava de interés no supere los valores que aparecen en la Tabla 14.1. Mediciones de rastreo. La Figura 14.7b ilustra una vía de rastreo adecuada sobre una superficie en forma de caja. Se obtiene la intensidad sonora media para cada sector medido en la superficie; esto requiere que la sonda se mueva de manera uniforme sobre cada sector. Mientras la sonda está en movimiento, se promedian los datos de intensidad, tanto en el tiempo como en el espacio. El rastreo permite una determinación precisa de la potencia sonora en menos tiempo que la medición de puntos fijos. Lo ideal es obtener una superficie media bidimensional continua. Esto

14.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 14.1. Diferencias entre las estimaciones de nivel de potencia sonora obtenidas con n y n/2 puntos de medición

Frecuencia central de banda de tercio de octava, Hz

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Diferencia entre niveles de potencia, dB

100-160 200-630 800-5000 6300-10.000

125 250-500 1000-4000 8000

±1,5 ±1,0 ±0,8 ±1,3

puede aproximarse mediante una línea continua media formada por el barrido de ida y vuelta de la sonda sobre la superficie. Cada barrido sucesivo debe ser perpendicular al último en una dirección ortogonal, formando una serie de líneas paralelas sobre la superficie. De forma ideal, el rastreo ha de hacerse mecánicamente. Sin embargo, el rastreo manual puede dar resultados aceptables. Hay que tener cuidado de orientar el rastreador de manera que mida el componente normal saliente de la intensidad de sonido y de asegurarse de que el punto efectivo de medida está sobre la superficie de medición. La superficie ha de dividirse en sectores de manera que cualquier discontinuidad en la curvatura de la misma esté en los límites de los sectores. La superficie de medición ha de ser un hemisferio que contenga la fuente (como en la Figura 14.6a) o una serie de superficies planas que también contengan la fuente (como, por ejemplo, en la Figura 14.6b). Las superficies de medición grandes deben subdividirse en otras más pequeñas para acomodarlas al alcance del aparato de rastreo o del operario, de manera que se logre la uniformidad en la tasa de rastreo. Los sectores de superficie que no superen 1 m 2 suelen ofrecer los resultados más precisos. La Figura 14.8 muestra la relación entre el tiempo de promedio necesario T, el ancho de banda B y el índice de presión-intensidad para varios valores de nivel de confianza. En la medición de fenómenos que varían con el tiempo, el ancho de banda B ha de ser tan amplio como sea posible. Tasa de rastreo. La tasa de rastreo más rápida que permite una medición precisa de la intensidad media suele depender de: (1) la fuente de ruido, (2) la distancia de la fuente, (3) la frecuencia de interés y (4) las características de la instrumentación empleada. Inicialmente, se recomienda una tasa moderada (0,1 a 0,5 metros/segundo). Esta tasa puede aumentarse y compararse los resultados con la tasa inferior. Como criterio de aceptación de la tasa más rápida, la diferencia entre los niveles medios de intensidad determinados con las distintas tasas de rastreo no ha de superar los valores de tolerancia de la Tabla 14.2. En cualquier caso, la tasa de rastreo no debe superar los 3 metros/segundo, ya que una velocidad superior puede dar como resultado ruido aerodinámico producido por el movimiento de la sonda. El rastreo medio debe cubrir el sector de superficie medido de manera uniforme y, preferiblemente, un número par de veces, con dos como mínimo. Esto puede lograrse variando la tasa de rastreo, el tiempo de promedio o ambos. Al hacer un muestreo de la superficie dos o más veces, se recomienda que las direcciones de los rastreos individuales sean ortogonales entre sí (p. ej., primero vertical, luego hori-

14.15

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

106 105

Niveles de confianza

1-

x 10'

al al

"O

B U

103

::;, "O O

tt

10' 100

O

5

10

15

20

Indice de presión-intensidad, dB

FIGURA 14.8. Relación entre el producto del tiempo de promedio necesario Tpor la anchura de banda 8 y el índice de presión-intensidad; se presentan los valores para varios niveles de confianza. (Según S. GadE!.)

zontal) o que las líneas de barrido que componen los rastreos individuales sucesivos sean perpendiculares entre sí. Evaluación de la eficacia de las técnicas de reducción del ruido

Muchos de los ruidos irradiados por máquinas tienen patrones muy complejos, emitiendo más sonido en algunas áreas de la superficie de la máquina que en otras y con distinta intensidad en direcciones diferentes; la energía sonora a ciertas frecuencias puede incluso ser absorbida en otras áreas. Para evaluar la eficacia de las distintas técnicas de reducción del ruido en estas máquinas, es necesario determinar la potencia sonora irradiada por sus componentes individuales. Esto puede lograrse mediante medidas de la intensidad sonora, ya que es posible definir una superficie de medición que envuelva cada un,o de los componentes de la máquina. Al determinar la potencia sonora de cada componente con mediciones de puntos discretos o mediante rastreo, el ruido de los demás componentes puede considerarse como fuente externa; por tanto, no contribuye a la potencia sonora del componente que se está evaluando. Por ejemplo, consideremos la determinación de la eficacia de varias técnicas de reducción del ruido en un motor diese!. Un método de medición, descrito en el Capítulo 38, es cubrir el motor con una lámina de plomo y exponer los componentes de la máquina de uno en uno. A menudo, puede resultar más cómodo realizar esta evaluación mediante el uso de las mediciones de la intensidad sonora3 .

14.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 14.2. Criterios para determinar una tasa de rastreo aceptable

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Frecuencia central de banda de tercio de octava, Hz

Límites de tolerancia, dB

125 250-500 1000-4000 8000

100-160 200-630 800-5000 6300-10.000

±0,8 ±0,5 ±0,4 ±0,6

Localización de la fuente de ruido

Las mediciones de la intensidad sonora son un medio de identificar y localizar las fuentes de ruido. Pueden utilizarse representaciones gráficas bidimensionales y tridimensionales de las líneas de igual intensidad sonora (activa) y gráficas de vectores de magnitud de la intensidad (utilizando flechas) para mediciones normales y tangenciales a la superficie. Un posible ejemplo es el siguiente: 1. Se define una malla sobre una superficie imaginaria que rodee la fuente. 2. Se mide la intensidad sonora normal a esta superficie en un número de puntos equidistantes entre sí definidos por el número de intersecciones en la malla. 3. Se graban estos valores de la intensidad sonora en un ordenador. 4. Se utilizan los valores obtenidos en el Paso 3 para determinar la potencia sonora emitida por la superficie de la malla utilizando la Ecuación (14.10); I:J.Si es igual al área de una celda de la malla. 5. Se dibujan las líneas de igual intensidad conectando entre sí los puntos de la misma intensidad (medida normalmente a la superficie); a veces se denomina a éstas líneas de iso intensidad. Las regiones de alta intensidad sonora pueden interpretarse como localizaciones de fuentes de ruido. También puede hacerse un trazado separado de la intensidad negativa. El término intensidad negativa significa que ésta entra en la superficie de medición en lugar de salir de ella. Las regiones en que la intensidad negativa es alta pueden interpretarse como localizaciones de sumideros, lugares en que la energía sonora es absorbida. Estas líneas de isointensidad pueden construirse para el espectro sonoro global o para sonidos de anchura de banda limitada. Por ejemplo, la Figura 14.9 muestra el trazado de la intensidad positiva normal a una distancia de 0,04 m de la salida de una impresora, medida sobre un plano paralelo a la superficie de la misma. La Figura 14.1010 muestra la intensidad sonora medida en las proximidades de un violonchelo. Una manera sencilla de determinar la localización de una fuente es utilizar el patrón de directividad de la sonda de intensidad (Figura 14.2). Si se pasa la sonda sobre una fuente de ruido y se mide la intensidad tangencial a la superficie de medición, la intensidad cambiará de positiva a negativa a medida que la sonda pase sobre la fuente. En este punto, como ilustra la Figura 14.11, la intensidad medida debe ser cero debido a las propiedades direccionales de la sonda. Si hay varias fuentes presentes, este método sencillo es menos útil. Funciona mejor cuando sólo hay una fuente dominante. Sin embargo, si hay más de una fuente dominante, la compro-

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

____

14.17

~71--------------~ --=:-==========~~~~~65

----------------------

,

60

FIGURA 14.9. Representación gráfica bidimensional de líneas de isointensidad positiva normal, en decibelios, medida a una distancia de 0,4 m de una impresora de ordenador. (De acuerdo con Rasmussert.)

bación de la intensidad tangencial a la superficie envolvente también puede ser útil. Por ejemplo, si la sonda está entre dos fuentes de igual fuerza, la intensidad en la distancia media entre ambas será cero, en tanto que al aproximarse a cualquiera de ellas aumentará y será de signo contrario.

Eficacia de radiación de las estructuras vibrantes

La eficacia de radiación C1' roo (también conocida como ratio de radiación) de una estructura vibratoria es la relación entre la potencia sonora irradiada por la estructura y la potencia sonora irradiada por un pistón vibratorio (que es grande comparado con la longitud de onda acústiéa) con la misma velocidad cuadrática media promediada en el espacio que la estructura: C1'rOO

= W/[pcS(v~)s]

(14.11)

donde Wes la potencia sonora irradiada por una superficie de área S y (v~s es la velocidad normal cuadrática media de la superficie promediada en el espacio. Por encima de la frecuencia crítica, la eficacia de radiación para muchas estructuras de ingeniería se acerca a la unidad, pero por debajo de esta frecuencia el valor decrece rápidamente. Más aún, la eficacia de radiación C1'rad puede ser distinta para la excitación acústica y para la excitación vibratoria. Las medidas de intensidad sonora pueden utilizarse para determinar la eficacia de radiación y para estimar la proporción de entradas vibratorias y acústicas.

14.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I I

,

,

,

,

,

'" ,

,

,

,; , ,;

,

t

•

,

,

,

,

,

,; ,

,

,

,

t--""I-4i,

,

I

11' I " , " , ,,, ,

,;

#'

,,' ,""","," , "11"""""

. 1111"""",,,,,, III'/,-~,,,,,,,,,,,,,

I

...... ...

.1'.,11"""'''''''''''''' ",,,,,,,,,,.,, ~,-.,.",

............. ..

".,.~,,;~,.-,~..,.,

~

".-~-_

.,.

~""""';-"'---_

I...:::t-t............... ...........----, ..............--. . ~

i".'. "

"

...." "

\..'\\, ....

..... "

.... ",'

.... ""

J]Jj\¡\nHEE~

.""./

1\\\\\\"

1/

1\\\\\" \1 "" "" "

.,'" I

L -_ _~

, , \ \ \ \ \ , ,

""l Il \\\""""

\\ \\\'\"""'" \\\\\\"""" \

\\\\,\"""

(a)

(b)

FIGURA 14.10. Vectores de intensidad sonora medidos sobre dos planos cerca de un violonchelo que produce una nota con una frecuencia fundamental de 316 Hz. (a) En un plano sobre el eje; (b) en un plano que intersecciona el puente. (De acuerdo con H. Tachibana'o.)

Pérdida sonora por transmisión

El método normalizado para determinar la pérdida por transmisión (TL) de una partición en laboratorio, descrito en el Capítulo 31, requiere la colocación de una partición en un muro común entre dos cámaras reverberantes. La norma para mediciones de campo de particiones en edificios es la ASTM E336. Otra forma de medir la pérdida de transmisión del sonido in situ es utilizar las técnicas de intensidad sonora ll - 13 . Existen varias ventajas en el uso de la intensidad sonora para determinar la pérdida sonora por transmisión, entre ellas: (1) no se necesita calibrar la absorción sonora del espacio receptor, (2) es posible evaluar secciones individuales de una partición, (3) pueden detectarse escapes y (4) es posible cuantificar las vías de difracción lateral4 .

MEDIDA DE LA INTENSIDAD SONORA

..- -

-

- - - - -

-

14.19

Dirección de barrido - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Indicador de intensidad

FIGURA 14.11. Medida de la intensidad tangencial a la superficie de medición. El cambio de signo (a medida que la sonda pasa por el centro del barrido y el valor mínimo central) puede usarse para indicar la localización de la fuente. (De acuerdo con Rasmussert.)

REFERENCIAS 1. W. P. Waser y M. J. Crocker, <
2. 3.

4. 5. 6.

7. 8.

9. 10.

hod of determining sound intensity», Noise Control Engineering Joumal, vol. 22, n.o 3, 1984, p. 76. G. Rasmussen, «Intensity - its measurement and uses», Sound and Vibration, vol. 23, n.o 3, 1989, pp. 12-21. T. E. Reinhart y M. J. Crocker, «Source identification on a diesel engine using acoustic intensity measurements», Noise Control Engineering Joumal, vol. 18, n.o 3, 1982, p.84-92. F. J. Fahy, Sound intensity, Elsevier Applied Science, Nueva York, 1989. M. J. Crocker, «Direct measurement of sound intensity and practical applications in noise control engineering». Proceedings of INTER-NOISE, vol. 1, 1984, p. 21-36. P. V. Bruel, «Sound intensity and vibration energy f1ow», Proceedings of lntemational Congress on Recent Developments in Air and Structure Borne Sound and Vibration, M. J. Crocker (Ed.), Auburn University, Auburn, Ala., 6-8 marzo 1990, pp. 5-24. O. Bjor, «Sound intensity measurements in air and on the surface», 2nd lnternational Congress on Acoustic lntensity, Senlis, Francia, 1985, pp. 11-16. J. Buffa y M. J. Crocker, «Background noise effects on the measurement of sound power of smalI machines using sound intensity techniques», Noise Control Engineering Joumal, vol. 25, 1985, pp. 4-11. S. Gade, «Validity of intensity measurement», Proceedings of INTER-NOISE, vol. 2, 1984, p. 1077-1082. H. Tachibana, <
14.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ponés), Proceedings o[ the Second Symposium on Acoustic Intensity, Tokio, 1987, pp. 117-126. 11. M. J. Crocker, P. K. Raju y B. Forssen, «Measurement of transmission loss of panels by the direct determination of transmitted acoustic intensity», Noise Control Engineering Joumal, vol. 17, n.o 1, 1981, pp. 6-11. 12. Y. S. Wang y M. J. Crocker, «Direct determination of transmission loss of aircraft structures using the acoustic intensity approach», Noise Control Engineering Joumal, vol. 19, n.o 3,1982, pp. 80-85. 13. M. C. McGary y W. H. Mayes, «A new method for separating airborne and structureborne aircraft interior noise», Noise Control Engineering Joumal, vol. 20, 1983, pp. 21-30.

Capítulo

15

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO William w. Lang Matthew A. Nobile

INTRODUCCION La palabra norma tiene muchas connotaciones distintas. Cuando es empleada por las instituciones gubernamentales, una norma puede establecer los límites legales permisibles de la emisión de ruido y de los niveles de ruido ambiental. Algunas instituciones gubernamentales utilizan indistintamente las palabras norma y regulación para indicar una regla autoritaria que trata los detalles del procedimiento y posee la fuerza de la ley. La palabra norma también describe un procedimiento que se ha desarrollado mediante el consenso de las partes interesadas. Estas normas no están promulgadas por instituciones gubernamentales, sino por «cuerpos normativos» nacionales e internacionales. En particular, una norma de medida es un procedimiento prescrito para llevar a cabo una evaluación de tal manera que se obtengan resultados fiables, reproducibles, con un nivel especificado de precisión. Un código de ensayo es fundamentalmente una norma de medida aplicable a una clase o tipo específico de maquinaria o equipamiento. Las normas sobre ruido son importantes en cualquier programa de control del ruido. Este capítulo describe su selección y uso; también comenta la terminología, las aplicaciones de las normas de medida, las organizaciones responsables de ellas y cómo se han desarrollado. Una norma de ruido puede: (1) establecer un procedimiento uniforme para obtener datos sobre el nivel sonoro, (2) ayudar en la realización de evaluaciones cuantitativas sobre los efectos subjetivos del ruido en los seres humanos, o (3) prescribir criterios para niveles sonoros bajo distintas condiciones ambientales. Las cantidades (índices) que habitualmente se utilizan para describir la emisión de ruido de una fuente incluyen: (1) el nivel de presión sonora a una distancia especificada de la fuente, referido a 20 micropascales (expresado en decibelios); (2) el nivel de potencia sonora de la fuente, referido a 1 picovatio (expresado en decibelios 15.1

15.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

o belios), y (3) el nivel de intensidad sonora, referido a 1 picovatio por metro cuadrado (expresado en decibelios). El nivel de presión sonora es un descriptor relevante de la emisión de ruido de una fuente sólo si se indican la localización del punto de observación y la descripción del ambiente acústico. El nivel de presión sonora por sí solo no constituye una especificación suficiente, debido a que varía con la distancia entre la fuente y el observador, con el ambiente, o con ambos. El nivel de potencia sonora es un descriptor relevante de la emisión total de ruido de la fuente que no precisa de información adicional respecto a la distancia desde la fuente y la naturaleza del ambiente acústico; se debe indicar la directividad de la fuente. La potencia sonora emitida por ésta puede deducirse de las medidas de presión sonora mediante los métodos del Capítulo 13. En este caso, las medidas del nivel de presión sonora no deben tomarse en puntos alejados de la fuente, sino que deben tomarse a como máximo 1 metro para una máquina que emite ruido de banda ancha con tonos discretos prominentes. El nivel de intensidad sonora es una cantidad de importancia en las medidas de ruido como resultado de los avances en instrumentación y procesamiento digital de las señales. Es posible determinar la intensidad del sonido en una dirección determinada para un punto en el espacio, con un nivel relativamente alto de precisión, usando sondas de transductores e instrumentación asociada comercializada (véase Capítulo 14). Las medidas de intensidad son útiles para determinar el nivel de potencia sonora de las fuentes de ruido sin necesidad de usar cámaras o habitaciones especiales, y también para localizar y jerarquizar las fuentes de ruido.

TERMINOLOGIA SOBRE NORMAS Los códigos normativos del Tratado General sobre Tarifas y Comercio (GATI) incluyen las siguientes definiciones: Norma obligatoria: Una norma de cumplimiento obligatorio en virtud de la acción de una autoridad investida con el poder legal necesario. Norma voluntaria: Una norma que no hay obligación de cumplir ni legalmente ni de hecho. Norma internacional: Una norma preparada por una organización internacional de normas (ya sea gubernamental o no gubernamental). Organismo del gobierno central: Ministerio o departamento gubernamental u otra corporación sujeta al control del gobierno central. Organismo de normas voluntarias: Cualquier organización no gubernamental que prepara normas. Organismos de normas nacionales: Las organizaciones sobre normas con reconocimiento nacional que son (o pueden llegar a ser) miembros de organizaciones internacionales no gubernamentales sobre normas, como la International

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.3

Organization for Standardization (ISO) Yla International Electrotechnical Commission (lEC). Organismos internacionales de normalización: Cualquier organización internacional, gubernamental o no gubernamental, que prepara normas; p. ej., la ISO, la lEC, la International Organization of Legal Metrology (OIML) y la Organización Internacional de Aviación Civil (ICAO). Organismo regulador. Cualquier organismo del gobierno central o local que tiene el poder legal para imponer una norma obligatoria. Conformidad con una norma: El acuerdo entre la calidad real o propiedades de un producto y la calidad o propiedades especificadas en la norma relevante. Método de ensayo: Procedimientos técnicos y acciones que se precisan para determinar si un producto concreto cumple las normas relevantes.

APLICACIONES DE LAS NORMAS DE MEDIDA DEL RUIDO

La principal razón para utilizar una norma de medida del ruido es hacer que el receptor de los datos sepa, a través de frases como «medido de acuerdo con ... ,» que determinados aspectos del proceso de medida han sido plenamente considerados y que, como resultado, los datos satisfacen los requisitos mínimos especificados de ajuste y precisión. Normas para caracterizar fuentes de ruido y ambientes ruidosos

La mayoría de las medidas del ruido se llevan a cabo para caracterizar: (1) una fuente de ruido concreta o (2) el ruido de un ambiente concreto. Ejemplos de lo primero son la medida para determinar la potencia sonora irradiada por una máquina, su dirección o composición espectral, y ejemplos de lo segundo, las medidas para determinar el nivel de presión sonora en áreas residenciales alineadas cerca de una autopista o para determinar el nivel medio de ruido de fondo dentro de un auditorio de conferencias. Existen numerosas normas nacionales e internacionales relacionadas con ambos tipos de medidas. El uso de las normas relativas a la caracterización de la fuente de ruido incluye: 1. Asegurar la calidad del examen y el control. 2. Cumplimiento del control de los límites de emisión del ruido. 3. Jerarquizar las fuentes o componentes en términos de la potencia sonora emitida. 4. Determinar los límites estadísticos superiores para la declaración o etiquetado del ruido. 5. Comparar un producto con otro en términos de emisión de ruido. 6. Caracterizar el ruido con vistas al control técnico del mismo.

El uso de las normas relativas a la caracterización del ambiente incluye:

15.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1. Determinar los niveles de presión sonora dentro de espacios cerrados peque-

ños, como habitáculos de automóviles y cabinas de aviones. 2. Determinar los niveles de presión sonora dentro de espacios cerrados grandes, como oficinas, fábricas y residencias privadas. 3. Determinar y controlar los niveles sonoros medios exteriores, ponderados temporalmente, en comunidades residenciales o cerca de los aeropuertos. 4. Determinar la exposición al ruido laboral en los centros de trabajo. Requisitos legales relacionados con normas

Las regulaciones más importantes de la legislación federal de Estados Unidos son: El Acta de Control del Ruido de 1972 (véase Capítulo 51), que trata sobre normas relativas a la emisión de ruido; el Acta de Seguridad e Higiene en el Trabajo de 1970 (véase Capítulo 26), que prescribe los límites superiores de los niveles de ruido ambiental a que están expuestos los trabajadores, y el Acta Federal sobre aviación de 1958, que prescribe las normas sobre ruido relativas a las certificaciones de los aviones (véase Capítulo 53). Los requisitos del Acta de Control del Ruido de 1972 ya no son impuestos por la Environmental Protection Agency de Estados Unidos. La Occupational Safety and Health Administration (OSHA) del Departamento de Trabajo de Estados Unidos ha establecido los niveles de exposición máximos al ruido ambiental en el Acta de Seguridad e Higiene en el Trabajo de 1970. La Administración Federal de Aviación requiere que los nuevos tipos de aviones satisfagan los límites de ruido especificados en la Parte 36 (Apéndice C) de la Regulación Federal de Aviación para ruido de despegue, aproximación y lateral. Especificaciones de compra para maquinaria o equipamiento

La afirmación de que una pieza de equipamiento «debe cumplir los requisitos

OSHA», u otra parecida, carece de sentido. Actualmente, los requisitos de la OSHA establecen límites sobre la exposición al ruido de los trabajadores, no sobre la emisión de ruido de piezas concretas de equipamiento. Para asegurar el cumplimiento de estas normas, el comprador tiene que tener en cuenta el número de máquinas, la localización de los trabajadores con respecto a ellas y el ambiente acústico de la habitación en que se sitúan. Una especificación de ruido para maquinaria o equipamiento debe establecer un límite superior para la emisión de ruido de aquello que se va a comprar, tiene que describir cómo se realizaron las medidas para determinar el cumplimiento del límite y debe indicar los códigos de ensayo aplicables y cómo han de interpretarse los datos acústicos. La sección sobre emisión de ruido de una especificación de compra de una maquinaria o equipamiento ha de contener lo siguiente: 1. Propósito: Una declaración de que se imponen valores para los límites superiores de la emisión de ruido del equipamiento que se compra; asigna al fabricante la responsabilidad de suministrar equipamiento que satisfaga las especificaciones sobre ruido.

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.5

2. Amplitud: Una definición del equipamiento cubierto por los límites de emisión de ruido. 3. Instrumentación: Una especificación de los instrumentos que habrán de emplearse para determinar el cumplimiento, en términos de las normas nacionales o internacionales aplicables. 4. Requisitos de ensayo: Una descripción de las instalaciones de ensayo y ambientes precisos (interiores o exteriores); hay que informar de los niveles máximos permisibles de ruido ambiental cuando la máquina o equipamiento no esté funcionando. 5. Instalación y funcionamiento de una máquina: Una descripción de cómo hay que instalar el aparato y hacerlo funcionar durante el ensayo acústico. 6. Procedimientos de medida: Una descripción de las posiciones del micrófono precisas con respecto a la máquina sometida a examen, período de observación, medida del ruido de fondo y equipamiento de calibración. Para una máquina atendida por un operador, hay que dar la localización exacta de las posiciones de esta persona. 7. Procedimientos de cálculo: Un esquema detallado de los procedimientos de cálculo que hay que seguir para determinar si el equipamiento cumple con las especificaciones; p. ej., correcciones para ruido de fondo y para las condiciones ambientales del ensayo, aplicación de factores estadísticos (si hay), método para promediar los datos de nivel de presión sonora y/o método para calcular el nivel de potencia sonora (si hay que determinar esta cantidad). 8. Información a registrar y transmitir. Una descripción de la información que debe registrar el fabricante en el momento de los ensayos acústicos, así como de la información que hay que facilitar bajo los términos del acuerdo de compra. 9. Niveles permisibles de emisión de ruido: Máximos niveles de emisión de ruido permisibles para el equipamiento que se va a comprar, especificados en términos de niveles de potencia sonora o niveles de presión sonora. El nivel de potencia sonora es la cantidad que describe la emisión global de ruido desde la máquina hacia su entorno. Se expresa en decibelios o belios, estos últimos preferibles para expresar el nivel de potencia sonora con ponderación A. El nivel de presión sonora es la cantidad que describe el ruido en un punto concreto o posición del micréfono. Siempre se expresa en decibelios. Los niveles permisibles de emisión de ruido (potencia sonora o presión sonora) pueden especificarse como un número único (p. ej., un nivel con ponderación A), o como una serie de niveles de banda de octava o de tercio de octava. Siempre hay que especificar un requisito de emisión expresado en nivel de potencia sonora. Cuando la máquina o equipamiento es atendido por una persona, hay que presentar un requisito adicional especificando el nivel de presión sonora en la posición del operador. De forma alternativa, puede especificarse el nivel de presión sonora en una o más «posiciones de espectadores». Una declaración explícita debe indicar si los límites de ruido permisibles se aplican a una máquina concreta, una máquina media, o en el sentido estadístico de límites superiores para una partida de máquinas. Hay que incluir una cláusula para describir la acción que se llevaría a cabo si el equipamiento que se va a comprar superara los niveles de emisión de ruido permisibles.

15.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Un modelo de especificación de compra de equipamiento informático y de oficina. El 2 de julio de 1984, la Agencia Sueca para el Desarrollo Administrativo (Statskontoret) emitió la Norma Técnica 26:1, Ruido de equipamiento informático y de oficina; en esencia, la primera especificación de compra emitida por un organismo gubernamental sobre emisión de ruido. Aunque sólo es aplicable a los ordenadores y equipamiento de oficina, el documento es importante porque aporta un modelo para otros gobiernos nacionales y compañías individuales al trazar especificaciones de compra parecidas. La norma: (1) define claramente los procedimientos de medida, (2) especifica cómo «declarar» los valores de emisión de ruido del equipamiento, (3) presenta límites recomendados para la emisión de ruido en términos de niveles de potencia sonora con ponderación A en belios para varios productos en distintos ambientes (<
NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.7

PRINCIPALES ORGANIZACIONES RESPONSABLES DE LAS NORMAS SOBRE RUIDO

Las organizaciones no gubernamentales responsables del desarrollo y la promulgación de las normas sobre ruido incluyen el American National Standards Institute (ANSI), la International Organization lor Standardization (ISO) y la International Electrotechnical Commission (lEC).

American National Standards Institute (ANSI)

El American National Standards Institute (ANSI) es una federación voluntaria de organizaciones estadounidenses preocupada por el desarrollo de normas. ANSI aporta uno de los mecanismos reconocidos en Estados Unidos para el establecimiento de las Normas Nacionales Americanas. Este mecanismo requiere que todas las propuestas de norma sometidas a ANSI para su aprobación sean sujeto de un período de revisión y comentario público. El comité que los origina debe considerar y elaborar plenamente todos los comentarios. El Comité de Revisión de Normas (BSR) de ANSI determina entonces, sobre la base de la evidencia presentada, si existe un consenso nacional. De ser así, la norma se publica como Norma Nacional Americana. En relación con la acústica, ANSI cuenta con cuatro comités de normas acreditados: SI, sobre acústica; S2, sobre trauma mecánico y vibración; S3, sobre bioacústica, y S12, sobre ruido. La Acoustical Society 01 America (ASA) organiza las secretarías de los comités S y éstas se administran a través del comité de normas de la ASA (ASACOS). Las normas relacionadas con el ruido y su medida se desarrollan fundamentalmente en el Comité S12.

Comité S12. Antes de 1981, las normas acústicas relacionadas con el ruido y su medida se desarrollaban individual y conjuntamente por los Comités SI y S3, pero en esa fecha, esta función se a~\gnó a un nuevo comité acreditado por ANSI, S12, sobre ruido. Además de la preparación de las normas nacionales americanas, el Comité S12 también sirve como grupo asesor técnico (TAG) estadounidense para el comité ISOrrC43/SCI sobre ruido. El SI2 abarca: Normas, especificaciones y terminología en el ámbito del ruido acústico, con referencia a métodos de medición, evaluación y control, incluyendo seguridad biológica, tolerancia, bienestar y física acústica, en relación con el ruido ambiental y ocupacional.

Hay varios grupos que trabajan en el SI2 desarrollando normas y controlando asuntos relacionados con el ruido. En la Oficina de Normas de la Acoustical Society 01 America puede obtenerse una lista de éstos, su ámbito de trabajo y los nombres de las personas encargadas.

15.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Normas ANSI

Son numerosas las normas publicadas por los Comités S en relación con distintos aspectos de la acústica y la vibración y muchas más están en proceso de elaboración en los grupos de trabajo de los comités. La Acoustical Society 01 America publica regularmente un Catalog 01 Acoustical Standards (Catálogo de normas acústicas), que incluye listas y resúmenes de las normas disponibles, noticias sobre los cambios ocurridos desde la última publicación, ámbitos de los Comités S e información sobre ordenamiento. El catálogo y otras informaciones pueden obtenerse del Standards Secretariat, Acoustical Society 01 America, 335 East 45 Street, Nueva York, NY 10017. International Organization for Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (lEC)

La International Organization lor Standardization (ISO) es responsable del desarrollo de normas tecnológicas en todo el mundo, con la excepción de la tecnología eléctrica, de la que se ocupa la International Electrotechnical Commission (lEC). Las normas internacionales, que incluyen todos los aspectos del ruido, salvo la instrumentación, son responsabilidad del Comité Técnico 43 (Acústica) de ISO y de su Subcomité 1 (Ruido). Las normas internacionales relacionadas con los instrumentos para la medición del ruido están entre las responsabilidades del Comité Técnico 29 (Electro-Acústica) del lEC y su Subcomité 29C sobre Aparatos de Medida. Los miembros de ISO son los organismos de normalización nacionales más representativos de sus países. Las entidades correspondientes para el lEC son los Comités Nacionales. Sólo es aceptado un organismo por país. ISO e lEC han tomado medidas para consolidar los procedimientos que se usan en el desarrollo de normas internacionales. La ISO asigna la responsabilidad de preparar normas sobre ruido al comité ISOI TC43/SC1 (Ruido). que distribuye las actividades implicadas entre sus grupos de trabajo. Cualquiera de las corporaciones miembro puede formar parte de cualquiera de los comités o subcomités. De acuerdo con los procedimientos ISO, quienes deseen tomar parte activa son designados Miembros P (Participantes), en tanto que quienes sólo desean mantenerse informados sobre el trabajo se designan Miembros O (Observadores). Se designa a uno de los Miembros P para que coordine la secretaría del comité o subcomité técnico. La Asociación Danesa de Normalización mantiene la secretaría del comité ISOITC43/SC1 (Ruido). Gran parte del trabajo de los comités técnicos es llevado a cabo por correo, y la secretaría juega un papel central. Se organizan reuniones plenarias de un comité o subcomité técnico cuando hay suficientes asuntos que la justifiquen; suelen tenerlugar en intervalos de año y medio. A las reuniones plenarias acuden los delegados acreditados, autorizados a votar sobre cualquier asunto incluido en el orden del día, que ha circulado entre los Organismos Miembros con varios meses de antelación. El primer paso hacia el establecimiento de una norma internacional es una propuesta de borrador. La propuesta puede partir de un único Organismo Miembro o de un grupo de trabajo al que la secretaría haya asignado la tarea. Los miembros de los grupos de trabajo actúan de acuerdo con su capacidad personal y no como re-

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.9

presentantes de sus instituciones. Sin embargo, se espera de ellos que contribuyan con puntos de vista nacionales a las actividades del grupo de trabajo y que urjan, en la medida de lo posible, a que sus propias normas nacionales sean consideradas y utilizadas. La secretaría prepara un borrador de la propuesta y lo hace circular entre los Organismos Miembros para que lo comenten. En respuesta a los comentarios recibidos, se prepara un borrador revisado. Entonces se pide a las Organismos Miembros, en una reunión plenaria o mediante voto por correo, que autoricen a la Secretaría Central de Ginebra la circulación del documento como borrador de norma internacional ISO. Si la mayoría de los organismos vota afirmativamente, la propuesta se imprime de forma casi definitiva y se distribuye para un voto final por correo. Si se reciben votos afirmativos de al menos el 75 por 100 de los Organismos Miembros de ISO que hayan votado, la norma se somete a la aprobación del Consejo de la ISO. Utilizando los criterios correspondientes al Comité de Revisión de Normas de la ANSI, el Consejo decide si la propuesta puede aceptarse para publicación como Norma Internacional. Varios comités técnicos lEC/ISO están relacionados con el ruido, específicamente con el ruido generado por maquinaria y equipamiento, incluyendo automóviles, aviones, motores de combustión interna, compresores de aire, ventiladores y aparatos de aire acondicionado y electrodomésticos. El ISOrrC43 y su Subcomité Sl son los únicos responsables de la formulación de métodos de medición y de sistemas de evaluación del ruido emitido por distintas fuentes, así como de los efectos del ruido sobre los seres humanos. Las Normas Internacionales son de naturaleza voluntaria. Los Organismos Miembros no están obligadas a adoptar las Normas Internacionales como normas nacionales. Pero muchos lo hacen, sobre todo en países donde no existen las normas nacionales correspondientes. Todos los Organismos Miembros tienen la obligación de no mantener o adoptar una norma nacional que entre en conflicto con una Norma Internacional que el Organismo Miembro haya aprobado. Otras organizaciones relacionadas con las normas sobre ruido

Otras organizaciones relacionadas con normas sobre ruido incluyen la Comisión de las Comunidades Europeas (Unión Europea), la lnternational Organization of Legal Metrology (OIML) y el Tratado General sobre Tarifas y Comercio (GATI). El Comité sobre Ruido Aéreo (CAN) de la Organización Internacional de Aviación Civil (ICAO), con una fuerte implicación de la Unión Europea, se ocupa de la normativa internacional referente al ruido de las aeronaves. El Departamento de Transportes estadounidense es responsable de las relaciones de EE. UU. con la ICAO.

15.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

DIRECTORIO DE ORGANIZACIONES Organizaciones internacionales

ISO - Intemational Organization for Standardization, 1, rue de Varembé, Case Postale 56, CH-1211 Ginebra 20, Suiza lEC - Intemational Electrotechnical Commission, 3, rue de Varembé, Case Postale 131, CH-1211 Ginebra 20, Suiza

Organizaciones estadounidenses

AABC - Associated Air Balance Council, 1518 K Street, NW, Washington OC 20005 ABMA - American Boiler Manufacturers Association, 950 North Glebe, Arlington, VA 22203 AOC - Air Oiffusion Council, 230 North Michigan, No. 1200, Chicago, IL 60601 AFBMA - Anti Friction Bearing Manufacturers Association, 1101 Connecticut Ave., NW, Washington, OC 20036 AGMA - American Gear Manufacturers Association, 1500 King Street, No. 201, Alexandria, VA 22314 AHAM - Association of Home Appliance Manufacturers, 20 North Wacker Orive, Chicago, IL 60606 AISE - Association of Iron and Steel Engineers, 3 Gateway Center, Suite 2350, Pittsburgh, PA 15222 AMCA - Air Movement and Control Association, 30 West University Orive, Arlington Heights, IL 60004 ANS - American Nuclear Society, 555 North Kensigton, LaGrange Park, IL 60525 ANSI - American National Standards Institute, 1430 Bradway, Nueva York, NY 10018 API - American Petroleum Institute, 2101 L Street, NW, Washington, OC 20037 ARI - Air-conditioning and Refrigeration Institute, 1501 Wilson Boulevard, Arlington, VA 22209 ASA - Acoustical Society of America, 335 East 45 Street, Nueva York, NY 10017 ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, 1791 Tullie Circle, NE, Atlanta, GA 30329 AS ME - American Society of Mechanical Engineers, 345 East 47 Street, Nueva York, NY 10017

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.11

ASQC - American Society for Quality Control, 230 West Wells Street, Milwaukee, W1 53203 ASTM - American Society for Testing and Materials, 1916 Race Street, Filadelfia, PA 19103 ATMA - American Textile Manufacturers Association, 1730 M Street, NW, Washington, DC 20036 AWS - American Welding Society, 2501 NW 7th Street, Miami, FL 33125 CAGI - Compressed Air and Gas Institute, 1230 Keith Building, Cleveland, OH 44115 EIA - Electronic Industries Association, 2001 Eye Street, NW, Washington, DC 20006 HFS - Human Factors Society, Box 1369, Santa Mónica, CA 90406 HI - Hydraulic Institute, 712 Lakewood Center North, 14600 Detroit Avenue, Cleveland, OH 44107 HVI - Home Ventilating Institute, 4300 Lincoln Avenue, Rolling Meadows, IL 60008

IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers, 345 East 47 Street, Nueva York, NY 10017 lES - Institute of Environmental Sciences, 940 East Northwest Highway, Mout Prospect, IL 60056 lES - Illumination Engineering Society, 345 East 47 Street, Nueva York, NY 10017 IHF - Institute of High Fidelity, 489 Fifth Avenue, Nueva York, NY 10017 IN CE - Institute of Noise Control Engineering, Box 3206, Arlington Branch, Poughkeepsie, NY 12603 ISA - Instrument Society of America, 67 Alexander Drive, Box 12277, Research Triangle Park, NC 22709 ISDI - Insulated Steel Door Systems Institute, 712 Lakewood center North, Cleveland, OH 44107 NEBB - National Environ'mental Balancing Bureau, 8224 Old Courthouse Road, Vienna, VA 22180 NEMA - National Electrical Manufacturers Association, 2101 L Street, NW, Suite 300, Washington, DC 20037 NFPA - National Fluid Power Association, 3333 North Mayfair Road, Suite 311, Milwaukee, WI 53222 NMTBA - National Machine Tool Builders Association, 7901 Westpark Drive, McLean, VA 22101 PPIC - Plumbing and Piping Industry Council, Inc., 501 Shatto Place, Suite 402, Los Angeles, CA 90020 RTCA - Radio Technical Commission for Aeronautics, e/o Avionics, 7811 Montrose Road, Potomac, MD 20854

15.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

SAE - Society of Automotive Engineers, 400 Commonwealth Drive, Warrendale, P A 15096 - 0001 SPI - Society ofPlastics Industry, Inc., 355 Lexington Avenue, Nueva York, NY 10017 UL - Underwriters Laboratories, 3333 Pfingsten Road, Northbrook, IL 60062

Organizaciones nacionales no estadounidenses

Alemania, República Federal de: DIN Deutsches Institut für Normung, Burggrafenstrasse 6, Postchaf 1107, D - 1000 Berlin 30 Arabia Saudí: Saudi Arabian Standards Organization, P.O. Box 3437, Riyadh11471 Argentina: Instituto Argentino de Racionalización de Materiales, Chile 1192, 1098 Buenos Aires Australia: Standards Association of Australia, Standards House, 80-86 Arthur Street, P.O. Box 458, North Sidney, N.S.W. 2059 Austria: Osterreichisches Normunginstitüt, Heinestrasse 38, Postchaf 130, A1021, Wien Bélgica: Institut Beige de Normalisation, Av. de la Bruxelles

Braban~onne,

29, B-1040,

Brasil: Associa~ao Brasileira de Normas Técnicas, Av. 13 de Maio, no. 13-28 andar, Caixa Postal 1680, CEP: 20.003, Rio de Janeiro - RJ Bulgaria: Comité de la Qualité aupres du Conseil des Ministres, 21, rue du 6 Septembre, 1000 Sofia Canadá: Standards Council of Canada, 350 Sparks Street, Suite 1200, Ottawa, Ontario, KIP 6N7 Checoslovaquia: Urad pro Normalizaci a Méreni, Václavské námesti 19,11347 Praha 1 China: China State Bureau of Technical Supervision, P.O. Box 2112, Beijing Dinamarca: Dansk Standardiseringsraad, Aurehojvej 12, DK - 2900 Hellerup España: Asociación Española de Normalización y Certificación, calle Femández de la Hoz, 52, 28010 Madrid Finlandia: Suomen Standardisoimisliitto SFS, P.O. Box 205, SF - 00121, Helsinki Francia: Association Fran~aise de Normalisation, Tour Europe, Cedex 7,92080 Paris - La Defense Grecia: Hellenic Organization for Standardization, Didotou 15, GR - 106 80 Athens Hungría: Magyar Szabványügyi Hivatal, 1450 Budapest 9, Pf. 24. India: Bureau of Indian Standards, Manak Bhavan, 9 Bahadur Shah Zafar Marg, New Delhi 110002

NORMAS DE MEDIDA Y CODIGOS DE ENSAYO

15.13

Irlanda: National Standards Authority of Ireland, Glasnevin, Dublin 9 Italia: Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Piazza Armando Diaz 2, I 20123 Milano Japón: Japanese Industrial Standard Committee, c/o Standards Department, Agency of Industrial Science and Technology, Ministry of Intemational Trade and Industry, 1-3-1, Kasumigaseki, Chiyoda-ku, Tokyo 100 Méjico: Dirección General de Normas, calle Puente de Tecamachalco, n.o 6, Lomas de Tecamachalco, Sección Fuentes, Naucalpán de Juárez, 53950 Méjico Noruega: Norges Standardiseringsforbund, Postboks 7020 Homansbyen, N - 0306 Oslo 3 Países Bajos: Nederlands Nomalisatic-institut, Kalfjeslaan 2, P.O. Box 5059, 2600 GB Delft Polonia: Polish Committee for Standardization, Measures and Quality Control, Ul, Elektoralma 2, 00-139 Warszawa Portugal: Instituto Portugues da Qualidade, Rua Jose Esteváo, 83-A, 1199 Lisboa Codex Reino Unido: British Standards Institution, 2 Park Street, London WIA 2BS Rusia: State Committee for Standards, Leninsky Prospekt 9, Moskva 117049 Sudáfrica, República de: South African Bureau of Standards, Private Bag X 191, Pretoria 0001 Suecia: SIS - Standardiseringskommissionen i Sverige, Box 3 295, S-103 66, Stockholm Suiza: Swiss Association for Standardization, Kirchenweg 4, Postchaf, 8032 Zurich Yugoslavia: Svezni zavod za standardizaciju, Slobodana Pwenezica- Krcuna br. 35, Post. Pregr. 933, 11000 Beograd

CaD/GaS DE ENSA YO Relaciones entre normas básicas y códigos de ensayo

Una norma básica incluye información sobre los procedimientos generales para hacer medidas y evaluaciones. Un código de ensayo (usando una o más normas básicas como referencia) especifica el procedimiento para la medida del ruido y la evaluación de un tipo específico de máquina o pieza de equipamiento de una instalación concreta. Los códigos de ensayo en el campo del ruido están preparados por asociaciones comerciales, sociedades técnicas, organizaciones industriales y otros grupos que tienen experiencia en el diseño, fabricación, instalación y funcionamiento del equipamiento particular para el que es aplicable el código de ensayo.

15.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Directrices para preparar códigos de ensayo

El American National Standards Institute ha desarrollado directrices para la preparación de normas y códigos de ensayo: ANSI S12.1-1983, American National Standard for the preparation of standard procedures for the determination of noise emission from sources. Esencialmente, un código de ensayo debe: 1. Manifestar si la emisión de ruido ha de expresarse en términos del nivel de

2. 3.

4. 5.

6.

potencia sonora de la fuente o en términos del nivel de presión sonora en posiciones especificadas. Limitar la amplitud del código de ensayo, si es posible, a una clase o tipo de máquina. Exigir condiciones ambientales de laboratorio para todas las medidas (las únicas excepciones debieran ser el equipamiento que sea demasiado grande para los espacios disponibles en el laboratorio o que no puede moverse de sus instalaciones, ya sea en interiores o exteriores). Describir la precisión estimada de las medidas. Describir el funcionamiento de la fuente, dado que los niveles de presión sonora en las proximidades de la misma dependen de forma crítica del apoyo o condiciones de montaje (que deben describirse en detalle) y de las condicio~ nes de funcionamiento (por ejemplo, bajo una carga especificada, a carga completa, sin carga, con carga simulada, o bajo condiciones de funcionamiento que corresponden a la generación máxima de sonido). Atenerse a una norma básica, cuyo uso Uunto con el código de ensayo) es obligatorio.

Capítulo

16

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION HABLADA Harry Levitt John c. Webster INTRODUCCION

Este capítulo comenta los efectos del ruido y la reverberación sobre el habla como medio de comunicación. Una de las consecuencias más serias del ruido es que nos impide comprender lo que dicen otras personas cuando nos hablan directamente (cara a cara), por teléfono, o a través de sistemas públicos de comunicación. La comprensión de las palabras habladas se define aquí como inteligibilidad; no se incluyen bajo este término la identificación del hablante o de las emociones a partir del sonido de su voz. Los factores que afectan principalmente a la inteligibilidad del habla son el espectro y la estructura temporal del habla y del ruido, la cantidad de reverberación, el nivel de la voz del hablante;1a distancia entre hablante y oyente y la familiaridad de este último con las palabras que emplee quien habla. También son importantes los factores lingüísticos y pragmáticos. Estos incluyen consideraciones tales como la redundancia del mensaje que hay que entender, el contexto en que se produce, los dialectos de hablante y oyente, la tasa de habla, la claridad de la articulación y de cómo altera el hablante sus hábitos verbales en presencia del ruido. Incluso el estado emocional o el grado de estrés del hablante producen cambios en su conducta verbal y, por tanto, cambios en la inteligibilidad del habla. La inteligibilidad puede medirse directamente. También puede predecirse a partir de medidas físicas del habla y del ruido y/o la reverberación. Este capítulo describe las características físicas del habla pertinentes para la inteligibilidad, los métodos para medirla, la eficacia del ruido y la reverberación para reducirla y los métodos para predecir la inteligibilidad del habla a partir de medidas físicas del habla, ruido y reverberación. 16.1

16.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

NIVELES MEDIOS Y ESPECTROS DE LA COMUNICACION HABLADA Al hablar, una persona genera ondas sonoras complejas continuamente cambiantes. Los sonidos del habla varían ampliamente tanto en nivel de presión sonora global como en contenido de frecuencias en función del tiempo. Más aún, la frecuencia de ocurrencia de los sonidos del habla varía ampliamente a lo largo de un discurso continuado. Este apartado considera las medias a largo plazo de los espectros del habla (aquí, una «media a largo plazo» indica un tiempo medio de 10 segundos o más). La Figura 16.1 muestra el espectro en bandas de un tercio de octava para el inglés hablado por adultos, hombres y mujeres, para cinco niveles de esfuerzo vocal, conversación casual, normal, elevado, alto y a gritos!. El espectro del habla fue medido a 1 metro de distancia desde los labios del hablante. A los niveles de voz casual, normal y elevado, la banda de tercio de octava centrada en 500 Hz muestra la mayor concentración de potencia del habla. Para el mayor esfuerzo vocal (a gritos), este máximo cambia hacia el tercio de octava de 1250 Hz para hablantes masculinos, y entre 1250 y 1600 Hz para hablantes femeninos. La voz masculina es más potente, de media, que la femenina para el mismo esfuerzo vocal. También existen diferencias entre hombres y mujeres en cuanto a la forma del espectro; una vez ajustadas las diferencias en nivel sonoro global, el espectro femenino posee sustancialmente menos potencia a frecuencias por debajo de 200 Hz y ligeramente mayor potencia en las frecuencias altas. Aunque existen diferencias individuales entre los hablantes en el nivel general y la forma del espectro del habla, las curvas aquí presentadas se han obtenido promediando los resultados correspondientes a un gran número de hablantes. La Tabla 16.1 presenta los valores medios del nivel sonoro del habla con ponderación A para varios esfuerzos vocales. Los términos descriptivos que identifican estos esfuerzos vocales no son precisos. Por ejemplo, lo que es un nivel de habla «normal» bajo unas condiciones puede ser anormalmente alto o bajo en otras circunstancias. Las diferencias individuales son grandes y el nivel de ruido de fondo, la reverberación de la habitación y muchos otros factores influyen sobre este nivel normal. Sin embargo, cuando reciben instrucciones de hablar con un nivel «normal» de voz, los niveles sonoros con ponderación A, a una distancia de 1 metro del hablante, suelen estar entre 50 y 65 dB(A) para la mayoría de los hablantes en la mayoría de las situaciones. El nivel sonoro medio con ponderación A, a 1 metro de distancia, en condiciones de silencio, es de 58 dB(A) para hombres y 55 dB(A) para mujeres. El rango medio de niveles sonoros con ponderación A varía desde 50 dB(A), para el habla producida a un nivel bajo de voz adecuado para una conversación casual, hasta 88 dB(A) para el habla a gritos.

Relaciones entre la comunicación hablada y el ruido.

El esfuerzo vocal del hablante también se ve afectado por el ruido ambiental. Con niveles de ruido ambiental por encima de 50 dB(A), una persona con audición normal suele elevar la voz. De media, los niveles vocales se elevan aproximadamente de 3 a 6 dB por cada 10 dB de aumento en el nivel sonoro por encima de 50 dB(A). Si, como en una clase, es importante comprender todo lo que dice el hablante, el nivel de la voz puede elevarse hasta 10 dB por cada 10 dB de aumento en el nivel de ruido. Una consecuencia im-

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

80

o

70


//

al,c( UJ>

o~

60

OUJ

Zo go 50 ozu a:: _UJ cntUJ

fE:;,z

HOJBRE

-- . .

40

: ~ i/~. /

t"-'!/

-

~ ,

" " "

,

. / ' 1-,

,/

-- i'

~ ,,' ,

'-

> Z

--

-

,

~

--""'

.

~ -, ,

f- - ' " ~

.

1\

'-,'\

UJUJ

00 -' UJ

..

,

z


, '.

---- -


16.3

--/

~

A GRITOS ALTO ELEVADO

i'

,

1",

r- -::-.:.....

30

NORMAL CASUAL

~

20 125 200 315 500 800 125020003150 5000 8000 160 250 400 630 1000 1600 2500 40006300 10000 FRECUENCIAS CENTRALES DE BANDAS DE TERCIO DE OCTAVA (a)

80

-- --, ,

,,

,

HOJBRE '-

--..

~

- - -" '''''-

W

) <. -- -

¡Ji Jl'

20

'

/-

VI

A GRITOS

""'. ~

1---,

" r-- - -

"" '"- f" , 1"--/ " '" ' - -

-..

---..

ALTO ELEVADO NORMAL CASUAL

1--'

----

~

125 200 315 500 800 125020003150 50008000 160 250 400 6301000 160025004000630010000 FRECUENCIAS CENTRALES DE BANDAS DE TERCIO DE OCTAVA (b)

FIGURA 16.1. (a) Media del espectro del habla a largo plazo medido en tercios de octava para cinco niveles de esfuerzo vocal (casual, normal, elevado, alto, a gritos) para hablantes masculinos adultos; (b) los datos correspondientes a las hablantes adultas femeninas. Los niveles de voz fueron medidos en campo abierto a una distancia de 1 metro del hablante. (De la Referencia 1.)

portante de este efecto de la comunicación cara a cara es que, dado que la voz se eleva a medida que aumenta el nivel de ruido, el rango de las relaciones habla-ruido encontradas en la comunicación cotidiana es relativamente pequeño. Las relaciones

16.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 16.1. Media de niveles sonoros del habla con ponderación A (medias a largo plazo) para distintos esfuerzos vocales, en condiciones de silencio a la distancia de 1 metro en campo abierto Esfuerzo vocal Casual Normal Elevado Alto A gritos

Hombre, dB(A)

Mujer, dB(A)

53 58 65 75 88

50 55 62 71

82

habla-ruido suelen expresarse habitualmente como [(nivel del habla) - (nivel del ruido)] en decibelios. Las personas suelen mantener una relación habla-ruido de aproximadamente 5 a 8 dB cuando conversan fuera de casa, y de aproximadamente 9 a 14 dB cuando conversan en casa, donde generalmente los niveles de ruido son más bajos1; cuando se está viendo (escuchando) la televisión en casa, se mantiene una proporción habla-ruido del orden de 15 dB. La mayoría de las personas con audición normal puede comunicarse razonablemente bien con relaciones habla-ruido de aproximadamente 7 a 11 dB, pero personas con limitaciones auditivas incluso leves tienen mucha más dificultad para comprender el habla en estas condiciones. Esto también es cierto, en menor medida, para personas con audición normal de edad avanzada (p. ej., por encima de los 70 años).

CARACTERISTICAS TEMPORALES DEL HABLA Las características temporales del habla pueden clasificarse en tres grandes grupos: (1) la variación con el tiempo de la presión instantánea, (2) los cambios a corto plazo de la amplitud de estas variaciones instantáneas de presión y (3) las variaciones de amplitud a largo plazo. Las variaciones en el tiempo de la presión instantánea (o voltaje instantáneo, si la señal acústica ha sido convertida a formato eléctrico) se conocen como forma de onda del habla. Conceptualmente, es adecuado pensar en la forma de onda del habla como la suma de una serie de ondas sinusoidales, en que los componentes de alta frecuencia se oyen como sonidos de tonos altos y, por el contrario, los componentes de baja frecuencia se oyen como sonidos de tonos bajos. La amplitud de la forma de onda del habla también cambia con el tiempo. La Figura 16.2 muestra una forma de onda del habla típica. Se ha elegido una escala temporal relativamente burda para que las variaciones temporales de la presión instantánea no sean visibles, en tanto que las variaciones en amplitud de la presión de las ondas resulten evidentes. Estas variaciones en amplitud a corto plazo muestran los principales máximos, aproximadamente, a los 100,300,600,850 Y 1100 milisegundos. Estos máximos reflejan la estructura silábica del habla y se producen a una media de unos tres por segundo. Para el habla producida en un ambiente silencioso y

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.5

0,1

o

~,1+--T--.--.--r-.--.--.--.--.--.--.-~

O

200

400

600

800

1000

1200

Tiempo (mseg)

FIGURA 16.2. Una forma de onda del habla típica mostrando la presión sonora instantánea en función del tiempo. La resolución de la escala temporal es tal que la onda en sí no puede verse en detalle, pero las variaciones de amplitud en la presión instantánea son claramente visibles en función del tiempo, a una distancia de 1 metro.

no reverberante, hay muy poca energía en las zonas valle entre máximos. La diferencia de nivel entre un máximo del habla y la zona valle posterior se conoce como profundidad de la modulación. El ruido de fondo y/o la reverberación reducirán la profundidad de la modulación, ya que la energía en las zonas valle aumentará debido al ruido o la energía reverberante. Las variaciones de amplitud a largo plazo reflejan los cambios en el nivel global del habla, tal y como puede ocurrir cuando una persona eleva su voz o cuando se ajusta el control de ganancia en un sistema de megafonía público. La medida de las variaciones de amplitud a largo plazo precisa que se promedie la señal hablada a lo largo de un período de tiempo relativamente largo, como un segundo o más. También es práctica habitual en l~s medidas a largo plazo de la amplitud del habla que se especifiquen en términos de niveles de presión sonora.

PRUEBAS DE INTELIGIBILIDAD El procedimiento conocido como prueba de inteligibilidad del habla suele emplearse para determinar en qué medida puede entenderse esta última en un ambiente ruidoso y/o reverberante o mediante un sistema de comunicación determinado. Una prueba de inteligibilidad del habla mide la proporción de los elementos del habla que se examinan, tales como palabras o sílabas, que son oídas correctamente. En la prueba típica, se presenta al oyente un conjunto especificado de sílabas, palabras, frases o sentencias. El oyente responde identificando el «material de exa-

16.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

men», ya sea repitiendo o escribiendo lo que oye o marcando las respuestas en una lista de posibles alternativas. Para pruebas más precisas, se emplean grabaciones normalizadas. También puede emplearse el examen de viva voz, pero este formato introduce una fuente adicional de variabilidad: las diferencias individuales entre los hablantes. En el examen de viva voz (como cuando se prueba un auditorio), se turnan varios hablantes con el fin de obtener un valor medio. Existen pruebas normalizadas para evaluar la inteligibilidad, que contienen detalles acerca del procedimiento de examen, los contenidos, la selección de los sujetos y su entrenamiento, los niveles de los hablantes y oyentes y su medida, y el informe de los resultados2-11 • Habitualmente se emplean tres tipos de material de examen: sílabas sin sentido, palabras monosilábicas y frases. (Se emplean otros tipos de materiales para aplicaciones especiales; por ejemplo, palabras bisilábicas en que ambas sílabas estén acentuadas, tales como airplane, baseball [aeroplano, béisbol], se utilizan en audiología para medir el umbral de recepción del habla.) En las pruebas de inteligibilidad, suelen utilizarse dos tipos de formato de examen. En una prueba con un conjunto cerrado de respuestas, al oyente se le presentan un número finito de alternativas y tiene que elegir entre ellas la respuesta correcta. En una prueba de rima modificadti, el elemento a examen puede ser bat, el conjunto de posibles respuestas, bat, bad, back, bass, ban y bath·. La primera de las seis alternativas posibles es la respuesta correcta. Las demás difieren de la correcta de forma sistemática. En este ejemplo, las alternativas sólo se diferencian de la palabra a examen en la última consonante. En una prueba con conjunto abierto de respuestas, el oyente puede elegir libremente una respuesta a partir de su conocimiento del lenguaje. Un examen de este tipo, ampliamente utilizado, presenta un listado de palabras monosilábicas equilibradas fonéticamente, es decir, la frecuencia de ocurrencia de los distintos sonidos en cada palabra de la lista es representativa de su frecuencia de ocurrencia en el habla cotidiana. Cuando se presenta una palabra de la lista, el oyente puede seleccionar cualquier palabra monosilábica del idioma como respuesta correcta. Ejemplos de listas de palabras equilibradas fonéticamente aparecen en las Referencias 2, 3, 8 y 9. Los «Procedimientos nacionales estadounidenses normalizados para medir la inteligibilidad del habla» (American national standard procedures for measuring of speech intelligibility)9 describen los siguientes métodos de examen: (1) una técnica de respuesta abierta, empleando listas de palabras fonéticamente equilibradas, y (2) dos técnicas de conjunto cerrado de respuestas, basadas en la prueba de la rima modificada4 y la prueba de rima diagnóstica6 • Las sílabas sin sentido (como conjunto abierto o cerrado de respuestas) y el conjunto cerrado de listas de palabras suelen emplearse para obtener información analítica sobre un sistema lingüístico de comunicación; p. ej., qué sonidos tienen mayor probabilidad de ser escuchados incorrectamente y su patrón de confusiones. Los conjuntos abiertos de respuestas suelen utilizarse para medir el rendimiento comunicativo; p. ej., la habilidad para comunicarse en un ambiente ruidoso. Las pruebas que utilizan frases como material de examen suelen emplear el for-

* baza.

N. del T.: En español podrían utilizarse por ejemplo los términos bata. baba, vaca, vaga, bala y

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.7

mato de respuesta abierta. El sujeto repite o escribe lo que ha oído. La puntuación de inteligibilidad se obtiene mediante el porcentaje de palabras identificadas correctamente. Una práctica habitual es puntuar únicamente las palabras de contenido y excluir las palabras de función, tales como artículos, preposiciones y conjunciones. Dos listas normalizadas de frases frecuentemente usadas son: (1) las listas PAL fonéticamente equilibradas2 •8 y (2) las frases CHABA-CID del habla cotidianas. Otro tipo de prueba que utiliza materiales con longitud de frase es la de habla en ruido, en la cual sólo puntúa la última palabra de la frase 10•1l • Las palabras objeto de examen son de dos tipos, aquéllas con alta probabilidad de ocurrencia en el contexto de la frase y aquéllas con baja probabilidad. La diferencia de puntuación entre palabras con alta y baja probabilidad aporta una medida del efecto del contexto de la frase sobre la inteligibilidad.

EFECTOS DEL RUIDO SOBRE LA INTELIGIBILIDAD DEL HABLA La inteligibilidad del habla se reduce mediante el ruido de fondo. La magnitud de esta reducción depende de las características espectrales y temporales del ruido y del habla, la estructura lingüística de ésta, las expectativas del oyente acerca de qué es más probable que se diga, si están o no disponibles claves visuales (lectura de labios) y otros factores 12-14 • La Figura 16.3 muestra el efecto del ruido sobre la inteligibilidad del habla con tres tipos de materiales de examen. Se muestran los datos para los siguientes materiales: sílabas sin sentido, listas de palabras monosilábicas fonéticamente equilibradas y listas de frases fonéticamente equilibradas. Nótese 100

o « o

::J

/

/

80

I

Cii

(3 ::J w

1~

I I

Sílabas sin sentido

60

w

o

w -,

40

~

Z

w u a: O

20

~

O

-1,2

-5

-4

O

4

8

RELACION HABLA-RUIDO (dB)

FIGURA 16.3. Inteligibilidad de distintos tipos de materiales de examen en presencia de ruido. La inteligibilidad del habla se muestra como una función de la relación habla-ruido para frases, palabras monosilábicas y sílabas sin sentido. Estas curvas son aproximadas y dependen de las condiciones de examen, tamaño del vocabulario y de cómo se especifica el nivel del habla.

16.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que la inteligibilidad aumenta a medida que las unidades lingüísticas son mayores, ya que el oyente puede emplear su conocimiento del lenguaje (p. ej., estructuras fonética, morfémica y sintáctica), así como el conocimiento del tema que se esté tratando para entender lo dicho. De la misma manera, al aumentar la probabilidad de la palabra empleada (p. ej., reduciendo el tamaño del vocabulario a examen), aumenta la puntuación de inteligibilidad obtenida. La Figura 16.4 muestra el aumento de la inteligibilidad a medida que se reduce el vocabulario sistemáticamente de 128 a 8 palabras 12•13 • La Figura 16.5 ilustra el efecto de las claves visuales sobre la inteligibilidad. Las funciones de intensidad del rendimiento que aparecen en esta figura han de compararse con las de la Figura 16.4 para vocabularios del mismo tamaño. Las claves visuales tienen mayor efecto para relaciones bajas de habla-ruido, ya que, bajo estas condiciones, el oyente tiene menos claves acústicas disponibles.

EFECTOS DE LA REVERBERACION SOBRE LA INTELIGIBILIDAD DEL HABLA Los efectos de la reverberación sobre la inteligibilidad del habla se muestran en la Figura 16.6. La curva superior muestra la degradación de la inteligibilidad al aumentar el tiempo de reverberación en un ambiente silencioso (relación habla-ruido > 30 dB). Las tres curvas inferiores muestran el efecto de la reverberación para el habla en ruido, decreciendo la relación de habla-ruido sistemáticamente desde +3 dB hasta -3 dB 15 •16 • Las curvas son casi paralelas, lo cual indica que, en cuanto a reducir el porcen-

(/)

~

u ~

a:

80

o u

(/)

~ al

60

:3 ~

~

64 Y 128 palabras

40

- - - - - - -.- - - - - - - - r - - - - - --

...., ~

UJ

zUJ

u

20 -

a:

oo.. -24

-18

-12

-6

o

6

RELACION HABLA-RUIDO (dB)

FIGURA 16.4. Inteligibilidad del habla con ruido para vocabularios a examen de distintos tamaños. Se muestra el porcentaje de inteligibilidad de las palabras como función de la relación habla-ruido para vocabularios de 8, 16, 32 Y 128 palabras. Sólo hubo disponibles claves auditivas. (Las curvas se basan sobre datos de la Ref. 13.)

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.9

en

~

u UJ a: a: O

u

~

a:

64

al

~ ~ UJ o

60b-~--~--~~----~----~----r---~

..., UJ

~

zUJ

u a:

¡r

40

-30

-24

-18

-12

-6

o

6

RELACION HABLA-RUIDO EN dB

FIGURA 16.5. Efecto de las claves visuales sobre la inteligibilidad del habla. Los datos muestran la inteligibilidad del habla bajo condiciones de presentación auditiva y observación visual simultánea de los movimientos faciales de un hablante. Al igual que en la Figura 16.4, la inteligibilidad del habla se muestra como función de la relación habla-ruido para vocabularios de 8, 16,32,64 Y 128 palabras. (Las curvas se basan sobre datos de la Ref. 13.)

taje de inteligibilidad para las condiciones mostradas, los efectos conjuntos de la reverberación y el ruido de fondo son aproximadamente aditivos. Para las condiciones de escucha más difíciles (tiempos largos de reverberación y baja relación hablaruido), donde queda poco espacio para reducciones mayores de la inteligibilidad, se produce cierto allanamiento de las curvas. La inteligibilidad del habla en un ambiente reverberante también está relacionada con el volumen de la habitación (o auditorio), tal y como ilustra la Figura 16.7 17 • Más aún, la calidad del habla en habitaciones y auditorios se ve afectada de forma compleja por la reverberación 18 .

PREDICCION DE LA INTELIGIBILIDAD DEL HABLA A PARTIR DE MEDIDAS FISICAS ., Entre los índices para predecir la inteligibilidad del habla con presencia de ruido y/o reverberación se incluyen: El nivel sonoro con ponderación A El nivel de interferencia del habla (SIL) El índice de articulación (Al) El índice de transmisión del habla (STI) Estos índices aparecen listados en orden de complejidad creciente. El índice rápido de transmisión del habla (RASTI) es una versión abreviada, fácil de calcular, del índice de transmisión del habla.

16.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

100 O

« O :::¡

80

Silencio

iii

a:::¡ w

1-

60

~

w

o

w

S/N = 3 db

40

~

Z w

u

a:

20

oQ..

o 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Tiempo de reverberación (segundos)

FIGURA 16.6. Inteligibilidad del habla en función del tiempo de reverberación y de la relación habla-ruido S/N. (Las curvas se basan sobre datos de la Refs. 15 y 16.) Nivel sonoro con ponderación A

Existen muchas aplicaciones del nivel sonoro con ponderación A, descritas en capítulos anteriores. Este apartado se ocupa del nivel sonoro del ruido de fondo como una medida de interferencia del habla. En concreto, los niveles sonoros con ponderación A pueden emplearse para predecir las distancias máximas permisibles entre hablante y oyente para una comunicación verbal «mínimamente fiable» con presencia de ruido. Se dice que la comunicación verbal es «mínimamente fiable» cuando oyentes entrenados obtienen una puntuación del 70 por 100 en la prueba con listas de palabras monosilábicas fonéticamente equilibradas. Las palabras que componen estas listas se obtienen de un vocabulario amplio (1000 o más palabras), de manera que ningún conocimiento previo del vocabulario que se examina tenga un efecto notable sobre la puntuación. Una puntuación del 70 por 100 con palabras monosilábicas corresponde a una puntuación de inteligibilidad por encima del 90 por 100 para frases. Procedimiento de cálculo 1. En primer lugar, se mide el nivel sonoro con ponderación A del ruido de fon-

do usando la respuesta lenta (slow) del sonómetro. 2. Se localiza este nivel sonoro sobre la abscisa superior de la Figura 16.8. 3. Trazando una línea perpendicular desde este punto se obtendrán intersecciones con las diferentes curvas incluidas en el gráfico para varios niveles de esfuerzo vocal, obteniéndose en el eje de ordenadas la distancia máxima entre hablante y oyente para una comunicación verbal «mínimamente fiable~~.

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.11

90 (25.000) (100.000) ca

400.000)

80

(800.000)

:c"

:!!

"¡¡;

e

o()

"¡;

ca

70

:; " "€

«

60

50

L -____

O

~

____

~

____________

2

3

~

____

4

~

5

liempo de reverberación (segundos)

FIGURA 16.7. Efecto del volumen de la habitación sobre la inteligibilidad del habla. Se muestra el porcentaje medio de articulación silábica en función del tiempo de reverberación para auditorios con volúmenes de 25.000, 100.000, 400.000 Y 800.000 ff (710,2.800,11.000 Y 22.000 m 3 ). (Los datos están tomados de la Ref. 17.)

Limitaciones del método. Este método no se aplica: 1. Cuando el espectro en bandas de octava del ruido de fondo se aparta significativamente de un «espectro plano», es decir, para un espectro en que todas las bandas de frecuencia tienen aproximadamente el mismo valor. Se dice que el alejamiento es significativo si el nivel sonoro difiere del nivel medio de banda en más de 10 dB, en cualquier octava dentro del rango del habla (250 Hz a 5000 Hz). 2. Cuando existen variaciones significativas del nivel sonoro a lo largo del tiempo. Se dice que las variaciones de nivel son significativas cuando el nivel sonoro con ponderación A varía en más de 10 dB a lo largo del tiempo. En el caso de variaciones relajivamente lentas del nivel de ruido (por ejemplo, cuando ocasionalmente pasa un camión o coche por las cercanías), el nivel máximo de ruido alcanzado puede utilizarse para predecir el efecto del ruido para las condiciones más adversas. 3. Cuando la comunicaci6n tiene lugar en un entorno muy reverberante. Se dice que un ambiente acústico (habitación o auditorio) es altamente reverberante cuando el tiempo de reverberación supera los 2 segundos. 4. Cuando el habla está distorsionada; el habla debe articularse claramente, sin murmurar. Para hablantes con acento extranjero o con algún impedimento del habla, pueden precisarse distancias inferiores entre hablante y oyente a las que muestra la Figura 16.8. En el caso del habla amplificada, como sucede con los sistemas de comunicación pública, la respuesta en frecuencia del sistema debe ser esencialmente plana (los máximos y mínimos en la curva de respuesta en frecuencia deben estar dentro del margen de ± 5 dB con respec-

16.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Nivel sonoro con ponderación A

40

16

50

60

60

80

90

100

8

E

4

'¡:; c: ro

2

ro

tí

i5

0,5 0,25 30

40

50

60

70

80

90

Nivel de interferencia del habla

FIGURA 16.8.

Distancias entre hablante y oyente para una comunicación mínimamente fiable. Las curvas muestran las distancias máximas permisibles para que se produzca una comunicación hablada de este tipo. El parámetro sobre cada curva indica el nivel relativo de voz. Dado que el hablante alzará su voz con ruido, típicamente con una tasa de 3 a 6 dB por cada 10 dB de aumento en el nivel de ruido por encima de 50 dB(A), el nivel de voz esperado aumentará al aumentar el nivel de ruido. El área sombreada muestra el rango de distancias permisibles entre hablante y oyente bajo estas condiciones. El límite inferior del área sombreada es para un nivel de voz que aumenta a una tasa de 3 dB por cada 10 dB de incremento en el nivel de ruido; ellímite superior es para una tasa de aumento de 6 dB por cada 10 dB de incremento en el nivel de ruido.

to a la respuesta en frecuencia media para el intervalo entre 200 Hz y 5000 Hz) y la distorsión no lineal del sistema no debe exceder ellO por 100 de la distorsión armónica. Si el uso de niveles sonoros con ponderación A no es aplicable por cualquiera de las razones anteriores, debe emplearse alguno de los demás índices descritos en esta sección (p. ej., nivel de interferencia del habla, índice de articulación).

Efectos del ruido defondo. Un hablante elevará el nivel de su voz a medida que aumente el nivel de ruido de fondo. A niveles sonoros de ruido de fondo con ponderación A por encima de 50 dB(A), el área sombreada en la Figura 16.8, denominada nivel esperado de voz, muestra el efecto del ruido en el nivel de la voz. De la misma manera, es práctica habitual subir el volumen de la TV o radio en presencia de un ruido de fondo, por lo general hasta 15 dB por encima del nivel del ruido l . En situaciones laborales ruidosas, donde el nivel sonoro con ponderación A del ruido de fondo puede ser de hasta 75 dB(A), las personas no suelen poder conversar a distancias superiores a 1 m (3,3 ft). Bajo estas condiciones, la comunicación verbal con ruido es posible a mayor distancia siempre que el hablante grite o alce mucho la voz. Pero los niveles altos de voz no pueden mantenerse durante un período de tiempo prolongado. Por tanto, para una comunicación verbal a distancia

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.13

durante períodos largos, el límite superior del nivel de ruido de fondo es algo inferior al citado. En ambientes laborales donde la comunicación verbal es esencial, el nivel de fondo no debe superar un nivel sonoro con ponderación A de 60 a 65 dB(A); estos niveles permiten una comunicación satisfactoria a una distancia de hasta 2 m (6,5 ft). En situaciones sociales, para una comunicación más cómoda cara a cara con presencia de ruido, la mayoría de las personas prefieren distancias menores entre hablante y oyente. Estas distancias son habitualmente del orden de 1 m (3,3 ft), siempre que el ruido de fondo esté por debajo de 50 dB(A). Para niveles de ruido superiores, las distancias preferidas entre hablante y oyente suelen ser menores. La Tabla 16.2 muestra las distancias típicas para la comunicación en una conversación, en tanto que la Figura 16.8 muestra las distancias máximas permisibles que, por lo general, requieren un esfuerzo vocal adicional. En exteriores, las conversaciones entre grupos de personas pueden mantenerse a distancias de 2 a 4 m (6,5 a 13 ft), sin esfuerzo de voz especial si los niveles de ruido de fondo no superan un valor de 55 a 60 dB(A). Para el juego en interiores y galerías de recreo, si la distancia entre hablante y oyente es de 5 a 10 m (16 a 33 ft), los niveles de ruido de fondo no deben superar los 50-55 dB(A). Nivel de interferencia del habla

El nivel de interferencia del habla (speech interference level-SIL) es un índice diseñado específicamente para evaluar los efectos de interferencia del ruido sobre el habla. Este índice: (1) se deriva de las medidas de los niveles de ruido de fondo en cuatro bandas de octava contiguas y (2) tiene en cuenta las variaciones dependientes de la frecuencia en el espectro de ruido. Una versión alternativa del índice emplea tres bandas de octava, en lugar de cuatro. Procedimiento de cálculo. En el método normalizado de cuatro bandas l9 , se miden los niveles de presión sonora de las octavas centradas a 500, 1000, 2000 Y 4000 Hz. El nivel de interferencia del habla SIL es igual a la media aritmética de los niveles de presión sonora de estas cuatro bandas de octava. Por ejemplo, la Tabla 16.3 muestra los niveles de presión sonora de las octavas para un ruido con un comTABLA 16.2. Distancias preferidas entre hablantes y oyentes para mantener una conversación*

Distancia entre hablante y oyente

Nivel sonoro de ruido con ponderación A

Metros

Pies

45 55 65 75

0,85 0,65 0,5 0,4

2,8 2,1 1,6 1,3

* Las distancias típicas entre hablante y oyente han sido medidas en función del nivel del ruido de fondo en varios ambientes, incluyendo hogares, hospitales, grandes almacenes, trenes y aviones. Esta tabla muestra las distancias medias observadas. (Basadas sobre los datos expuestos en la Referencia 1.)

16.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 16.3 Ejemplo de cálculo del nivel de interferencia del habla

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Nivel de presión sonora de banda de octava, dB

125 250 500 1000 2000 4000 8000

75 70 68 59 47 34 30

Método de cuatro bandas: SIL = (68 + 59 + 47 + 34)/4 = 52 Método de tres bandas: SIL (0,5,1,2) = (68 + 59 + 47)/3 = 58

ponente fuerte de baja frecuencia. El nivel de interferencia del habla para este ruido es (68 + 59 + 47 + 34)/4 dB, que es igual a 52 dB. En el método de tres bandas, se emplea como nivel de interferencia del habla la media aritmética de los niveles de presión sonora de las octavas centradas en 500, 1000 Y2000 Hz. Dado que ésta no es una versión normalizada del nivel de interferencia del habla, las octavas empleadas deben indicarse entre paréntesis. Así, el nivel de interferencia del habla para los niveles de ruido de fondo que muestra la Tabla 16.3 para las octavas centradas en 500, 1000 Y2000 Hz es SIL (0,5,1,2) Limitaciones del método.

= (68 + 59 + 47) /3 = 58 dB

Este método no se aplica:

1. Cuando existen variaciones significativas en el nivel de interferencia del habla a lo largo del tiempo. Se dice que estas variaciones son significativas cuando

el nivel de interferencia del habla cambia en más de 10 dB a través del tiempo. En el caso de variaciones relativamente lentas, el nivel de interferencia máximo alcanzado puede emplearse para predecir el efecto del ruido para las condiciones más adversas. 2. Cuando la comunicaci6n tiene lugar en un ambiente altamente reverberante. Se dice que un entorno acústico es altamente reverberante cuando el tiempo de reverberación supera los 2 segundos. 3. Cuando el habla está distorsionada. Los criterios para determinar que el habla está distorsionada son los mismos que los especificados en el apartado anterior. Si, por cualquiera de las razones anteriores, el uso del SIL no es aplicable, debe emplearse alguno de los índices restantes descritos en este capítulo. Efectos del ruido defondo. Ruidos con igual nivel de interferencia del habla deben reducir en igual medida su inteligibilidad. Los estudios de la interferencia producida por distintos ruidos muestran que aquellos que dan como resultado la misma puntuación de inteligibilidad del habla, siendo todos los demás factores iguales (p. ej., mismos oyentes y materiales de examen), tienen esencialmente el mismo ni-

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.15

vel de interferencia del habla, teniendo la variación de éste una desviación típica inferior a 3 dB 2o• El SIL puede emplearse para predecir las distancias máximas permisibles entre hablante y oyente para una comunicación mínimamente fiable. La Figura 16.8 puede utilizarse con este propósito; el método para hacerlo es el mismo que el seguido para los niveles sonoros con ponderación A. El nivel de interferencia del habla varía a partir de un nivel sonoro con ponderación A, LA, en cantidades que dependen de la forma del espectro del ruido. Esta diferencia es aproximadamente de 8 dB para muchos ruidos ambientales habituales; es decir, LA - SIL = 8 dB. Indice de articulación

El índice de articulación (Al) es un índice para predecir la inteligibilidad del habla, y está diseñado para tener en cuenta los efectos de: (1) el ruido de fondo y (2) la fre-

cuencia de filtrado. Puede usarse en condiciones en que el nivel de ruido varía con el tiempo. El cálculo del índice de articulación (Al) puede ser bastante complejo, por ello se han desarrollado varios métodos de cálculo aproximado más simples21 •22 . El método más general precisa que se determine la relación habla-ruido en cada una de las 20 bandas de frecuencia. Este método de las 20 bandas también tiene en cuenta el crecimiento no lineal del enmascaramiento y los efectos de difusión del enmascaramiento que se producen cuando se utilizan niveles intensos de habla o ruido. Un método más sencillo de cálculo emplea medidas de banda de tercio de octava. Este método se describe en el siguiente apartado. Es casi tan preciso como el método más general de las 20 bandas, siempre que los espectros del habla o del ruido no varíen rápidamente con la frecuencia, ni los niveles de presión sonora de las bandas sean muy altos. El método de cálculo más simple usa medidas de octavas; sin embargo, es relativamente impreciso y sólo debe emplearse para obtener una estimación aproximada del índice de articulación. Los tres métodos de cálculo del Al se describen en la norma ANSI S3.5-196cf2.

Procedimiento de cálculo (m6todo del tercio de octava)

1. Se mide el nivel pico del habla y el nivel de ruido RMS en los 15 tercios de octava con frecuencias centradas entre 200 Hz y 5000 Hz. Si los niveles pico del habla no pueden medirse directamente, pueden estimarse a partir de un espectro idealizado de la misma, siempre que se conozca el nivel de presión sonora general del habla. El espectro idealizado del habla y el método para predecir el nivel pico del habla en cada banda de frecuencia se especifican en la norma ANSI S3.5-196cf2. 2. Se comprueba si los niveles de habla y ruido son lo suficientemente altos como para producir un crecimiento no lineal del enmascaramiento o de los efectos de difusión del enmascaramiento. Si el nivel global de presión sonora del habla supera los 85 dB (p. ej., si el habla está amplificada) o si el nivel de

16.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ruido en cualquier tercio de octava supera los 70 dB, los niveles de habla y ruido medidos habrán de ajustarse para tener en cuenta estos efectos. Estos ajustes se describen en la norma ANSI S3.5-196g22. 3. Se multiplica la relación habla-ruido en cada tercio de octava por un factor de ponderación. El Al es igual a la suma de estas relaciones ponderadas hablaruido. Las ponderaciones que se emplean en las 15 bandas de tercio de octava que cubren el rango entre los 200 y los 5000 Hz se muestran en la Tabla 16.4. 4. La puntuación estimada de inteligibilidad del habla para el índice de articulación calculado se obtiene de la Figura 16.9. El diagrama muestra las curvas para varios tipos de «materiales de examen». Por ejemplo, la curva para listas de frases fonéticamente equilibradas está por encima de la de listas de palabras monosilábicas fonéticamente equilibradas, y así, para el mismo índice de articulación, la puntuación de inteligibilidad esperada para frases será más alta que la de listas de palabras monosilábicas. Las curvas de calibración que muestra la Figura 16.9 son sólo para claves auditivas. Si también hay disponibles claves visuales (lectura de labios), se esperan puntuaciones de inteligibilidad más altas.

Ejemplo numérico. La Tabla 16.4 muestra los niveles RMS de ruido y los niveles pico de habla para el conjunto de tercios de octava que cubren la gama de frecuenTABLA 16.4. Cálculo del índice de articulación (Al) empleando el método de bandas de tercio de octava

1

2

Frecuencia central de la banda, Hz

Nivel pico del habla, dB

200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 3150 4000 5000

63 68 67 70 70 66 65 67 63 59 58 56 52

SPLGlobal

78

72

3

4

Relación Nivel de babiaruido RMS, dB ruido (S/N), dB 67 66 66 65 63 60

57 54 49 45 42 38 33 27 21 73

0* 2 1 5 9 10 9 11 18 18 17 21 25 29 300

5

6

Ponderación

Col. 4 x Col. 5

0,0004 0,0010 0,0010 0,0014 0,0014 0,0020 0,0020 0,0024 0,0030 0,0037 0,0038 0.0034 0,0034 0,0024 0,0020

°

0,0020 0,0010 0,0070 0,0126 0,0200 0,0180 0,0264 0,0540 0,0666 0,0646 0,0714 0,0850 0,0696 0,0600 Al

= =

• Relación SIN ajustada (véase texto).

0,5582 0,56

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.17

Frases (primera H---T.lF--I1--1---74'+--+ presentación para los oyentes)

80

'" ~~ "'"0 70

.ce:

.!!!Q)

~ ~ 60 t-~-+-++--hl-f--+--fl--f'~--t--+--+-+---I

';;Q)

ca ......

.ce:

~~

50

-8lj .~~ 40 ...... 0

~:c:

~ ~ 30 I----I'-ft-f--t--t--I-f-l-Il.~

o

20

Nota: Estas relaciones son aproximadas. Dependen del tipo de material y de la habilidad de hablantes y oyentes

10

o

o

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Indice de articulación

FIGURA 16.9. Las curvas muestran la inteligibilidad del habla esperada en función del índice de articulación. Estas curvas, relacionando el porcentaje de inteligibilidad con el índice de articulación, se muestran para los distintos tipos de materiales de examen. (De la Referencia 22.)

cias importantes para la comprensión del habla. La columna 1 de la tabla muestra las frecuencias centrales de la banda; la columna 2, los niveles pico del habla, y la columna 3, los niveles RMS de ruido. Con el fin de que sirva de ilustración, los niveles pico del habla de la columna 2 corresponden a un nivel de voz fuerte, de un hablante masculino, tal y como muestra la Figura 16.1. Nótese que el nivel pico del habla está 12 dB por encima del nivel RMS en cada banda de frecuencia. (Los datos en la Figura 16.1 muestran niveles de habla RMS.) El ruido es el mismo que el empleado en el procedimiento de cálculo del método del tercio de octava (Tabla 16.4). La columna 4 de la Tabla 16.4 muestra la relación habla-ruido (relación SIN) para cada banda de frecuencia y es igual a la diferencia, en decibelios, entre el nivel pico del habla y el nivel RMS de ruido. Para aquellos casos en que el nivel RMS de ruido supere el nivel pico del habla (p. ej., la línea superior de datos de la Tabla 16.4), la relación habla-ruido se iguala a cero. Para aquellos casos en que el nivel pico del habla está más de 30 dB por encima del nivel RMS de ruido (p. ej., la línea inferior de la Tabla 16.4), la relación habla-ruido se fija en 30 dB. La columna 5 muestra las ponderaciones asociadas con cada tercio de octava. La columna 6 es el producto de las columnas 4 y 5. El índice de articulación Al es igual a la suma de las entradas en la columna 6. El índice de articulación suele especificarse con una precisión de dos decimales; para este ejemplo, es igual a 0,56.

16.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

La Figura 16.9 muestra que un índice de articulación de 0,56 corresponde a una puntuación de inteligibilidad del 81 por 100 para palabras monosilábicas; se estima que para un sistema de comunicación con un índice de articulación de 0,56 resulta una puntuación media del 81 por 100 para listas de palabras monosilábicas fonéticamente equilibradas con oyentes entrenados. Cuando se usan frases como material de examen, la puntuación de inteligibilidad correspondiente se estima que superará el 95 por 100.

Limitaciones del método.

El Al no debe emplearse:

1. Cuando la comunicación tiene lugar en un ambiente muy reverberante. 2. Cuando el habla está distorsionada.

Los criterios para determinar si se aplican estas limitaciones se describen en el apartado anterior. El índice de transmisión del habla (STI) puede emplearse para predecir la inteligibilidad del habla en un ambiente reverberante. Es muy difícil predecir la inteligibilidad del habla distorsionada con ruido y/o reverberación y el procedimiento más seguro en estas condiciones es medirla directamente. Las curvas de la Figura 16.9 muestran la relación entre el porcentaje de inteligibilidad y el índice de articulación; ofrecen una aproximación a la verdadera relación. En principio, debe usarse una curva de calibración diferente para cada par de hablante y oyente y para cada tipo de material de examen. En la práctica, las curvas de calibración de la Figura 16.9 pueden emplearse para pruebas normalizadas del tipo mostrado, asumiendo que los oyentes poseen audición normal, han sido entrenados con los materiales de examen y han alcanzado el nivel de rendimiento de la asíntota. Oyentes con audición normal sin práctica (oyentes que no han sido ampliamente examinados) manifestarán, de media, puntuaciones inferiores de inteligibilidad del habla. Los oyentes con limitaciones auditivas mostrarán puntuaciones de inteligibilidad significativamente inferiores, dependiendo de la severidad de su limitación. Es posible obtener predicciones razonablemente precisas de inteligibilidad con ruido para oyentes con problemas auditivos, siempre que la naturaleza de éstos se tenga en cuenta en el cálculo del índice de articulación23 • Para el caso de un ruido que cambie con el tiempo (como el producido por el vuelo rasante de un avión), se puede calcular el índice de articulación para una secuencia de intervalos temporales. El espaciamiento entre intervalos debe ser tal que el índice de articulación no se modifique en más de 0,03 entre intervalos. Además, la variación del ruido no debe hacer que el índice de articulación varíe en más de 0,01 durante un intervalo temporal de 100 milisegundos. Puede precisarse un método automatizado de medida y cálculo para los ruidos que cambian de forma relativamente rápida a lo largo del tiempo. La curva que muestra la variación temporal del índice de articulación puede convertirse en una que muestre el porcentaje de inteligibilidad en función del tiempo, empleando la curva de calibración adecuada de la Figura 16.9.

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.19

Indice de transmisión del habla

El concepto del índice de transmisión del habla (STI) es semejante al del índice de articulación, pero es de aplicación más general y tiene en cuenta los efectos tanto del ruido como de la reverberación sobre la inteligibilidad del habla. Los principales supuestos subyacentes del índice de transmisión del habla son: (1) el efecto de la reverberación sobre la inteligibilidad puede especificarse en términos de ruido de fondo equivalente, y (2) este ruido de fondo equivalente puede combinarse con el ruido de fondo real para obtener el efecto combinado de la reverberación y el ruido sobre la inteligibilidad del habla. El ruido de fondo equivalente que corresponde al efecto de la reverberación se obtiene midiendo primeramente la amplitud con que una señal de ruido modulado es afectada por la reverberación. El espectro de la señal de ruido es igual al espectro del habla a largo plazo. La reducción de la profundidad de la modulación se emplea como índice del efecto de la reverberación sobre la inteligibilidad. En la versión completa del índice de transmisión del habla, la reducción en la profundidad de la modulación se mide a través de una gama de frecuencias de modulación (0,63 a 12,5 Hz en intervalos de tercios de octava), para las bandas de octava de la señal a examen que cubren la gama entre 125 y 8000 Hz. La reducción media en la profundidad de la modulación se mide para cada una de las siete octavas. Entonces se calcula el nivel de ruido de fondo equivalente que produciría la misma reducción en la profundidad de la modulación24 • Si hay presente un ruido de fondo real, se suman ambos ruidos y se calcula la relación equivalente de habla-ruido. El índice de transmisión del habla se obtiene entonces de esta relación equivalente de habla-ruido mediante la fórmula 7

STI

= ~ W¡ (S/N¡ + 15)/30 ¡~1

donde STI = índice de transmisión del habla W¡ = ponderación asociada a la banda de octava ¡ S/N¡ = relación equivalente de habla - ruido para la banda de octava i ¡ = índice que identifica a las siete bandas de octava entre 125 y 8000 Hz

..

lndice rápido de transmisión del habla (RASTI). El índice rápido de transmisión del habla (RASTI) es una versión simplificada del índice de transmisión del habla en que la reducción en la profundidad de la modulación se mide sólo para dos bandas de octava (centradas en las frecuencias de 500 y 2000 Hz) y para sólo cuatro frecuencias de modulación en la octava inferior (1, 2, 4 Y8 Hz) Ycinco frecuencias de modulación en la octava superior (0,7,1,4,2,8,5,6 Y11,2 Hz). El RASTI se calcula de la misma manera que el STI y está sujeto a las limitaciones anteriormente descritas. Ambos índices se usan de la misma forma que el índice de articulación para predecir la inteligibilidad del habla. Primero se calcula el índice y, a continuación, se puede predecir el porcentaje de inteligibilidad a partir del STI o del RASTI mediante curvas del tipo de las que muestra la Figura 16.9. Las medidas y cálculos pre-

16.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cisos para obtener el STI (o, en menor medida, el RASTI) son muy amplios y los detalles de los procedimientos se incluyen en otra publicación25 • También se ha desarrollado un instrumento que mide el índice rápido de transmisión del habla directamente: el medidor de transmisión del habla Bruel y Kjaer, Tipo 3361.

METODOS NO FISICOS PARA MEJORAR LA INTELIGIBILIDAD DEL HABLA EN PRESENCIA DE RUIDO Uso de vocabulario limitado

La inteligibilidad de las palabras en presencia de ruido puede aumentarse mediante el uso de frases estandarizadas y procedimientos de voz, sobre todo limitando el vocabulario a un número relativamente pequeño de palabras, preferiblemente multisilábicas. Dentro de unos límites amplios, para una reLación determinada de habLaruido, cuanto mayor es La reducción del tamaño deL vocabuLario, mayor es eL aumento de La inteligibilidad deL habLa.

Este principio se aplica a las comunicaciones por radioteléfono para el control del tráfico aéreo, donde se emplean un número limitado de frases y palabras normalizadas de acuerdo con unas normas específicas. La Tabla 16.5 muestra el alfabeto para deletrear palabras empleado internacionalmente por los pilotos aéreos. Las frases o palabras estandarizadas pueden mejorar la inteligibilidad si los niveles de ruido son tan altos que la señal del habla no puede aumentar su nivel sin correr el riesgo de dañar el oído. En situaciones en que no puede evitarse una relación baja de habla-ruido, el uso de palabras o frases normalizadas puede significar la diferencia entre obtener una inteligibilidad satisfactoria o insatisfactoria. Además, el uso de la fraseología normalizada aporta un margen de seguridad para situaciones de emergencia que añaden una tensión inusual sobre el sistema de comunicación o sus usuarios, por ejemplo, aumentos repentinos en el nivel de ruido o hablantes con mala articulación del habla. Sin embargo, existen peligros al confiar en el posible TABLA 16.5. Alfabeto deletrear palabras

A Alpha B Bravo C Charlie D Delta E Echo F Foxtrot G Golf H Hotel I India J Juliet K Kilo L Lima M Mike

internacional N O P Q R S T U V W X Y Z

November Osear Papa Quebec Roman Sierra Tango Uniform Victor Whiskey X-ray Yankee Zulu

para

EFECTOS DEL RUIDO Y LA REVERBERACION SOBRE LA COMUNICACION

16.21

uso de pequeños vocabularios normalizados. Uno es que, bajo condiciones de emergencia, el procedimiento normalizado puede olvidarse o el vocabulario resultar demasiado escaso para enfrentarse con la situación. Otro problema es que a menudo resulta imposible dedicar suficiente tiempo al entrenamiento del personal en el uso de la fraseología normalizada.

Selección y entrenamiento de los anunciantes en los sistemas de comunicación

Existen grandes diferencias individuales en la habilidad de las personas para hablar con claridad. También existen grandes diferencias entre los oyentes en cuanto a la habilidad para comprender el habla bajo condiciones ruidosas o muy reverberantes. Ambas habilidades pueden mejorar notablemente con el entrenamiento. Si es posible, sólo un número limitado de personas deben usar un sistema de comunicación, sobre todo los sistemas de búsqueda o de megafonía públicos. Aunque tanto hablantes como oyentes pueden mejorar considerablemente si emplean un sistema de comunicación durante largo tiempo, quienes lo hacen mejor inicialmente suelen hacerlo mejor siempre. Merece la pena dedicar más tiempo a la selección y entrenamiento de los operadores de los sistemas de búsqueda y de los anunciantes de otros sistemas de comunicación.

Efectos de los aparatos de protección de la audición (protectores auditivos)

Si el ruido es de nivel suficientemente alto, un oyente puede usar aparatos de protección de la audición (protectores auditivos). A niveles sonoros de ruido de fondo con ponderación A por encima de 85 dB(A), la inteligibilidad de las palabras para oyentes con audición normal es habitualmente mayor con protectores auditivos que sin ellos. A niveles de ruido elevado, el crecimiento no lineal del enmascaramiento y los efectos de difusión de éste sirven para aumentar más aún la interferencia del ruido sobre el habla. Los protectores auditivos reducen los niveles sonoros globales tanto del habla como del ruido a otros niveles más moderados, sin afectar la relación habla-ruido, eliminando, ¡'tor tanto, los efectos anteriormente mencionados.

REFERENCIAS 1. K. S. Pearsons, R. L. Bennet y S. Fidell, Speech levels in various noise environments. Report EPA-600/1-77-025, U.S. Environmental Protection Agency, Washington. D.C.. mayo 1977. 2. J. P. Egan, «Articulation testing method». Laryngoscope, vol. 58, n. o 9. 1948, pp. 955-981. 3.1. J. Hirsh y cols., «Development of materials for speech audiometry», J. Speech Hearing Disord., vol. 17. n.o 3,1952, pp. 321-337. 4. A. S. House y col., •• Articulation testing methods: Consonantal differentiation with a closed-response set»,J. Acoust. Soco Am., vol. 37,1965, pp. 158-166.

16.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

5. H. Davis y S. R. Silverman (Eds.), Hearing and deafness, 3." ed., apéndice, Holt, Rinehart and Winston, Nueva York, 1970. 6. W. D. Voiers, «Diagnostic evaluation of speech intelligibility», en M. E. Hawley (Ed.), Speech intelligibility and speaker recognition, Benchmark Papers in Acoustics, vol. 11, Dowden, Hutchinson and Ross, Stroudsburg, Pa., 1977. 7. H. Levitt y S. B. Resnick, «Speech reception by the hearing-impaired: Methods of testing and the development of new tests», Scandinavian Audiology, Suppl. 6, 1978, pp. 105-130. 8. L. Beranck, Acoustic measurements, John Wiley and Sons, Nueva York, 1949, Cap. 17. 9. American national standard methods for measurement of speech intelligibility, S3.2-199O, American National Standards lnstitute, Nueva York, 1990. 10. D. N. Kalikow, K. N. Stevens y L. L. Elliot, «Development of a test of speech intelligibility in noise using sentence materials with controlled word predictability», J. Acoust. Soco Am., vol. 61,1977, pp. 1337-1351. 11. R. C. Bilger y cols., «Standardization of a test of speech perception in noise», Speech and Hearing, vol. 27,1988, pp. 32-48. 12. G. A. Miller, G. A. Heise y W. Lichten, «The intelligibility of speech as a function of the context of the test materials», J. Exp. Psychol., vol. 41, 1951, pp. 329-335. 13. W. H. Sumby e l. Pollack, <
Capítulo

17

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION Arnold M. Small, Jr. Robert S. Gales

INTRODUCCION Después de una breve descripción de la estructura y función del mecanismo auditivo, este capítulo considera aquellas caracteósticas de la audición que son importantes para el control del ruido: el umbral de audición, la intensidad, el enmascaramiento, la localización auditiva y la detección de pequeñas diferencias en las propiedades del sonido, tales como frecuencia y nivel de presión sonora. Otros capítulos relacionados son «Pérdida de audición por exposición al ruido» (Capítulo 18); «Evaluación de la audición» (Capítulo 19); «Pérdida de audición: responsabilidad legal» (Capítulo 20); «Aparatos de protección auditiva» (Capítulo 21) y «Programas de conservación de la audición» (Capítulo 22).

ANATOMIA y FUNCION DEL 0100 ,1

Anatómicamente, el oído está formado por las tres secciones principales que aparecen en la Figura 17.1: (1) el oído externo, que recoge el sonido y lo convierte en movimiento vibratorio del tímpano; (2) el oído medio, que acopla mecánicamente el tímpano con el fluido del oído interno, y (3) el oído interno, dentro del cual se originan las señales que se transmiten al cerebro a través del nervio auditivo. Oído externo

La parte visible del oído se denomina pabellón auditivo o pabellón «auricular». Es una estructura cartilaginosa situada a ambos lados de la cabeza cuya forma ayuda a la recepción del sonido y aporta cierta discriminación direccional. El pabellón au17.1

17.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 17.1. Diagrama funcional del oído. Las ondas sonoras alcanzan el oído externo y hacen que el tímpano vibre. Las vibraciones son conducidas a través de la acción niveladora de la cadena de huesecillos del oído medio a la ventana oval, que actúa sobre el fluido que llena el oído interno. La parte interna muestra el corte de la sección de la cóclea extendida, con terminaciones nerviosas distribuidas a lo largo de su membrana basilar. La excitación selectiva de frecuencias inicia los impulsos nerviosos, que son conducidos a través de fibras discretas del nervio auditivo hacia el cerebro. (De C. T. Morgan yeo/s.'.)

ricular forma la entrada al canal auditivo, que conduce las ondas sonoras hacia el tímpano (también conocido como «membrana timpánica»). El canal auditivo, que tiene de 5 a 7 mm de diámetro y unos 27 mm de longitud, actúa como un tubo, cerrado en un extremo, con una frecuencia de resonancia natural de aproximadamente 3000 Hz. Esta resonancia aumenta la sensibilidad de la audición en las frecuencias de esta región. El tímpano es el final del canal auditivo y separa el oído externo del oído interno. Es un cono bajo de unos 7 mm de diámetro, con el vértice dirigido hacia dentro. Oído medio

El oído medio es una cavidad llena de aire de unos 2 cm3 y contiene el mecanismo que transmite el movimiento vibratorio desde el tímpano hacia el oído interno. Este mecanismo (denominado cadena de huesecillos) está formado por tres pequeños huesos: el martillo, que está conectado con el tímpano; el yunque, que forma un nivel de interconexión, y el estribo, conectado con la ventana oval que sirve de entrada a la cóclea del oído interno. La cadena de huesecillos está suspendida por ligamentos y tensada por dos pe-

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.3

queños músculos, el tímpano tensor (conectado con el martillo) y el músculo del estribo (conectado con el estribo). Este sistema sirve dos propósitos: (1) como nivelador para permitir un eficaz acoplamiento del tímpano a la ventana oval y (2) como mecanismo protector que limita el movimiento transmitido a la ventana oval. Este mecanismo protector es activado por cualquier sonido alto, que produce un reflejo de contracción de los dos pequeños músculos, el tímpano tensor y el músculo del estribo. Las características acústicas del oído externo y medio están resumidas en la Referencia 2.

Oído interno

El oído interno es un sistema complejo de canales llenos de fluido inmerso en el hueso temporal. En su interior se localizan las terminaciones nerviosas que aportan los sentidos del equilibrio y la audición. Las fibras nerviosas auditivas terminan en la cóclea. Esta es una configuración con forma de caracol de 2 1/2 vueltas, que si se extendiera mediría 35 mm. La membrana basilar es una membrana fibrosa flexible que corre paralela a la cóclea, a 10 largo de la cual distribuye el mecanismo de excitación nerviosa. La membrana basilar se pone en movimiento hidráulicamente mediante la energía acústica acoplada a la cóclea en la ventana oval. La porción de la membrana basilar que es máximamente excitada depende de la frecuencia de la onda sonora estimuladora. Las frecuencias altas producen mayor excitación cerca de la ventana oval, y las frecuencias bajas, cerca del otro extremo (ápico) de la espiral. En la estimulación de las terminaciones nerviosas actúa una estructura compleja de la membrana basilar, conocida como órgano de Cortí. Las células pilosas internas y externas son componentes del órgano de Corti, y están implicadas de forma crítica en el proceso de estimulación nerviosa. La lesión de estas células pilosas parece estar relacionada con la pérdida auditiva inducida por el ruido. De hecho, la localización de la lesión sobre la membrana basilar se relaciona estrechamente con la frecuencia en que se observa la máxima pérdida auditiva.

Conducción ósea

..

Se denomina conducción ósea a la transmisión de la energía acústica hacia el oído interno a través de vías que implican a los huesos craneales. Por ejemplo, oímos en parte nuestra propia voz debido a la conducción ósea. Los huesos craneales pueden excitarse mediante el contacto de la cabeza con un cuerpo vibrante o mediante el «choque» con la cabeza de un campo sonoro aéreo. Además de que el sonido excita directamente el cráneo, las vibraciones inducidas en otras partes del cuerpo pueden ser conducidas a la cabeza mediante los tejidos corporales y la estructura ósea. Si este sonido es suficientemente intenso, la pequeña parte de la energía acústica aérea convertida en vibración transmitida por vía sólida en la cabeza puede dar como resultado que el sonido se oiga a través de la conducción ósea. En general, el nivel de presión sonora en el aire debe ser de aproximadamente 60 dB o más por

17.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

encima del umbral de conducción aérea para oírse mediante la conducción ósea (véase Capítulo 19). La vibración de transmisión ósea, incluso cuando están implicadas varias vías, establece los mismos patrones de vibración en la membrana basilar que el sonido de conducción aérea. La identificación y evaluación de las distintas vías que pueden ser seguidas (a menudo simultáneamente) por la energía acústica es importante para el estudio de la eficacia de los tapones, auriculares y cascos de protección contra el ruido intenso; también es importante en el diagnóstico de la naturaleza de la pérdida de audición. Cerrar el canal externo mediante un tapón o un auricular mejora la audición mediante conducción ósea. Esto parece ser el resultado del movimiento de compresión de las paredes del canal auditivo, generando una presión alterna en el canal obstruido, que actúa entonces sobre el tímpano, produciendo audición a través de la vía tímpano-cadena de huesecillos. Este efecto, que ocurre principalmente a frecuencias por debajo de 1000 Hz, depende del grado de oclusión y del volumen ocluido. Para una persona con audición normal, un tapón bien ajustado puede reducir el umbral de conducción ósea hasta en 20 dB, en tanto que la oclusión mediante un cerramiento absorbente, con un volumen de SOO cm3 , puede reducirlo en tan sólo 3 dB 3 • Este hecho señala la ventaja de los auriculares de gran volumen para aquellas situaciones en que la conducción ósea pueda limitar la protección alcanzable. La información sobre las características de los aparatos de protección auditiva se presenta en el Capítulo 2l. Un efecto importante (un tipo de «conducción de los tejidos») es la transferencia de la energía acústica al oído medio mediante un tapón en movimiento, a modo de pistón. La sumisión de la piel del canal auditivo externo hace que este movimiento sea posible. Además, el pabellón auricular puede transmitir parte de la energía acústica y sobrepasar un tapón a través de la pared cartilaginosa del canal auditivo; esto contrasta con la auténtica conducción ósea, que implica la vibración del cráneo al completo.

RESPUESTA AUDITIVA

Es notable la amplia gama de presiones sonoras y frecuencias a través de las cuales el oído recibe información útil. La Figura 17.2 muestra el área de sensación auditiva en que recaen las señales acústicas útiles. Habitualmente, el lenguaje hablado y la música se centrarían en esta zona. El área de sensación auditiva limita, a niveles bajos de presión sonora, con el umbral de la audición, y a niveles muy altos, con el umbral de malestar, «sensación de tacto» y dolor. Los límites de frecuencia no están bien definidos. A menudo, se considera que el límite de las frecuencias altas está en 20.000 Hz, pero varía notablemente de una persona a otra. Habitualmente decae con la edad y puede estar afectado negativamente por la exposición al ruido. El límite de las frecuencias bajas suele especificarse a 20 Hz, pero el sistema auditivo puede responder a frecuencias inferiores4 .

17.5

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

(/)

W

-1

«

u (/)

140

~

O

a: 120 u ~ o

N

W

a: 100

cñ

O :::¡ W al

Ü w

80

O

Z w

« a:

60

(/)

40

O Z O

z

O

¡¡; w

a:

Il..

w

20

O

-1

W

> Z

O

-20 2

5

100

2

5

1000

2

5

10.000

2

Frecuencia en herzios

FIGURA 17.2. El área de sensación auditiva. Los límites superiores están establecidos por los umbrales de malestar, tacto, dolor y cosquilleo. Los límites inferiores están establecidos por el umbral de audibilidad, que puede medirse de varias maneras, cada una de las cuales se d86cribe en el texto. La función ISO del umbral mínimo de campo audible es para incidencia O°. La función ANSI del umbral MAP es la que define el cero audiométrico (véase los datos para auriculares TDH-39 en la Tabla 19.1). En la región de frecuencias altas, que debido a la falta de certidumbre de la calibración se muestra sin límites, la función de audibilidad aumenta para encontrarse con el umbral de malestar.

Umbral de la audición

Para un sonido especificado, el umbral de audición (también conocido como umbral de audibilidad) es el nivel de presión sonora mínimo capaz de evocar una sensación auditiva. Para una persona, el umbral no es un límite preciso, sino que se define en términos de la probabilidad de que el sonido sea oído. La probabilidad suele considerarse del 50 por 100, salvo que se especifique de otra manera. El umbral depen-

-

17.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de de las características del sonido (tales como la frecuencia), de la forma en que se presente al oyente (auriculares, altavoz con el oyente de cara a la fuente, etc.) y del punto en el que se mida el nivel de presión sonora (a la entrada del canal auditivo, en campo libre en ausencia del oyente, etc.). Un umbral medido en presencia de ruido se denomina umbral enmascarado y depende del nivel del ruido de fondo. Hay que especificar todos los factores anteriores para describir un umbral.

Umbral del mínimo campo audible (MAFI

El umbral del mínimo campo audible es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido en un campo libre·, en la posición de la cabeza del oyente, pero en ausencia de éste. Se determina para los tonos puros con el oyente frente a la fuente y escuchando con ambos oídos. Depende de la dirección de llegada del sonido, debido a los efectos de difracción de la cabeza y el oído externo. El umbral del mínimo campo audible es la curva inferior en la Figura 17.25• Los umbrales del campo audible mínimo son importantes para el control del ruido porque muchas personas están expuestas al ruido bajo condiciones esencialmente de campo libre. El MAF se ha establecido a partir de medidas con oyentes normales (personas que no tienen historial de problemas auditivos) y personas jóvenes (entre 18 y 25 años), para quienes la presbiacusia (pérdida de la audición con el aumento de la edad) no es un factor relevante. La sensibilidad auditiva varía considerablemente entre los oyentes normales. Puede incluso ser distinta para cada uno de los oídos de una persona (véase sección siguiente, «Estadísticas poblacionales sobre audición»). El umbral auditivo biaural es, de media, unos 2 o 3 dB mejor (inferior) que el umbral auditivo monoaural. Este es, en parte, un resultado estadístico debido a que el umbral biaural está determinado por el mejor oído, aunque el umbral biaural también es algo mejor que el monoaural cuando ambos oídos oyen igualmente bien6 .

Umbral de mínima presión audible (MAPI

El umbral de mínima presión audible es el nivel de presión sonora para el umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido mediante la presentación del sonido a un oído a través de auriculares. El umbral de mínima presión audible se determina retirando el auricular del oído del oyente y colocándolo de forma que envíe el sonido a una cavidad de paredes sólidas, cuyo volumen es equivalente al que cierran el auricular y su almohadilla cuando se coloca sobre el oído del oyente. El nivel de presión sonora desarrollado en esta cavidad se controla mediante un micrófono.

* Un campo libre es un campo de sonido en que la onda sonora se propaga a partir de la fuente sin efectos apreciables de los límites ni de los obstáculos.

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.7

La mayoría de las medidas de umbrales se llevan a cabo con auriculares, por ejemplo, en audiometría y, por tanto, aportan umbrales de mínima presión audible. Un ejemplo de una curva del umbral de mínima presión audible (MAP) se muestra en la Figura 17.2. Representa el criterio actual del American National Standards Institute (ANSI) para definir la audición normal. (Véase la sección siguiente, «Estadísticas poblacionales sobre audición».)

Umbrales de malestar, tacto y dolor

El oyente medio experimenta malestar significativo en un campo libre a niveles de presión sonora por encima de 120 dB 7 . A un nivel de aproximadamente 140 dB, el malestar alcanza el punto de dolor. Estos límites superiores del área útil de sensación auditiva se ilustran en la Figura 17.2. La gran amplitud del movimiento del tímpano y de los componentes del oído medio a niveles de presión sonora próximos a 130 dB producen a menudo una sensación táctil o de cosquilleo.

Desplazamiento temporal del umbral (TTS). Fatiga auditiva

Si una persona se expone a un ruido por encima de determinado nivel crítico y luego se retira, su umbral de audición puede aumentar (es decir, la audición puede empeorar). Si la audición vuelve a la normalidad al poco tiempo, este cambio se denomina desplazamiento temporal del umbral. El desplazamiento aumenta con el nivel de presión sonora del ruido y la duración de la exposición. Este fenómeno, también conocido como fatiga auditiva, se trata en detalle en el Capítulo 18.

ESTADISTlCAS POBLACIONALES SOBRE AUDICION Las personas se diferencian notablemente en su agudeza auditiva. Son muchas las razones de las diferencias e incluyen la edad, la exposición a largo plazo a ruidos de nivel alto y las enfermedades del oído. Esto dificulta el establecimiento de qué es «audición normal» y qué desviaciones de la normalidad pueden esperarse en una población determinada.

Audición normal

La audición normal es la mediana del nivel auditivo para un grupo grande de adultos jóvenes, con edades entre 18 y 25 años, sin historia conocida de enfermedades del oído, ni exposición apreciable a ruido de alto nivel. Se ha establecido un conjunto de niveles de presión sonora, que representan el umbral normal para la audición, como el nivel de referencia cero para audiometría. (Véase Tabla 19.1.)

17.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Audición de una población representativa

Se han obtenido medidas de la agudeza auditiva de gran número de personas a partir de varios sondeos que muestran estadísticamente cómo se desvían las personas de la «audición normal». La Figura 17.3 muestra los datos de uno de estos sondeos, con más de 6000 personas, llevado a cabo entre 1959 y 1962 por el Servicio de Salud Pública de Estados Unidos. Se marcan los umbrales para tonos puros expresados como nivel auditivo (nivel en decibelios por encima del nivel cero de referencia audiométrica) para frecuencias entre 500 y 6000 Hz. Los umbrales son los correspondientes al mejor oído de una población adulta estadounidense (con edad por enci-10r----------,----------,------,---,-----,

O~--~--~~----------~-----r--~--~~

~ 10~--------~~~------_+----~~~-r--~~

o

u

12

1UJ

~ 20~--------_+----------_+--~--r----r--~~ 15 ::::>

< o

ffi 30r-~--~--_+~~------_+------r---~._--~

u vi

o

::::;

~ 40r---------~--------~~------+----r----~

ü

UJ

o

zUJ

~ 50~--------_+----------_+--~--r----r----~

E

o

::::>

<

~ 60~--------_+----------_+------~~-r----~ ~

z

70r---------_r----------+-----_r--~--~~

80~

500

________~__________~____~___ 4_ _ _ _~

1000

2k

3k

4k

6k

Frecuencia en herzios

FIGURA 17.3. Audición en una muestra representativa de la población adulta de Estados Unidos. Las curvas muestran el porcentaje de personas con un nivel auditivo en el mejor oído igualo mejor que el valor impreso sobre la ordenada. El nivel de referencia cero del audiómetro es ANSI-1989 y aparece en la Tabla 19.1 y la Figura 17.2. (Datos de USPHSS.)

17.9

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

ma de los 18 años), sin discriminación por exposición al ruido o problemas auditivos. Se muestran curvas para diferentes porcentajes de la población, entre el 5 yel 95 por 100. Por ejemplo, la curva del 95 por 100 indica que, para cada una de las frecuencias, el 95 por 100 de las personas examinadas poseía una agudeza auditiva tan buena o mejor que el nivel auditivo indicado. Efecto de la edad sobre la audición (presbiacusia)

La presbiacusia es la pérdida de la audición que tiene lugar al aumentar la edad. Esta pérdida se produce incluso en personas que son otológicamente normales y no han sido expuestas a elevados niveles de ruido laboral. Para una persona media, la presbiacusia puede empezar a aparecer a edades tan tempranas como los veinte años, ocurriendo principalmente en frecuencias altas. La Figura 17.4 muestra que esta pérdida es mayor en hombres que en mujeres.

SONORIDAD La sonoridad es el atributo de los sonidos, percibido subjetivamente, que permite al oyente ordenar su magnitud sobre una escala, de bajo a alto. Dado que es una sensación en el interior del oyente, no es susceptible de una medida física directa. En lugar de ello, el procedimiento básico de medida es subjetivo; en él, los oyentes tienen que realizar enjuiciamientos sistemáticos con respecto a sonidos de referencia con niveles de presión sonora conocidos. Por ejemplo, puede pedirse a los oyentes que evalúen si los sonidos son igualmente fuertes, o el doble o la mitad, etc. O puede pedírseles que asignen números que sean proporcionales a la sonoridad de los mismos. Las pruebas de laboratorio que han empleado procedimientos como éstos muestran que las personas hacen enjuiciamientos acerca de la sonoridad razonable(/)~

Qü ¡j~

(/)~

O'''~¡¡;;;;;::-¡-I-'-'

Qü -'Z Or-~~~~~--¡--¡ I

~ ffi 10t---+~~~"""'~~1:---; Herzios

w u.

~~

20


30 t---+-+--+~~-"<-"""",...-1

~~

250 1000

~o

:: ~ 401--+-+--t---I"Il~~:-i w:::l o(/) o o 50 1----+-+--4-+--4~~ f--,Z

z<

~ ~ 60 t---+-+--+--I--I-*->rI

~~ g; ~ ~~

70 '----'-_.L.---'_...J-_L-~ 20 30 40 50 60 70 80 EDAD EN AÑOS

Ww

ffi 101---I-----f'~
f!! u. U w

Herzios

zoW w~

1~

~8

2000 3000 4000

o~

250

~8 30 ::~ 40

w:::l

~~

!Z':i ~

~

501----+-+--t-+--1--\:-4 6000 MUJERES

"" 601----+-+--t-+--1----\I N

8000

t5 ~ 70'-----'-_-'----'-_--'-_'---' ~ ~ 20 30 40 50 60 70 80 (/):::l

~~

EDAD EN AÑOS

FIGURA 17.4. Dependencia entre audición y edad. Las funciones están basadas sobre varios estudios y representan la mediana del nivel auditivo para una gran muestra internacional de personas no expuestas a ruido laboral. (A. SPOO,s.)

17.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

mente consistentes. La sonoridad depende fundamentalmente del nivel de presión sonora del estímulo sonoro y, en menor medida, de su frecuencia, duración y complejidad espectral. Sonio

La unidad de sonoridad es el sonio; un sonio se define como la sonoridad de un tono de 1000 Hz, con un nivel de presión sonora de 40 dB. La escala de sonoridad es una escala subjetiva y ha sido establecida de tal manera que un sonido con una sonoridad de 2 sonios es doblemente sonoro que el sonido de referencia de 40 dB de 1 sonio; 4 sonios son 4 veces más sonoros que 1 sonio, etc. Para un oyente medio, un cambio de 10 dB en el nivel de presión sonora es aproximadamente equivalente a doblar la sonoridad. El cambio de sonoridad con el nivel de presión sonora es ligeramente superior para sonidos de baja frecuencia (por debajo de unos 300 Hz). Curvas de igual sonoridad

Los enjuiciamientos de igual sonoridad para tonos puros de varias frecuencias y niveles han dado lugar a curvas de igual sonoridad, como muestra la Figura 17.5. Todos los puntos de una curva determinada representan los niveles de presión sonora que han sido juzgados como igualmente sonoros en campo libre. Estos datos corresponden a jóvenes adultos, con audición normal, de cara a la fuente. Por ejemplo, la curva que pasa por los 1000 Hz a un nivel de presión sonora de 40 dB es isósona a un tono con un nivel de presión sonora de 35 dB a 3000 Hz, o a un tono de 100 Hz con un nivel de presión sonora de 50 dB. Se denomina cada curva por su nivel a 1000 Hz, que es la frecuencia de referencia. 140 Fonios

...

140 (f)

~

/

120

UJ



~ i't 100

100

"'

~~

80

.-

Zo Oa:

80

Qo

60

1!l~ 60 a: a:

~

~

.

¡g

...

/

...

r., ...

40

40

-l:::; UJUJ

>co :28

o

20

o

,

20 4

...

1000 100 Frecuencia en herzios

10.000

FIGURA 17.5. Curvas de igual sonoridad para tonos puros en campo libre, mostrando los niveles de presión sonora que son igualmente sonoros. Las curvas se denominan mediante su nivel de sonoridad en fonios. (O. W. Robínson y R. S. Dadson lO .)

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.11

Como se indica en los siguientes capítulos, los sonidos que son isósonos no siempre son equivalentes en otros aspectos. Por ejemplo, dos sonidos que son iguales en sonoridad pueden variar en términos de su molestia, o en el grado en que interfieren con la comunicación hablada.

Nivel de sonoridad en fonios

El nivel de sonoridad en fonios de cualquier sonido es el nivel de presión sonora del tono de 1000 Hz de referencia que es tan sonoro como el sonido que está siendo evaluado. Así, las distintas curvas que muestra la Figura 17.5 representan curvas de igual sonoridad expresada en fonios. La Figura 17.6 presenta un nomograma que muestra la relación entre sonia s y fonios. Nótese que, de acuerdo con la definición de sonia, una sonoridad de 1 sonio corresponde a un nivel de sonoridad de 40 foSonios-Fonios

500 400 300 200 150

130 120 110

100

~850

100

40 30

90

20 15

80

10 70 5 4 3

60

2

50 40

0.5 0.4 03

0.~5

FIGURA 17.6.

30 20

Nomograma que muestra la relación entre nivel de sonoridad en fonias y en sonios. [ANSI standard 53.4-1980 (R1986P'.1

17.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nios; un cambio doble de la sonoridad en sonios está asociado con un cambio de 10 fonios en el nivel de sonoridad.

ESTlMACION DE LA SONORIDAD

La sonoridad de un ruido puede estimarse de tres formas generales: 1. Mediante enjuiciamiento subjetivo, usando un procedimiento como el descrito en el primer párrafo anterior de «Sonoridad». Un procedimiento habitual requiere que un panel de oyentes con audición normal juzgue cuándo un tono ajustable de referencia de 1000 Hz es de la misma sonoridad que el sonido evaluado. El resultado numérico de este procedimiento representará el nivel de sonoridad enfonios (véase Figura 17.5), pero puede convertirse a sonios, si se desea, mediante la Figura 17.6. 2. Mediante cálculo del análisis espectral del ruido en bandas de tercio, de media, o de octava completa. Varios de estos procedimientos se describen en secciones posteriores. Las unidades de las estimaciones son los sonios. 3. Mediante medida instrumental, usando un aparato que intenta representar la respuesta del oído. Tales aparatos varían en complejidad, desde un sonómetro, con una red de ponderación de frecuencias, hasta un elaborado equipamiento digital. Los aparatos más sofisticados aportan estimaciones en sonios.

PROCEDIMIENTOS PARA EL CALCULO DE LA SONORIDAD

Todos los métodos para el cálculo de la sonoridad son aproximaciones relativamente burdas sometidas a grandes errores, sobre todo para sonidos que poseen espectros no uniformes y/o varían con el tiempo. Debido a su inherente imprecisión, la sonoridad calculada es más útil como medida relativa para estimar o describir los cambios en sonoridad que como medida absoluta. Hay disponibles varios procedimientos para calcular la sonoridad de un sonido estable. Los dos métodos aquí descritos han sido aceptados como estándares, aunque los resultados calculados mediante ambos, para el mismo espectro de ruido, pueden variar considerablemente. Varían en complejidad, precisión y en el grado de aplicabilidad a diferentes tipos de sonidos. Por ejemplo, el primer método es relativamente sencillo y fácil de usar y funciona bien para sonidos estables con espectros continuos, que no tengan cambios agudos. Para sonidos con discontinuidades espectrales agudas, quizá conteniendo componentes de tonos puros, el segundo método es más adecuado. Para sonidos que no son estables, es decir, varían con el tiempo, ningún método es aplicable directamente.

17.13

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

TABLA 17.1.

Ejemplo de cálculo de la sonoridad mediante el método ISO A

Frecuencia, Hz

63

Nivel de presión sonora de banda de octava,dB

56

125

250

500 1000 2000 4000 8000

56

65

70

1,2

1. Indice de sonoridad, sonios

1,9

4,7

7,5

81

81

78

73

18

22

21

19

2. El índice de sonoridad máximo (1m) es 22 sonios

3. "'i.1

= 1,2 + 1,9 + 4,7 + 7,5 + 18 + 22 + 21 + 19 = 95,3 sonios

4. "'i.1 - 1m

= 95,3 - 22 = 73,3 sonios

5. Sonoridad

=

1m + 0,3("'i.1 - 1m)

=

22 + 0,3

X

73,3

=

44 sonios

Método ISO A Este método ha sido adoptado por el American National Standards Institute (ANSI)l1 y la International Organization for Standardization (ISO)12 para calcular la sonoridad de sonidos complejos, estables, que han sido analizados en bandas de octava, de media octava y de tercio de octava. Este método hace uso de un conjunto de curvas de igual sonoridad denominado curvas del índice de sonoridad (Figura 17.7), con el fin de determinar la contribución a la sonoridad de cada una de las diferentes bandas. A la sonoridad de la banda más sonora se añade una fracción de la suma de la sonoridad de las bandas restantes. Esta fracción se elige para dar cuenta del efecto enmascarador de unas bandas sobre otras, mediante la reducción de sus contribuciones a la sonoridad. La fracción es 0,3, 0,2, o 0,15, para bandas de octava, media octava y tercio de octava, respectivamente. La International Organization for Standardization recomienda este método para calcular la sonoridad cuando es adecuado un análisis en bandas de octava de los sonidos.

Ejemplo de cálculo de la sonoridad mediante el método ISO A. espectro en bandas de octava que muestra la Figura 17.8.

Considérese el

1. En primer lugar se determina el índice de sonoridad 1 para cada banda de octava. Esto puede hacerse empleando las curvas de índices de igual sonoridad que muestra la Figura 17.7, en que se representan niveles de presión sonora de las bandas de octava de la Figura 17.8. La Tabla 17.1 muestra los valores de los índices de sonoridad para cada banda de octava, tal como se leen en la Figura 17.7. 2. Se identifica el valor máximo del índice de sonoridad, 1m· 3. Se suman los valores de los índices de sonoridad para todas las bandas de octava, ¡l. 4. Ahora se resta de ¡I el índice de sonoridad máximo 1m ; en este ejemplo, es 22 sonios para la banda de 2000 Hz. 5. Se multiplica esta cantidad (II - 1m ) por el factor de anchura de banda (0,3 para bandas de octava) y se añade al índice de sonoridad máximo 1m para ob-

17.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

120 110

¡g 100 ::J

w

al

8Cl

90

zw oC(

Cl

zoC(

80

al

::5 70 w

Cl oC(

a:

o 60 z oen z O

¡¡; w a: el. w

Cl

50 40

..J

W

> Z

30 20 10 5

1 100

2

5

1 1.000

2

5

1 10.000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 17.7. Curvas del índice de igual sonoridad para calcular la sonoridad mediante el método ISO A. Estas curvas muestran la contribución relativa de varias bandas (v. g., índice de sonoridad 1) expresada en términos del nivel de presión sonora de cada banda. El espectro de bandas de octava de la Figura 17.8 está registrado sobre estas curvas.

tener la sonoridad total igual a 1m + 0,3 ei'! - 1m), en sonios. Esto nos da 22 + 0,3 (73,3) = 44 sonios. De forma alternativa, si se aplica el mismo procedimiento de cálculo al espectro en bandas de un tercio de octava, se obtiene una sonoridad total de 46 sonios.

17.15

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

m w

...J

<{

u

m ~ O a:

u ~

100

90

o

'"w

a: rnO :J w

80

ID

U w

Cl

z

70

Cl

Z

<{ ID

60

::5 w

Cl <{

a: O

50

~ ~BANDA r)\'

BANDA,~ DE OCTAVA

w <{

~

z

O

"-- ....

1}-./K:~> DE 1/3 DE

OCTAV~ ~

m

z

O

iñ w a:

40

Cl..

w

Cl ...J

w

> Z

63

30 5

2 O

125 1

100

2

500 5

1000

2000

1

2

1000

4000 5

8000 1

10000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 17.8. Espectros de bandas de octava y de un tercio de octava de la misma fuente de ruido; usado en los ejemplos de los cálculos de sonoridad.

Método ISO B

Este método está recomendado por el IS0 12 para el cálculo de la sonoridad de un sonido complejo, estable, para el que se dispone de análisis en bandas de un tercio de octava. Es aplicable no sólo a sonidos con espectros regulares, de banda ancha, sino también para sonidos de espectros lineales fuertes o irregulares, para los que no resulta adecuado el análisis en banda de octava. El cálculo se lleva a cabo gráficamente empleando un conjunto seleccionado de curvas que: (1) convierten los niveles de banda de tercio de octava en sonoridad, (2) compensan los efectos de enmascaramiento entre bandas y (3) permiten añadir las contribuciones de varias bandas mediante la integración de un área sobre el gráfico. El gráfico apropiado ha de seleccionarse sobre la base del nivel del sonido y la naturaleza del campo sonoro. A menudo se asume un campo de sonido difuso o un sonido que incide frontalmente (el oyente de cara a la fuente) en campo libre, aunque las situaciones existentes en los problemas prácticos de control del ruido a menudo no se corresponden en sentido estricto con ninguno de estos dos supuestos.

17.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ejemplo de cálculo de la sonoridad mediante el método ISO B. Considérese el espectro en bandas de un tercio de octava que muestra la Figura 17.8. 1. Se determina si la escucha es de incidencia frontal o en campo difuso; en este ejemplo se asume un campo difuso. 2. Se selecciona, entre los diferentes gráficos publicados en la norma IS012 , el gráfico para campo difuso que contiene el rango de niveles adecuado. El gráfico debe incluir el nivel más alto de presión sonora de banda de tercio de octava; en este ejemplo, 79 dB a 800 Hz (Figura 17.8). 3. Se marcan los niveles de banda por encima de 280 Hz con líneas horizontales, formando barras contiguas. 4. Se combinan los niveles de las bandas de 200 y 250 Hz mediante el uso de la Figura 1.14. Esto da un nivel de 62,4 dB; se marca este nivel con una línea horizontal formando una barra que abarca de 180 a 280 Hz. 5. Se combinan los niveles de las bandas de 100, 125 Y 160 Hz mediante el uso de la Figura 1.14. Esto da un nivel de 56,5 dB; se marca este nivel con una línea horizontal formando una barra desde 90 a 180 Hz. 6. Se combinan los niveles para todas las bandas con frecuencias centradas en 80 Hz o menos mediante la Figura 1.14. Esto da un nivel de 56 dB; se marca este nivel con una línea horizontal formando una barra que llega hasta 90 Hz. 7. Allí donde el escalón formado por las barras contiguas asciende al aumentar la frecuencia, se conectan las barras mediante una línea vertical. Si un escalón desciende al aumentar la frecuencia, como en las bandas de 400 y 800 Hz, etcétera, la transición se dibuja en paralelo a las líneas a trazos, como muestra la Figura 17.9. El área enmarcada por la totalidad de la figura escalonada corresponde a la sonoridad total. 8. Por aproximación o mediante un planímetro, se transforma el área marcada en un rectángulo que tenga la misma área con la base igual a la anchura del gráfico. (Véase línea de puntos en la Figura 17.9.) La altura de este rectángulo, leída sobre la escala vertical adecuada, nos da una sonoridad de 64 sonios.

SONIDOS DE CORTA DURACION En general, para los mismos niveles de presión sonora, los sonidos de corta duración son menos sonoros que los de larga duración. Los experimentos no están completamente de acuerdo respecto a la definición de larga y corta duración, o acerca de si la definición cambia con el nivel de presión sonora 13 • A pesar de ello, la Figura 17.10 muestra una representación idealizada de cómo ha de incrementarse el nivel de presión sonora de un sonido de corta duración para que su sonoridad sea igual a la de un sonido continuo. Los enjuiciamientos sobre sonoridad que requieren que los sujetos igualen la sonoridad de un sonido muy corto (como un clic) con la de un tono continuo de 1000 Hz son difíciles. Los individuos tienden a ser menos consistentes en sus estimaciones sobre sonoridad para los sonidos de corta duración que para los sonidos

14

18

2,24

2,8

3,55

4,5

5,6

7,1

9,0 11,214 kHz

50~

RGURA 17.9. Gráfico para el cálculo de la sonoridad en un campo de sonido difuso mediante el método ISO B. Los datos son del espectro de tercios de octava de la Figura 17.8.

4590180280355450560 710900Hz 112

110

70

80

90

~~~~1100

100

150

SONia I FONIO

...a

..... ...a .....

z

n (5

~

om

~

~

::o

~

~ ::o

17.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

20 ClJ "O

o>

.'¡:;

ca

""§

10

Q)

.~

Z

° 0,001

0,01

Duración, s

0,1

FIGURA 17.10. Nivel de presión sonora de un sonido corto respecto al de un sonido continuo, necesario para mantener igualada la sonoridad de ambos. Este es un modelo idealizado; los resultados reales diferirán en parte. Para duraciones inferiores a aproximadamente 0,1 segundos, la igualdad en energía se aproxima a la sonoridad constante.

estables. No hay métodos normalizados reconocidos para calcular la sonoridad de los sonidos de corta duración.

ENMASCARAMIENTO Una característica importante de un sonido es su propiedad de interferir, enmascarar, la audición de otro sonido. El enmascaramiento es el proceso mediante el cual el umbral de audibilidad de un sonido, la señal, se eleva en presencia de otro sonido (enmascarador). Se denomina umbral enmascarado al umbral elevado. La medida cuantitativa del enmascaramiento es el número de decibelios en que el umbral se eleva. Al evaluar un ruido particular como molesto o no deseado, un factor importante es el grado en que enmascara la audición de ciertos sonidos deseados, como el habla y la música. El enmascaramiento es a menudo un problema crucial en la seguridad, como en una fábrica, donde el ruido puede enmascarar el sonido de una señal de alarma, o en una calle de ciudad, en que el ruido puede enmascarar un vehículo que se acerca. A menudo, es importante determinar si un sonido concreto, como una señal de aviso o alarma, será audible. Para que se oiga, su nivel de presión sonora debe igualar o superar: (1) el umbral de audición del oyente y (2) el umbral enmascarado para la señal concreta sobre el ruido de fondo existente. En la práctica, para personas con audición normal y ruidos de fondo normales, la audibilidad de un sonido suele estar determinada por el nivel del ruido de fondo. La magnitud del

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.19

enmascaramiento depende de varias propiedades físicas de la señal y del sonido enmascarador: su espectro, sus niveles de presión sonora y tiempos relativos de llegada. En la situación de enmascaramiento que se encuentra habitualmente, ambos sonidos ocurren simultáneamente, son relativamente estables y alcanzan el oído u oídos de forma normal. En este caso, los efectos de enmascaramiento son estables y reproducibles y pueden predecirse con bastante precisión sobre la base de las propiedades físicas conocidas de los dos sonidos. A este respecto, lo más importante son los espectros de los dos sonidos. Las técnicas para la predicción de las relaciones de enmascaramiento de varios sonidos presentados simultáneamente a uno o ambos oídos se comentan en secciones posteriores. Se producen efectos de enmascaramiento especiales que están relacionados con las diferencias temporales e interaurales entre la señal y el sonido enmascarador y se comentan brevemente en la sección sobre enmascaramiento interaural. En general, el enmascarador es el sonido que enmascara la señal y es el mayor cuando ambos sonidos se producen simultáneamente en el tiempo y están en fase en ambos oídos. Enmascaramiento por tonos puros o bandas finas de ruido

La importancia de la relación de frecuencia entre la señal y el sonido que aporta el enmascaramiento se ilustra en la Figura 17.11, que muestra la magnitud de enmascaramiento producido por un ruido de banda fina sobre una señal de tono puro. Se muestran los resultados para bandas de ruido cuyo nivel de presión sonora global varía entre 20 y 80 dB y que están centradas en 410 Hz. Los efectos de enmascaramiento producidos por un tono puro son parecidos a los que muestra la Figura 17.11, salvo que las asimetrías son más pronunciadas y las funciones más irregulares. En cada caso, tono puro o ruido, la forma de las funciones de enmascaramiento es casi independiente de la frecuencia del sonido que produce el enmascaramiento. Simplemente se desplazan sobre el eje de la frecuencia, de manera que el máximo de la función siempre coincide con la frecuencia del sonido enmascarador. Una propiedad importante del enmascaramiento, ilustrada por la Figura 17.11, es que los sonidos de baja frecuencia son eficaces para enmascarar sonidos de alta frecuencia, pero no al contrario. Este efecto es particularmente prominente cuando la fuente de enmascaramiento es de nivel de presión sonora alto.

Enmascaramiento por ruido de banda ancha. Bandas críticas

Cuando el sonido enmascarador es un ruido de banda ancha y la señal es un tono puro, distintas partes del espectro de ruido contribuyen de forma diferente al efecto de enmascaramiento. La banda crítica para el enmascaramiento hace referencia a esa porción del ruido que es eficaz para enmascarar una señal de tono puro. Es como si la señal y el sonido enmascarador pasaran a través de un filtro de bandas que está centrado a la frecuencia de la señal, con el enjuiciamiento auditivo o el sistema de respuesta actuando sobre la salida del filtro. En otras palabras, sólo aquella parte del ruido que está próxima a la señal tiene un efecto sobre su umbral enmas-

17.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO 70 80: Ruido dB SP

60

50 aJ 1:1

<5 E 40 CIl

'E., ~

.,'"<.>

E

30

e w

20

10

O~--~--~

100

__

200

~~

__

L-~C-~~~-L

500

____~__L -__~~~

1000

2000

Frecuencia de la señal, Hz

FIGURA 17.11. Enmascaramiento producido por un ruido de banda fina sobre una señal de tono puro. El desplazamiento del umbral producido por el ruido que tenía una anchura de 90 Hz y estaba centrado a 410 Hz está recogido para distintas frecuencias de la señal y niveles de ruido. (De J. P. Egan y H. W. Hake I4 .)

carado. La frecuencia de respuesta del filtro es aproximadamente gaussiana (en forma de campana)15 y posee una anchura de banda eficaz, la banda crítica, que cambia con la frecuencia de la señal, corno muestra la Figura 17.12. Otra cantidad, la proporción crítica, que también muestra la Figura 17.12, mantiene estrecha relación con la función de la banda crítica. La proporción crítica es la anchura de banda del ruido enmascarador que contiene una potencia sonora igual a la de un tono puro centrado en esa banda, cuando el tono es mínimamente audible (al umbral enmascarado). El concepto de banda crítica no sólo es relevante para el enmascaramiento, sino que también resulta útil para describir la mayoría de los fenómenos relacionados con la resolución de frecuencias del sistema auditivo. Estos incluyen, entre otros efectos, la suma de sonoridades de los tonos multicomponentes, sensibilidad del umbral, discriminación de frecuencias y consonancia musical. Una propiedad importante del enmascaramiento por ruido de banda ancha es que aumenta 10 dB por cada incremento de 10 dB en el nivel del ruido enmascarador, siempre que la magnitud del enmascaramiento sea de 20 dB o más. Cuando es inferior, o sea, cuando el enmascaramiento es tan pequeño que el umbral está en la región de transición entre el umbral absoluto de audibilidad y un umbral comple-

17.21

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

2000 90

1000

N

J:

.;

'"

:g"

500

"O

c:

25

ca

.,

.o "O

~

«"

c:

ca

.,

.o

200

"O

Banda crítica

~ ~

c:

"ca

"O

~

~

.<:

100

30

"c: ~

en o

(5

50 15 2 O

50

100

200

500

1000

2000

5000

10.000

Frecuencia

FIGURA 17.12. Comparación entre estimaciones de anchuras de bandas críticas. La curva denominada banda crítica se basa en una variedad de estudios, incluyendo algunos sobre enmascaramiento en los que la señal está centrada en una banda de ruido cuyo espectro es, por lo demás, uniforme 15 • Los paradigmas de enmascaramiento tales como los descritos en el texto dan lugar a menudo a estimaciones que aproximan a la curva denominada proporción crítica. (De E. Zwicker y CO/S. 16 )

tamente enmascarado, el aumento del umbral es menor que el incremento en el nivel de ruido.

Enmascaramiento interaural

La discusión previa se aplica a situaciones en que la señal y el ruido se presentan sólo a un oído y a situaciones en que combinaciones idénticas de señal y ruido se presentan a ambos oídos. Por otro lado, si una señal se dirige a un oído y el ruido enmascarador al otro, los oídos actúan de forma independiente, siempre que ambos sonidos tengan larga duración y posean ondas no correlacionadas. Por ejemplo, si una persona escucha a través de un auricular diseñado para evitar que las fugas de ruido pasen al oído, virtualmente no se produce enmascaramiento en ese oído para niveles de presión sonora de bajos a moderados del ruido enmascarador (niveles de presión sonora tales que el enmascaramiento en el oído con ruido sea inferior a unos 50 dB). Para niveles por encima de éstos, el enmascaramiento en el oído obstruido se produce porque el ruido es conducido a ese oído a través de la conducción ósea. El enmascaramiento en este caso puede describirse básicamente como monoaural, con la cabeza sirviendo de atenuador, reduciendo el ruido en aproximadamente 50 dB. Así, el enmascaramiento interaural sólo es importante cuando el

17.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nivel sonoro supera notoriamente al del oído obstruido, como en el ejemplo anterior.

Restablecimiento de la sonoridad con enmascaramiento

En un fondo silencioso, a medida que el nivel de presión sonora del sonido aumenta por encima de su umbral de audibilidad, su sonoridad aumenta gradualmente. Sonidos tales como el habla o la música adquieren un volumen adecuado para una escucha cómoda cuando están aproximadamente de 40 a 60 dB por encima del umbral. En un fondo ruidoso, la situación es muy diferente. A medida que el nivel del sonido enmascarado aumenta por encima de su punto inicial de audibilidad (umbral enmascarado), la sonoridad aumenta muy rápidamente, de manera que a aproximadamente 20 dB por encima de su umbral enmascarado, el sonido esencialmente recupera el volumen normal que hubiera tenido en ausencia del ruido enmascarador. Restablecimiento es el término empleado para describir este crecimiento anormalmente rápido de la sonoridad a medida que los niveles sonoros superan un umbral que ha sido elevado, ya sea por el enmascaramiento o por la sordera.

LOCALlZACION AUDITIVA La localización auditiva es la capacidad del sistema auditivo para localizar la dirección de una fuente de sonido. Habitualmente no se relaciona con la distancia a la fuente. La localización es útil en situaciones tan diversas como la ubicación de un potencial peligro (por ejemplo, un automóvil que se acerca) o al atender a una conversación particular en una habitación concurrida. La localización del sonido es posible con un solo oído, pero es muy deficiente; la localización es un fenómeno esencialmente biaural. Las diferencias entre los sonidos en los dos oídos (diferencias interaurales) aportan la base principal para la localización. Estas diferencias interaurales que son responsables de la localización incluyen el nivel de presión sonora, el tiempo (la estructura de la forma de onda o la envolvente dependiendo de la circunstancia) y el espectro.

Precisión

La precisión de la localización auditiva puede especificarse en términos de: (1) localización aparente de la fuente y (2) ángulo mínimo audible. La localización aparente de la fuente es la dirección en el espacio desde la que el sonido parece surgir y se mide mediante la descripción del oyente o, más a menudo, señalando la dirección. El ángulo mínimo audible es la mínima diferencia angular detectable entre dos fuentes y se mide haciendo que el oyente indique si dos sonidos sucesivos proceden de la misma o de diferentes localizaciones. Así, la determinación del mínimo ángulo audible es una tarea de discriminación. El enjuiciamiento respecto de la dirección

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.23

de una de las fuentes se hace con respecto a la otra. Por el contrario, la localización de la fuente aparente suele implicar un enjuiciamiento direccional respecto de una sola fuente y es, por lo tanto, absoluto en el sentido de que no es necesaria una fuente explícita de comparación. La precisión en la localización en el plano horizontal (azimut) es muy superior a la del plano vertical (elevación). La localización horizontal es mejor para sonidos situados directamente enfrente del oyente (0°) y para sonidos (y ruido de banda ancha) de frecuencias bajas (menos de 1500 Hz) y altas (más de 2500 Hz). Bajo estas condiciones, los errores pueden ser tan mínimos como lOen un campo abierto silencioso. Sin embargo, con la cabeza fija y con fuentes de banda fina, no son infrecuentes errores mayores. En estos casos, el sonido es a menudo (falsamente) localizado en una posición simétrica, con respecto al eje de los oídos, de la fuente real. Por ejemplo, una fuente a 0° se localiza a 180°, o una fuente a 30° se localiza a 150°. Sin embargo, con fuentes de banda ancha y duraciones sonoras lo suficientemente prolongadas como para permitir a los oyentes que muevan la cabeza, casi nunca se producen confusiones de este tipo. La precisión se reduce a medida que la posición de la fuente se aleja del frente y hacia el costado del oyente. A 90° se reduce por un factor de 3 (comparado con 0°) para fuentes de banda ancha y en mayor medida para fuentes de banda fina. En el último caso, este descenso es extremadamente dependiente de la frecuencia, con las mayores reducciones en frecuencias alrededor de los 3000 Hz (± 1 octava). A medida que la fuente se mueve hacia la espalda del oyente, la precisión aumenta ligeramente, de manera que a 180° (con fuentes de banda ancha) es peor que a 0°, en un factor 220. La localización en el plano vertical es virtualmente imposible, si la cabeza está fija, para fuentes cuya anchura de banda sea menor que dos tercios de octava. Sin embargo, si la cabeza puede moverse, la precisión mejora notablemente, y si se emplea una fuente de banda ancha, es aún mejor. El movimiento de la cabeza tiene el potencial de convertir la elevación en azimut dependiendo del eje sobre el que rote. Como sucedía con la localización azimutal, la precisión en la localización elevada con la cabeza fija depende de la posición de la fuente. O sea, es mejor a 0° (directamente delante del oyente) y empeora a medida que se eleva la fuente, hasta 90° (por encima de la cabeza), donde es peor con un factor 2. Mejora algo a medida que la fuente se mueve hacia la espalda del oyente, pero aun así es sustancialmente peor que a 0° de elevación2o. El mínimo ángulo audible se ve afectado por los mismos factores y de la misma forma que la localización aparente. Por lo general, la precisión de los enjuiciamientos del oyente es mayor en la tarea del mínimo ángulo audible. O sea, el mínimo ángulo detectable entre dos fuentes es habitualmente menor que el error en la localización de una fuente única 21 . Aunque la localización auditiva está relacionada fundamentalmente con los aspectos direccionales de localización de la fuente, bajo ciertas circunstancias se puede hacer una estimación de la distancia. El principal requisito es que el oyente esté familiarizado con el sonido. En este caso, el nivel de presión sonora y las características espectrales y reverberante s aportan suficiente información para que el oyente realice, al menos, enjuiciamientos someros sobre la distancia de la fuente.

17.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Bases para la localización

Las diferencias entre oídos en el nivel de presión sonora son el principal determinante de la localización aparente de una fuente de sonido para frecuencias por encima de los 1500 Hz. Estas diferencias surgen sobre todo como resultado de la sombra sonora con que la cabeza cubre al oído alejado y son extremadamente dependientes de la frecuencia. Se modifican notablemente mediante el pabellón auditivo a frecuencias por encima de 2500 Hz y también se modifican al reflejarse desde el torso. Esto último junto con la interferencia constructiva y destructiva del pabellón auditivo son importantes para la localización en el plano vertica123 • Las diferencias interaurales a lo largo del tiempo (disparidad temporal en la estructura de la forma de onda) son el principal contribuyente de la capacidad para la localización a frecuencias por debajo de 1500 Hz. Estas diferencias se producen como resultado de la separación de los oídos sobre lo que puede contemplarse como una esfera rígida. Su mayor magnitud se produce por debajo de los 600 Hz y son independientes de la frecuencia23 • Las diferencias espectrales interaurales tienen una importancia secundaria, salvo para la localización en el plano vertical. Estas diferencias existen debido a la naturaleza dependiente de la frecuencia de las diferencias de presión sonora entre oídos y se manifiestan más notoriamente para ruido de banda ancha.

Condiciones reverberantes e inteñerencia del ruido

Una fuente de ruido puede localizarse bastante bien incluso en un recinto cerrado grande (un espacio de trabajo típico) en el que el sonido llega a los oídos del oyente por reflexiones múltiples desde muchas direcciones. La base para esta habilidad es el efecto de precedencia. La localización auditiva se logra haciendo uso del primer sonido que alcanza los oídos del oyente, sin tener en cuenta las reflexiones que llegan posteriormente24 • Este efecto puede ilustrarse mediante un par de altavoces, uno fijo y otro móvil. Bajo una amplia gama de condiciones, si se irradia el mismo sonido desde ambos, pero se retrasa en el altavoz móvil, la localización aparente del sonido es independiente de la posición del altavoz móvil y se corresponde simplemente con la del altavoz fijo. El efecto de precedencia es empleado en sistemas sofisticados de sonido reforzado y es crucial para que el sistema auditivo localice eficazmente el sonido en condiciones de reverberación. Por lo general, la localización es resistente a los efectos de interferencia del ruido. Estos efectos, en condiciones reverberante s, son extremadamente dependientes de los niveles relativos de la fuente y del ruido. Si con una fuente única tanto el ruido como la fuente a localizar provienen de la misma región espacial, la precisión no se ve afectada mientras el resto de las señales de examen estén entre 10 y 15 dB por encima de su umbral. Si sus niveles son inferiores a éstos, la precisión empeora con señales cuyas frecuencias estén en torno a 3000 Hz, mostrando mayores pérdidas en aquellas alrededor de 500 Hr 5• En la mayoría de las situaciones prácticas, los sonidos a localizar están por encima de este nivel crítico. También sucede que con fuentes múltiples, tales como los altavoces empleados en estereofonía, mientras el nivel de la fuente esté entre 8 y 15 dB por encima del ruido, se observa poca degra-

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.25

dación en la localización. El empeoramiento puede ser severo para fuentes con niveles bajos, y ésta es una de las razones por las que es importante mantener el ruido al mínimo en estudios de grabación del sonid024•

SENSIBILIDAD AUDITIVA A PEQUEÑAS DIFERENCIAS La capacidad del oído para recibir información acústica depende crucialmente de su capacidad para discriminar pequeñas diferencias en el estímulo acústico. La comprensión del habla y la identificación de un sonido particular como, por ejemplo, el de un automóvil determinado o instrumento musical, son procesos muy complejos que implican la síntesis cerebral de un patrón de información que incluye la discriminación de frecuencia, amplitud y claves temporales.

Sensibilidad a cambios pequeños en el nivel de presión sonora

Los cambios pequeños en el nivel de presión sonora son percibidos por el oído fundamentalmente como diferencias en sonoridad, aunque pueden estar acompañados de cambios secundarios en el tono aparente y en la calidad del sonido. La Figura 17.3 muestra la mínima diferencia apreciable en el nivel de presión sonora para tonos de distintas frecuencias y para ruido de banda ancha. Nótese que a los niveles de presión sonora más altos son detectables los cambios menores de nivel. Para niveles de presión sonora de unos 60 dB o más por encima del umbral, puede detectarse un cambio de tan sólo 0,5 dB, o incluso algo menor. Una recopilación de datos de muchos estudios sobre tonos pulsados 18 concluye que la diferencia mínima perceptible es independiente de la frecuencia, como muestra la línea a trazos en la Figura 17.13. Los datos sobre la detectabilidad de la modulación de la amplitud periódica de los tonos19 muestran cierta dependencia de la frecuencia. Para ruido de banda fina, la mínima diferencia detectable en el nivel de presión sonora es mayor (la discriminación es peor), debido aparentemente a las mayores fluctuaciones de nivel de las bandas fmas. La mínima diferencia perceptible aumenta a medida que decrece la anchura de banda. Para bandas de ruido cuya anchura es inferior a 1000 Hz, la mínima diferencia perceptible está por encima de los 2 dB 26• Además del nivel de presión sonora y la frecuencia, la mínima diferencia perceptible en nivel de presión sonora depende de la duración de la señal, al menos para duraciones cortas. Se reduce a medida que la duración aumenta hasta una cTÍtica de aproximadamente 0,1 se~7.

Sensibilidad a pequeñas diferencias en frecuencia

El mínimo cambio detectable en la frecuencia de un tono puro depende de su frecuencia, de su nivel por encima del umbral y de su duración. La Figura 17.14 muestra la mínima diferencia detectable en frecuencia para tonos puros a varias frecuencias y niveles por encima del umbral. Los cambios de frecuencia se perciben mejor

17.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

10 9 8

7 6 5

4

3

2

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

/ .... ......

...

PULSOS DETONaS (TODAS LAS FRECUENCIAS)

,, 200 Hz

0,4 0,3

1000 Hz

RUIDO DE BANDA ANCHA

4000 Hz

0,2 20

40

60

80

NIVEL POR ENCIMA DEL UMBRAL EN DECIBELIOS

FIGURA 17.13. Mínima diferencia perceptible en nivel de presión sonora para ruido de banda ancha (datos de G. A. Miller17 ), pulsos de tonos de 0,5 segundos de duración (datos de W. Jesteadt y COIS. 18 ) y tonos con amplitud modulada a 3 Hz (datos de R. R. Riesz19 ). Los resultados para los pulsos de tonos son independientes de la frecuencia; los de la amplitud modulada, no.

a niveles de 40 dB o más por encima del umbral y a bajas frecuencias; los cambios pequeños de entre 1 y 3 Hz se detectan a frecuencias por debajo de 1000 Hz. Como muestra la Figura 17.14, la mínima diferencia detectable para pulsos de tono28 de 0,5 segundos de duración muestra una dependencia algo distinta de la frecuencia a la de los tonos de frecuencia modulada29 . La mínima diferencia detectable en frecuencia varía de acuerdo con la duración de la señal, como muestra la Figura 17.5. Si las funciones se dibujan sobre coordenadas logarítmicas, se hace menor a medida que la duración aumenta de una forma aproximadamente lineal. El efecto de la frecuencia que muestra la Figura 17.15 es consistente con el que muestra la Figura 17.14 para pulsos de tonos; esto es, la diferencia mínima perceptible se reduce al reducir la frecuencia, haciéndose constante a frecuencias inferiores a 500 Hz. Otros datos sugieren que las funciones que muestra la Figura 17.15 alcanzan la asíntota para duraciones superiores a 0,2 segundos 30 •

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

50

VI

17.27

,----------------------------------1r.

o

'¡;j

Qi

.t::

c:

: 20

'0

c:

Q)

::;:¡

(.)

~

10

cQ):

10 dB (FM)

Q)

:o ''¡:;

c. Q) ¡: Q) c.

5 40 dB (FM)

ca

'0

c:

~

2

J!? 'O

40 dB (Pulsos de tono)

ca

E .!:

~

0,5 L -_ _----'_ _ _ _----'-_ _-'---'---'-_____ L-_ _ _ _L----L---'--' 100 1000 10.000 Frecuencia en herzios

FIGURA 17.14. Mínima diferencia perceptible en frecuencia para tonos puros. Se muestran los resultados para pulsos de tono de 0,5 segundos de duración (datos de C. C. Wier y COIS. 28 ) y para tonos modulados por la frecuencia a 2 Hz (datos de E. G. Shower y R. BiddulpIi 9 ). Los dos procedimientos producen diferentes resultados de forma consistente. En ambos casos el resultado depende del nivel, aunque sólo se muestran los resultados para distintos niveles sonoros por encima del umbral para frecuencias moduladas (FM).

REFERENCIAS 1. C. T. Morgan y cols., Human engineering guide to equipment design, McGraw-Hill, Nueva York, 1963, p. 124. 2. E. A. G. Shaw, «The external eap>, Handbook ofsensory physiology, vol. 5/1, W. D. Keidel y W. D. Neff (Eds.), Springer, Nueva York, 1974. 3. N. A. Watson y R. S. Gales,J. Acoust. Soco Am., vol. 14, 1943, p. 207. 4. G. V. Bekesy, Experiments in hearing, McGraw-Hill, Nueva York, 1960, pp. 257-267. 5. «Normal equalloudness contours and normal thresholds of hearing under free field listening conditions», ISO Recommendation R 226, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1961. 6. R. Chochelle, Acustica, vol. 4, 1954, p. 341. 7. R. S. Silverman, Ann. ofOtol. Rhinol. Laryngol., vol. 56,1947, p. 658. 8. Hearing levels of adults by age and sex, United States, 1960-1962, USPHS Publication n° 1000, ser. 11, nO 11, Public Health Service, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., octubre 1965. 9. A. Spoor, Int. Audio!., vol. 6,1967, p. 48. 10. D. W. Robinson y R. S. Dadson, Brit. J. Appl. Phys., vol. 7,1956, p. 166.

17.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

500.-------------------------------,

200 N

J:

100

ca 'ü

.,r:: :J U

50

~

.,.,r:: :o ., .,o.~ 'ü '"r::

.~

e

J!

:o

20 10

5

'" E

'c

~

2

0,005

0,01

0,05

0,1

0,5

Duración, s

FIGURA 17.15. Dependencia de la mínima diferencia detectable en frecuencia de la duración de los pulsos de tonos de varias frecuencias. (Según B. C. J. Moortl'.) 11. American national standard procedure for the computation of the loudness ofnoise, ANSI S3.4-1980 (R1986), American National Standards Institute, Nueva York, 1986. 12. «Method for calculating loudness level», ISO Recommendation R 532, Intemational Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1966. 13. B. Scharf, «Audition 11», Handbook of perception and human performance, vol. 1: Sensory processes and perception, K. Boff, L. Kaufman y J. Thomas (Eds.), John Wiley and Sons, Nueva York, 1986, Tabla 15.2, p. 15-11. 14. J. P. Egan y H. W. Hake, J. Acoust. Soco Am., vol. 22, 1950, p. 622. 15. R. D. Patterson y F. Nimmo-Smith,J. Acoust. Soc. Am., vol. 67, 1980, p. 229. 16. E. Zwicker, G. Flottorp y S. S. Stevens, J. Acoust. Soc. Am., vol. 29, 1957, p. 548. 17. G. A. MilIer,J. Acoust. Soc. Am., vol. 19, 1947, p. 609. 18. W. Jesteadt, C. C. Wier y D. M. Green, J. Acoust. Soc. Am., vol. 61, 1977, p. 169. 19. R. R. Riesz, Phys. Rev., vol. 31, 1928, p. 867. 20. J. Blauert, Spatial hearing, MIT Press, Cambridge, Mass., 1983, pp. 222-257, 37-50. 21. A. W. Milis, «Auditory localization», Foundations of modem auditory theory, vol. 2, J. Tobias (Ed.), Academic Press, Nueva York, 1972, pp. 308-311. 22. D. H. Mershon y L. E. King, Perception and Psychophysics, vol. 18,1975, p. 409. 23. G. F. Kuhn, «Physical acoustics and measurements pertaining to directional hearing», Directional hearing, W. A. Yost y G. Gouveritch (Eds.), Springer, Nueva York, 1987, pp. 3-25.

CARACTERISTICAS DE LA AUDICION

17.29

24. J. Blauert, Spatial hearing, MIT Press, Cambridge, Mass., 1983, pp. 222-257, 324-330. 25. T. Jacobsen, «Localization in noise», Tech. Rep. 10, Acoustics Laboratory, Technical University, Lynby, Dinamarca, 1976. 26. P. N. Schacknow y D. H. Raab, J. Acoust. Soco Am., vol. 60, 1976, p. 893. 27. M. Florentine,J. Acoust. Soco Am., vol. 79,1986, p. 792. 28. C. C. Wier, W. Jestead y D. M. Green, J. Acoust. Soco Am., vol. 61,1977, p. 178. 29. E. G. Shower y R. Biddulph, J. Acoust. Soco Am., vol. 3, 1931, p. 275. 30. W. W. Turnbull, J. Exp. Psychology, vol. 34, 1944, p. 302. 31. B. C. J. Moore,J. Acoust. Soco Am., vol. 54, 1973, p. 610.

Capítulo

18

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO William Melnick

INTRODUCCION Aunque los efectos del ruido sobre la audición no están definidos con precisión y siguen planteando dudas, existe suficiente información para permitir el desarrollo de índices predictivos de los efectos dañinos del ruido sobre la sensibilidad auditiva humana. El desplazamiento del umbral (expresado en decibelios) es la diferencia entre los niveles del umbral de audición medidos antes y después de la exposición al ruido. Si este desplazamiento es reversible (si el oído se recupera completamente después de la exposición al ruido, de manera que el desplazamiento del umbral se reduce acero), se dice que es transitorio o temporal; si el oído no se recupera completamente, se dice que el desplazamiento es permanente. Este capítulo describe ambos tipos de desplazamientos, los factores que influyen sobre ellos y la relación entre los desplazamientos temporales y permanentes inducidos por el ruido.

Tipos de pérdida de audición por exposición al ruido

Los efectos del ruido sobre la audición pueden dividirse en tres categorías.

Trauma acústico. El trauma acústico (daño orgánico inmediato del oído por excesiva energía sonora) se restringe a los efectos de una exposición única o relativamente pocas exposiciones a niveles muy altos de presión sonora. El ruido extremadamente intenso que llega a las estructuras del oído interno puede sobrepasar los límites fisiológicos de éstas, produciendo la rotura completa y alteración del órgano de Corti. Por ejemplo, una explosión puede romper el tímpano, dañar la cadena de huesecillos y destruir las células sensoriales auditivas. Por lo general, como resultado del trauma acústico suele producirse cierto grado de pérdida de audición per18.1

18.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

manen te. El episodio causante del trauma es a menudo dramático, de forma que la persona implicada no suele tener dificultad en especificar el comienzo del problema auditivo resultante.

Desplazamiento temporal del umbral inducido por el ruido (NITTS). El desplazamiento temporal del umbral (de audición) inducido por el ruido tiene como resultado una elevación de los niveles auditivos (una pérdida de la sensibilidad auditiva) después de la exposición al ruido. En este tipo de desplazamiento, la pérdida de audición es reversible. Desplazamiento permanente del umbral inducido por el ruido (NIPTS). En el desplazamiento permanente del umbral inducido por el ruido, la pérdida de audición no es reversible; permanece durante toda la vida de la persona afectada. No existe posibilidad de recuperación. Este tipo de desplazamiento puede ser resultado de un trauma acústico o estar producido por el efecto acumulativo de las exposiciones repetidas al ruido durante períodos de tiempo de muchos años. La mayoría de las personas que experimentan pérdidas auditivas permanentes las mantienen debido a los largos períodos de exposición repetida al ruido.

Ubicación de la patología orgánica

Las exposiciones repetidas a niveles altos de ruido, durante un período prolongado, pueden dañar la estructura del órgano de Corti, localizado en la cóclea (véase Figura 17.1). Las estructuras más susceptibles a la lesión por ruido son las células sensoriales receptoras, las células pilosas. Dependiendo de su severidad, la exposición al ruido puede producir la destrucción de células pilosas aisladas o puede conducir al colapso de secciones completas del órgano de Corti. Contrariamente a lo que ocurre con la lesión coclear por trauma acústico, la lesión debida a la exposición continuada al ruido no se produce porque se superen los límites físicos de las estructuras afectadas. Más bien el mecanismo principal de la lesión por ruido crónico parece ser fisicoquímico: la tensión metabólica que se ejerce sobre las células más estimuladas. El resultado final es la disfunción de las células sensoriales que acaba produciendo una pérdida de audición temporal o la destrucción de las células sensoriales que conduce a una pérdida de audición permanente, dependiendo del grado de la lesión celular.

DESPLAZAMIENTO TRANSITORIO (TEMPORAL) DEL UMBRAL Las características de los desplazamientos temporales del umbral inducidos por el ruido son de gran importancia para entender los efectos del ruido sobre la audición. El desarrollo y recuperación de los desplazamientos temporales del umbral dependen de la interacción compleja de las siguientes propiedades del ruido a las que el oído está expuesto: espectro, nivel de presión sonora, duración y patrón temporal.

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

18.3

Cómo se mide el desplazamiento temporal del umbral

Si el desplazamiento del umbral es temporal, la audición vuelve a los valores medidos antes de la exposición. La magnitud de este cambio depende del intervalo temporal transcurrido entre el cese de la exposición al ruido y la medida del umbral posterior a la exposición. La audición está afectada inmediatamente después de la exposición por otros procesos además de la fatiga auditiva. (Estos procesos tienen una vida relativamente corta y pueden incluir la adaptación neuronal y la sensibilización.) Para evitar la complicación de la influencia de estos procesos, que decaen rápidamente, sobre el nivel medido para el umbral auditivo, los desplazamientos temporales del umbral auditivo suelen estimarse unos 2 minutos después de la exposición, una vez que estos efectos son inapreciables(TI~). La medida del desplazamiento del umbral 2 minutos después de la exposición está ampliamente aceptada como referencia uniforme para el desplazamiento temporal del umbral que se modifica temporalmente, y suele usarse para describir los desplazamientos temporales del umbral producidos por exposiciones concretas. Factores que afectan al desarrollo del desplazamiento temporal del umbral

Nivel sonoro. La relación entre el desplazamiento temporal del umbral y el nivel sonoro del ruido al que se ha estado expuesto no es sencilla. Para la exposición a ruidos de niveles de presión sonora moderados (80 a 105 dB) durante menos de 8 horas, el desplazamiento temporal del umbral, 2 minutos después de la exposición, aumenta linealmente a medida que aumenta el nivel de presión sonora del ruido. Existe una interacción de fundamental importancia entre el nivel de presión sonora y la duración del sonido estimulador en la producción de desplazamientos temporales del umbral. Esta interacción subraya la importancia del concepto de exposición. Ni el nivel sonoro ni la duración sonora pueden considerarse por separado, sino que hay que considerarlos conjuntamente al describir los efectos del ruido sobre la audición. El crecimiento ordenado del desplazamiento temporal del umbral con el nivel de exposición sonora tiene unos límites inferior y superior. El límite inferior es el nivel de presión sonora que no producirá un desplazamiento de umbral medible a los 2 minutos de postexposición, sea cual sea la duración de la exposición. Estos niveles de exposición sonora definen el «silencio efectivo»; es decir, aquel nivel sonoro que ni produce cambios significativos temporales del umbral, ni retrasa la recuperación del desplazamiento temporal del umbral que resulta de la exposición previa al ruido. Este límite inferior depende del contenido de la frecuencia del ruido. Para octavas de baja frecuencia, 250 y 500 Hz, es un nivel de presión sonora de banda de octava de aproximadamente 75 dB; mientras que para las octavas 1000,2000 y 4000 Hz, el límite inferior está más próximo a un nivel de banda de 70 dB. Para ruido de banda ancha, el límite superior del rango de silencio efectivo es un nivel de presión sonora con ponderación A de, aproximadamente, 70 a 80 dB. Duración de la exposición. Para la exposición a niveles de presión sonora de banda de octava entre 80 y 105 dB, el desplazamiento temporal del umbral, a los 2 minutos del fin de la exposición, es aproximadamente proporcional al logaritmo de la

18.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

duración de la exposición hasta 8 horas. Experimentos sobre la exposición de sujetos humanos a niveles de ruido de octavas entre 80 y 95 dB, durante tiempos por encima de 8 horas, han mostrado que el desplazamiento temporal del umbral aumenta a medida que aumenta la duración de la exposición hasta cierto límite temporal y luego se estabiliza. Este nivel estabilizado se denomina desplazamiento de umbral asintótico (DVA). Aunque existen diferencias individuales en los seres humanos, esta condición se logra después de 8 a 12 horas de exposición. A las frecuencias sonoras más afectadas, los desplazamientos de umbral asintóticos parecen relacionados linealmente con el nivel de la octava centrada sobre esas frecuencias. El desplazamiento asintótico de umbral aumenta 1,7 dB por cada decibelio de aumento del nivel de la banda de octava que supere el límite del silencio efectivo. El desplazamiento de umbral asintótico, entre 9 y 90 dB, puede calcularse mediante la ecuación DVA

= 1,7 (NBO - SE)

donde NBO es el nivel de banda de octava del ruido estimulador y SE es el nivel sonoro definido como silencio efectivo para esta octava. La relación entre el desplazamiento temporal del umbral para las frecuencias más afectadas y la duración de la exposición para niveles de octava que excedan el nivel de silencio efectivo en distinta medida se muestra en el conjunto de curvas ce

40

'O

ro ..o

E

"

EO + 20 dB

35

--------11--

30

Qj

'O

EO+15dB

ro

25

o. E

20

o

15

'Eca

10

o

~

E Q)

_------I!-EO + 10 dB

N

ca

a. VI

5

Q)

o

Silencio efectivo

o Min

5

10

20

40

60

Horas 1

2

4

8

16

24

Días 1

2

3

Duración de la exposición

FIGURA 18.1.

Patrón de desarrollo idealizado del desplazamiento temporal del umbral humano para frecuencias que producen un efecto máximo en función del nivel y la duración de la exposición al ruido. El límite inferior del nivel de presión sonora capaz de producir un desplazamiento temporal del umbral se denomina sí/encio efectivo. El límite superior de la intensidad de la exposición para el desarrollo de este patrón es de aproximadamente 100 dB. El parámetro utilizado es la intensidad incrementada en intervalos de 5 dB por encima del silencio efectivo.

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

18.5

ideales que aparece en la Figura 18.1. Para niveles de octava iguales o superiores a 100 dB, el desplazamiento de umbral asintótico aumenta más rápidamente a medida que aumenta el nivel de la octava y ya no se mantiene la relación que muestra esta ilustración. Frecuencia de examen. Para tonos puros de bandas finas, la magnitud del desplazamiento temporal del umbral depende de la frecuencia y del espectro del sonido al que la persona es expuesta. Para condiciones de exposición (niveles de presión sonora inferiores a 70 dB o duraciones de unos pocos segundos) que producen desplazamientos de umbral a corto plazo, con duración inferior a 2 minutos, el desplazamiento máximo del umbral se produce en la frecuencia del sonido que ha producido el desplazamiento; el desplazamiento temporal del umbral a otras frecuencias es simétrico alrededor de la frecuencia del sonido que produce el desplazamiento. Sin embargo, las condiciones de exposición capaces de producir desplazamientos de umbral que persisten durante 2 minutos o más (niveles de presión sonora iguales o superiores a 80 dB, durante períodos de minutos, horas o días) tienden a producir desplazamientos máximos del umbral a frecuencias muy por encima de la del sonido que produce el desplazamiento. Cuando se emplean tonos puros para estudiar la exposición al sonido, el desplazamiento temporal del umbral máximo se produce a frecuencias progresivamente más altas a medida que aumenta el nivel de presión sonora de la exposición. Por ejemplo, al aumentar el nivel de 80 dB a 120 dB o más, el desplazamiento máximo ocurre entre 1/2 y 1 octava por encima de la frecuencia del sonido que produce el desplazamiento. Esta extensión de los efectos de la frecuencia es asimétrica, produciéndose cambios significativos en el rango de frecuencias inmediatamente por encima de la contenida en el sonido y cambios insignificantes para frecuencias por debajo de ésta. La Figura 18.2 ilustra los desplazamientos temporales del umbral que resultan de una exposición de 5 minutos a un tono puro de una frecuencia de 700 Hz, con un 20

,

F~ECUE~CIA D~ EXP~SICIONI

--'

w

o

....loo

;i o

O~

15

Cl,W

::E!!! wU

~~

10

~z

Zw w--'

~i

5

Cl,=>

ffl

o

o

j 1/

500

V\

f--

~

~

700 1000 1500 2000 3000 4000 FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 18.2. Desplazamiento temporal del umbral en función de la frecuencia, medido 5 minutos después de la exposición a un tono puro de 700 Hz, durante 5 minutos, a un nivel de presión sonora de 125 dB. (De W. O. Warcf.)

18.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nivel de presión sonora de 125 dB. Estas medidas fueron realizadas 5 minutos después de la exposición. Nótese que el desplazamiento máximo del umbral es a 1000 Hz, no a 700 Hz. La expansión del desplazamiento de umbral temporal máximo hacia frecuencias más altas también tiene lugar como resultado de la exposición a una determinada banda de ruido. El efecto máximo suele medirse entre 112 y 1 octava por encima de la frecuencia superior de la banda de ruido. Si la banda de ruido es ancha y relativamente plana, el desplazamiento máximo de umbral ocurre en un rango de frecuencias entre 3000 y 6000 Hz.

Espectro de ruido. Cuanto más alta es la frecuencia del sonido (al menos hasta 6000 Hz), produce un mayor desplazamiento del umbral, a niveles de presión sonora y duraciones comparables. Esta es la razón de que los límites de la exposición (véase Capítulo 26) permitan exposiciones superiores a niveles de presión sonora de octavas en la gama de las frecuencias bajas que en la gama de las frecuencias medias, sobre todo en las octavas centradas en 1000 y 2000 Hz. Los sonidos que por sí mismos no provocan desplazamientos temporales del umbral no tienen efecto sobre el crecimiento y la recuperación de un desplazamiento de umbral producido por exposiciones más intensas del mismo u otros sonidos. Que los oyentes pasen el período previo a la exposición en silencio o en niveles de octava de 70 dB o inferiores al sonido a que serán expuestos no tiene consecuencias para el desarrollo de desplazamientos del umbral. La recuperación tampoco se ve afectada porque el oyente sea expuesto a ruidos de nivel de octava de 70 dB durante el período de recuperación, en lugar de a un nivel muy bajo de ruido. Esta falta de interacción también se extiende a otras condiciones de la exposición. Un sonido que produce un desplazamiento temporal del umbral en una región de frecuencias no tiene por qué afectar a desplazamientos temporales del umbral en otras regiones de frecuencias. Esta ausencia de interacción y la independencia de las exposiciones particulares en la producción de desplazamientos temporales del umbral son fundamentales en el establecimiento de los criterios de riesgo de lesión. La dependencia de los desplazamientos del umbral para varias frecuencias respecto del espectro del ruido se muestra en la Figura 18.3, que compara los efectos de una octava centrada en 425 Hz con otra centrada en 4000 Hz, a los niveles de bandas de octava indicados2 •

Patrón temporal de exposición

La relación del desplazamiento temporal del umbral con las propiedades físicas de un ruido intermitente o fluctuante es más compleja que en el caso de una exposición a un ruido estable. Son importantes las duraciones de los períodos de ruido (on time), la duración de los períodos de silencio relativo (off time) y el patrón temporal global de los intervalos de exposición y silencio. Por lo general, el desplazamiento temporal del umbral debido a ruido intermitente es menor que el que resultaría si la exposición hubiera sido al mismo ruido pero siendo éste continuo.

Regla de la fracción on time.

Para secuencias de ruido repetitivo, el desplaza-

18.7

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

~

2

al

o~

U W

O

Z w

4

...J

--\

\ r'\

r-

<1:

a:

~ 8

::l ...J

~ 12

~

Z

~

...

r

~

~

I I

r-.

.

\-.

b5dB

.....

I

"

85 dB

16

o..

.

JOd~ ·

· · \~. ·· .

f-

w

~

. .# .... . . o d~ . '" '. / ,

¡¡j O

'-FRECUENCIA CENTRAL: 425 Hz

~ 20 O 0,1250,25

0,50,750,1

2,0

FRECUIENCIAICE~TrALi 4?00 ~z

4,06,0 10,0

FRECUENCIA EN KILOHERZIOS

0,25

0,50,751,0

2,0

/

4,06,0 10,0

FRECUENCIA EN KILOHERZIOS

FIGURA 18.3. Desplazamientos temporales del umbral a varias frecuencias de examen como resultado de la exposición a ruido con niveles de presión sonora en bandas de octava de 80 y 85 dB. Los cambios que se muestran en (a) reflejan los efectos de una exposición de 16 horas a una octava de ruido centrada en 425 Hz. Datos parecidos se muestran en (b) para 24 horas de exposición a la octava de 4000 Hz. (De W. Melnic/C.)

miento temporal del umbral es proporcional a la fracción de tiempo ocupada por el ruido respecto del tiempo total de exposición. Por ejemplo, si los períodos de ruido ocupan sólo la mitad del tiempo total de exposición, la magnitud del desplazamiento de umbral será la mitad de la que se hubiera producido si el ruido hubiera sido continuo. Esta relación, denominada regla de la fracción on time, sólo se cumple bajo condiciones de exposición limitadas, para duraciones entre 250 milisegundos hasta aproximadamente 2 minutos, para ruidos en la gama de frecuencias por encima de los 1200 Hz. Para bandas de ruido a frecuencias inferiores, bajo condiciones de exposición intermitente, el desplazamiento temporal del umbral es incluso menor. Una fracción de 0,5, que reduce el desplazamiento temporal del umbral en un 50 por 100 para frecuencias altas, puede reducirlo en un 70 por 100 o más a frecuencias inferiores. Para ruidos de duración inferior a 250 milisegundos, o para períodos de ruido superiores a 2 o 3 minutos, el desplazamiento temporal del umbral es mayor que lo que la regla de la fracción predice. La regla tampoco se cumple para golpes de ruido muy cortos, muy intensos, de menos de 100 milisegundos de duración a niveles de presión sonora por encima de 110 dB. Para períodos de ruido superiores a 2 minutos, el último desplazamiento temporal del umbral puede predecirse bastante bien empleando la relación de crecimiento y recuperación lineales del desplazamiento del umbral, como función del logaritmo del tiempo de exposición y recuperación.

Ruido fluctuante. La relación del desplazamiento temporal de umbral con las condiciones de ruido intermitente descritas anteriormente se obtiene de los estu-

18.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

dios de las exposiciones periódicas al ruido. La hipótesis de igual energía postula que magnitudes iguales de desplazamientos temporales de umbral resultan de la exposición a una cantidad determinada de energía sin tener en cuenta el patrón temporal de la exposición al ruido. Bajo condiciones de ruido fluctuante, es decir, niveles de ruido que varían con el tiempo, pero que no descienden por debajo de los niveles establecidos como silencio efectivo, el desplazamiento del umbral resultante está más en línea con el nivel medio de presión sonora que con la cantidad de energía. Por ejemplo, si un ruido tiene un nivel de presión sonora de 80 dB durante 4 horas y 100 dB durante 4 horas, el desplazamiento del umbral se aproxima al que hubieran producido 8 horas de exposición a un nivel sonoro continuo, estable, de 90 dB, Yno de 97 dB como predice el concepto de igual energía. (Véase «Regla de los 3 dB [tasa de intercambio de 3 dB]» en el Capítulo 26.) Ruido impulsivo. Un ruido impulsivo es el que tiene un nivel pico alto y de corta duración. Las características acústicas importantes de los ruidos impulsivos que pueden afectar a la audición incluyen: presión pico, duración del pulso, tiempo de ascenso, tiempo de descenso, dirección del cambio de presión, número de impulsos en una exposición determinada, tasa de repetición de los impulsos y nivel de ruido de fondo. Por conveniencia, las formas de onda de impulso pueden clasificarse como: (1) impulso de Tipo A, caracterizado por una elevación rápida hasta un máximo de presión positiva, seguido de un descenso hacia una onda de presión negativa posterior de menor magnitud, y (2) forma de onda Tipo B, caracterizada por oscilaciones amortiguadas de una duración definida que es el tiempo necesario para que la envolvente de las oscilaciones decaiga 20 dB por debajo del valor de pico. Estas formas de onda se ilustran en la Figura 18.4. El efecto de un campo reverberante es cambiar la forma de la onda, de un impulso simple a una onda periódica con decaimiento exponencial, alterando por tanto el espectro del sonido. Esta alteración espectral puede tener una considerable importancia al influir en la producción de desplazamientos temporales del umbral. Si todas las demás características del ruido impulsivo permanecen constantes, el desplazamiento temporal del umbral aumenta con el nivel pico de presión sonora. A medida que la duración del impulso se reduce por debajo de 5 milisegundos, un nivel de presión pico determinado tendrá menos efecto sobre la sensibilidad auditiva. El desplazamiento temporal de umbral producido por los impulsos aumenta aproximadamente de forma lineal con el tiempo de exposición. Por tanto, este desplazamiento de umbral es proporcional al número de impulsos más que al período total de tiempo a lo largo del cual se hayan experimentado estos impulsos. La Figura 18.5 resume el efecto de los intervalos entre pulsos sobre el desplazamiento temporal del umbral. Estos datos indican que el desplazamiento máximo de umbral se produce cuando el intervalo entre pulsos es de aproximadamente 1 segundo. Intervalos más largos o más cortos entre impulsos reducen la magnitud del desplazamiento producido por impulsos comparables. Para impulsos de ruido separados por menos de 1 segundo, el efecto protector de la contracción de los músculos del oído medio es un factor importante. Aparentemente, a esta rápida tasa de repetición, se mantiene la contracción de los músculos del oído medio y la atenuación resultante de la energía sonora transmitida a la cóclea reduce la magnitud del des-

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

18.9

PICO (Máximo)

TIPOA

,

---If---To TR To 1. ToES EL COMIENZO DE LA ONDA DE PRESION 2. T R ES EL TIEMPO QUE PRECISA LA ONDA DE PRESION PARA IR DESDE LA PRESION AMBIENTAL HASTA LA PRESION PICO (MAXIMA) 3. ToES EL TIEMPO QUE PRECISA LA ONDA DE PRESION PARA ALCANZAR LA PRESION AMBIENTAL POR PRIMERA VEZ

2. T o' ES EL TIEMPO QUE PRECISA LA ENVOLVENTE DE LA ONDA DE PRESION PARA ALCANZAR EL NIVEL DE 20 dB POR DEBAJO DEL NIVEL PICO DE PRESION SONORA

Formas de onda de presión idealizadas. El Tipo A representa un impulso único, inmerso en un campo sonoro no reverberante. El Tipo B representa oscilaciones amortiguadas, que muestran la influencia de un campo sonoro reverberante. (De acuerdo con R. R. A. Coles y ca/s. 4 .) FIGURA 18.4.

plazamiento del umbral. A medida que el intervalo aumenta por encima de 1 segundo, se produce cierta recuperación de los efectos del impulso precedente antes de que se experimente el siguiente. Esta recuperación se refleja en una reducción del desplazamiento del umbral. Como ocurre con los sonidos estables, parece haber un límite inferior para el nivel de los impulsos capaz de producir un desplazamiento de umbral. Si se aumenta una serie de determinados sonidos tipo «clics» mediante incrementos de intensidad controlada, se producen pocos desplazamientos temporales del umbral, hasta que se supera un nivel mínimo de presión sonora; por encima de este nivel, el desplazamiento temporal del umbral aumenta a medida que lo hacen la presión pico y el número de impulsos. El nivel crítico de presión sonora de los impulsos varía de persona a persona y también depende de las características del ruido. Para un ruido de impacto en un espacio reverberante, el nivel crítico de presión sonora es de aproximadamente 130 dB; para disparos de pistola, este nivel es aproximadamente 140 dB o más. Un método simplificado para evaluar los efectos del ruido impulsivo en presencia de ruido de fondo estable es tratar por separado los efectos de los ruidos impulsivo y estable, y considerarlos simplemente como aditivos; sin embargo, la precisión de este procedimiento es cuestionable. La información de los estudios sobre este

18.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

/

~

~

r-~D~

--..........

•

(~

I~

[

0,1

0,2

0,4

0,8

1,6

3,2

X

"

6,4

12,8

INTERVALO ENTRE IMPULSOS EN SEGUNDOS

FIGURA 18.5. Efecto del intervalo entre pulsos sobre la magnitud del desplazamiento temporal del umbral producido. (Los datos se obtienen de estudios independientes resumidos por K. D. Krytel.)

problema es escasa, contradictoria y no concluyente. La relación parece ser sinérgica.

Efectos interactivos. Los siguientes factores han sido investigados para determinar si ejercen un efecto significativo en el desarrollo del desplazamiento temporal del umbral. Edad. No existe evidencia concluyente que indique que la edad es un factor significativo que afecte a los desplazamientos de umbral debidos a la exposición al ruido. Sexo. Los estudios sobre la pérdida de audición industrial parecen indicar que las mujeres conservan mejor que los hombres la sensibilidad auditiva después de exposiciones a ruido esencialmente iguales. Sin embargo, cuando se expone a jóvenes adultos a ruidos parecidos en el laboratorio, hombres y mujeres muestran desplazamientos temporales de umbral de la misma magnitud. No parece que haya diferencias sexuales inherentes a la susceptibilidad del sistema auditivo a los efectos del ruido. Estado de salud. La hipótesis de que la presencia de enfermedades del oído u otras enfermedades sistémicas potencian los efectos nocivos del ruido es plausible, pero no ha sido demostrada. Esto es cierto para condiciones que afectan a la contracción muscular del oído medio, así como para las estructuras del oído interno. Es esperable que las personas con enfermedades del oído externo y medio, que reducen la transmisión de la energía sonora a la cóclea, sean más resistentes a los desplazamientos temporales de umbral inducidos por el ruido. Los efectos de estas enfermedades de los procesos funcionan como protectores auditivos fisiológicos de la misma forma que los tapones y los auriculares. Drogas. Las investigaciones han demostrado efectos sinérgicos entre drogas que son tóxicas para el oído y la exposición al ruido. En animales de laboratorio se ha detectado una interacción significativa entre la exposición al ruido y las dosis de canamicina, neomicina y dihidroestreptomicina, así como quinina y ácido salicílico. Estos estudios animales han revelado mayores lesiones orgánicas en el caso de la

18.11

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

administración conjunta de drogas y ruido que las observadas cuando las drogas o el ruido se administran por separado. No hay datos definitivos que demuestren efectos interactivos semejantes de las drogas y el ruido sobre la audición de sujetos humanos, pero, hasta que se demuestre lo contrario, sería prudente asumir que los humanos reaccionarían de la misma manera. Los desplazamientos temporales del umbral medidos en personas aumentan mediante la ingestión de aspirinas 6• Estado auditivo previo a la exposición. Las personas con limitaciones auditivas previas a la exposición al ruido muestran menos desplazamientos temporales del umbral que las personas con audición normal. Una limitación conductiva de la audición sirve eficazmente como protector auditivo, reduciendo la cantidad de sonido que alcanza la cóclea. Sin embargo, las personas con pérdida de audición sensorioneural debida a trastornos de la cóclea también muestran menos desplazamientos temporales del umbral que quienes tienen sensibilidad auditiva normal. En este caso, la energía que entra en la cóclea de la persona implicada no es distinta a la de las personas con audición normal. La reducción en el desplazamiento temporal del umbral se produce probablemente porque la pérdida de audición permanente previa reduce el número de células sensoriales disponibles para experimentar los efectos adversos del ruido. Aunque las personas con pérdida sensorioneural muestran menores desplazamientos temporales del umbral que las personas con audición normal, el nivel de presión sonora que precisan para alcanzar el umbral después de una exposición es mayor que el que requieren las personas con audición normal. La Figura 18.6 muestra el desplazamiento temporal de umbral a 1000, 2000 Y 4000 Hz producido por una exposición de 8 horas a un ruido de banda ancha con un nivel de presión sonora con ponderación A de 95(A) en función del nivel auditivo previo a la exposición. La magnitud del desplazamiento temporal del umbral se reduce al aumentar el nivel auditivo previo a la exposición. El nivel de presión sonora del umbral modificado para una persona con pérdida de audición sería mayor que el umbral modificado para una persona con sensibilidad auditiva normal, a pesar ...J w

~ClUl

COUlo ::E ~::::;

30

o

~CXlfrl ...JwCl
20

~"""~ooo

~ Ul:ti.

10

::~~

o.

Z~Z !!:!::JO ::Ezü

~~~

Il. éñ ~ Ul~W

~

t::

~ ~~o/y'., <, ~ o

'0...

~Cla:

1000

.-: ...

.'/-¡.,

b

1. . . .

~

tilo.

<:l..,

o

-20

' '0

~~ b-...o o. ' - - .

o

20

40

60

80

PERDIDA DE AUDICION ANTES DEL TRABAJO EN DECIBELIOS

FIGURA 18.6. Relaciones entre el desplazamiento temporal del umbral medido 8 minutos después de una jornada laboral en ruido de banda ancha, con un nivel de presión sonora con ponderación A de 95 dB(A) Y el nivel del umbral auditivo previo a la exposición. El parámetro es la frecuencia de examen. (De W. O. Warcf.)

18.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

del hecho de que la magnitud del desplazamiento (umbral posterior a la exposición menos umbral previo a la exposición) es menor. La presencia de una pérdida de audición sensorioneural permanente no implica necesariamente que la persona pueda trabajar en un ambiente ruidoso sin preocuparse de mayores pérdidas.

Recuperación del desplazamiento temporal del umbral

Inmediatamente después de que cesa la exposición al ruido, hay un período de rápida recuperación del umbral, alcanzando el desplazamiento un mínimo en el intervalo entre 1 y 1/2 minutos después de la exposición (por ejemplo, véase Figura 18.7). El desplazamiento del umbral aumenta entonces hasta otro máximo que se produce aproximadamente 2 minutos después de la exposición; luego continúa la recuperación de una forma más ordenada. Al máximo secundario en este patrón de recuperación se le denomina efecto de recuperación8 . Este patrón de recuperación puede variar de una persona a otra, pero es muy repetitivo, tal y como ilustra la Figura 18.7 mediante las curvas de recuperación de dos sujetos. Estas curvas muestran la recuperación de las exposiciones repetidas al mismo sonido. La complejidad de esta fase temprana de la recuperación es la razón de que las medidas de los desplazamientos temporales de umbral se hagan una vez finalizados los efectos a corto plazo, habitualmente 2 minutos después de la exposición al ruido. Si la recuperación de los umbrales auditivos previos a la exposición se completa en

o

w 20

al

U w

o

zw

...J

10

...

« a::

~••• o\

~

=>

O

!t

...

~ . ~:

r· . . . . .. ~

~"'.~'"

....

.~

fJ

~~ 1";

al ~

...J

,

.........

:::J

4000 Hz

................ ....... .... ......

:::.:.....,: o..:.:.~

~_

.. fu··_·.., .......

W

o

...J

«a::

O

.........

~ 20~

o... 1-

L

!).~~~ / .. ,

~ 10~?! ~

::s ~

t:l

o

~ .~~

..'\.

4000 Hz

-::"•...~¡t::

..,.._......:.... -..... ••••••••••••• ~ •••••::::••• 1>-.-...:.; ••.:.::; •...... "'-" ----- ::::::.:,,- '--.-- .. ----

•

O~--~--~----~--~----L----L----'~--~

O

2345678

__~__---' 9

10

TIEMPO DE RECUPERACION EN MINUTOS

FIGURA 18.7. Recuperación temprana del desplazamiento temporal de umbral a 4000 Hz. La exposición fue a 500 Hz, a un nivel de presión sonora de 120 dB, durante 3 minutos. Este patrón de recuperación es muy repetitivo, como evidencia el parecido entre las curvas de recuperación de dos sujetos. (De l. J. Hirhs y W. O. Warcf.)

18.13

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

en las 16 horas siguientes a la misma y el desplazamiento temporal del umbral es igualo inferior a 40 dB, el patrón de recuperación del desplazamiento temporal de umbral es lineal cuando el tiempo se registra en una escala logarítmica (véase curva A, Figura 18.8). Esta situación es la contraria a la del patrón de recuperación cuando el desplazamiento temporal del umbral se produce: (1) por una exposición única y supera los 40 dB, (2) por la exposición intermitente al ruido a frecuencias altas, o (3) por la exposición a niveles moderados de ruido (80 a 90 dB) para duraciones relativamente largas (16 a 48 horas). Bajo estas condiciones, el desplazamiento temporal del umbral se reduce (aproximadamente) un número dado de decibelios para una unidad determinada de tiempo; si se emplea una escala logarítmica de tiempo para registrar la recuperación de la sensibilidad del umbral auditivo, los resultados que se obtienen son los que se ilustran en la curva B, Figura 18.8. Cuando el nivel sonoro es extremadamente alto, o extremadamente largo, puede que la sensibilidad auditiva no vuelva completamente a su valor original y la pérdida de audición sea permanente (véase curva C, Figura 18.8).

Variaciones individuales. Existen marcadas diferencias individuales en los efectos temporales del ruido sobre la audición. No se pueden clasificar los oídos claramente como resistentes o susceptibles. No sólo hay diferencias en la magnitud del desplazamiento temporal del umbral entre distintas personas, sino que también existen en cada persona concreta. Para un individuo determinado, el desplazamiento temporal del umbral que resulta de la exposición a un tono o banda de ruido pue60 50 ~ oC E :;¡

40

e

---- ---

... ,

Qi

"C

o

30

°E.,

20

., N

,,

B

E Q)

,

...

a. VI Q)

Cl

10

Horas 1

2

4

8

16 24 Días

2 3 4 5 7 Semanas 1

2

4

8

16

32

Tiempo de recuperación

FIGURA 18.8. Patrones ideales de recuperación del desplazamiento temporal del umbral. La curva A (línea continua) representa la recuperación lineal como una función del logaritmo del tiempo de recuperación; la curva B (línea de guiones y puntos) muestra la recuperación retrasada; la curva e (línea a trazos) muestra la recuperación retrasada incluyendo el desplazamiento permanente del umbral.

18.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de no estar claramente correlacionado con los desplazamientos de umbral producidos por la exposición a otros tonos o bandas de ruido distintos. Una persona determinada muestra menos variaciones en medidas repetidas que las variaciones que se observan entre personas. Relación entre desplazamientos temporales y permanentes del umbral

Los estudios que relacionan los desplazamientos temporales de umbral y la pérdida de audición permanente asumen dos supuestos: (1) los procesos fisiológicos básicos que conducen a desplazamientos temporales y permanentes en la sensibilidad de la audición son parecidos y sólo varían en grado y (2) la relación entre las propiedades físicas del ruido y el desarrollo de la pérdida de audición permanente es similar a la que se observa en el desarrollo del desplazamiento temporal del umbral. La información acerca del desplazamiento permanente del umbral inducido por el ruido es incompleta. Existen datos aceptables que apoyan directamente la relación de la magnitud del desplazamiento permanente de umbral con la exposición diaria a un ruido estable durante 8 horas repetidamente a lo largo de años, pero no existen datos comparables para exposiciones más cortas a ruido intermitente. Al desarrollar criterios sobre el riesgo de lesión que evalúan el peligro de desplazamientos permanentes del umbral como resultado de la exposición al ruido durante muchos años, se utiliza la información de las investigaciones sobre los desplazamientos temporales de umbral para llenar estas lagunas (véase Capítulo 26). Los patrones de desarrollo y recuperación del desplazamiento temporal del umbral como resultado de la exposición al ruido son de particular importancia en el desarrollo de tales criterios sobre riesgos de lesión. El área de audición puede dividirse en cuatro zonas de acuerdo con su potencial para que se produzcan pérdidas auditivas. Esta relación se muestra gráficamente en la Figura 18.9. La Zona I está por debajo el umbral de audibilidad. La Zona 11 está limitada en los niveles sonoros inferiores por el umbral de audibilidad y en los niveles superiores por el umbral de riesgo para la audición. Esta región comprende sonidos que son audibles, pero que no plantean riesgo de lesión ni pérdida de audición, sea cual sea la duración de la exposición. Los sonidos dentro de los límites de la Zona III representan la región de «riesgo cualificado». La lesión acústica y la pérdida de audición permanente debidas a los sonidos en esta zona dependen de la interacción del nivel de ruido, la duración, el número de exposiciones, el calendario de exposiciones y las variables biológicas de la persona que está siendo expuesta. El límite inferior de la Zona IV es el umbral del malestar; el límite superior es el umbral del dolor. La exposición a sonidos en este área (sin incluir sonidos de impulso o impacto) conlleva un riesgo elevado de producción de lesiones y pérdida de audición, incluso cuando los sonidos son relativamente cortos (segundos o minutos) y las exposiciones relativamente pocas (quizá sólo una).

18.15

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

120 110

.

100

Q..

~

o

90

al

80

E

70

'"~ "O

o o

e

C/)

e -O .¡¡; ~

60 50

c.

'"

40

.:!:

30

"O

a;

z

20 10 O

0,125

0,25

0,5

1,0

2,0

4,0

8,0

16,0

Frecuencia, Hz

FIGURA 18.9. Area de audición humana clasificada por la lesión acústica y la pérdida de audición potenciales. Zona 1: los sonidos en esta zona son inaudibles; Zona 11: los sonidos en esta zona no plantean riesgo; Zona 111: los sonidos en esta zona plantean un riesgo cualificado; Zona IV: los sonidos en esta zona plantean un riesgo elevado. (De J. H. Mili!!.)

PERDIDA DE AUDICION PERMANENTE INDUCIDA POR EL RUIDO

La mayor parte de la información sobre los efectos permanentes del ruido en la audición humana proviene de estudios de campo sobre la audición en entornos industriales, ya que los estudios de laboratorio que producen deliberadamente desplazamientos permanentes de umbral mediante el ruido deben restringirse al uso de animales. Debido a las diferencias entre humanos y animales, cualquier resultado sobre pérdida permanente inducida por el ruido obtenido en estudios animales puede no resultar significativo en humanos. Una encuesta publicada por el National lnstitute of Occupational Safety and Health sobre la audición de los trabajadores en la industria contiene un breve resumen de varias investigaciones audiométricas industriales llevadas a cabo en Estados Unidos y otros países lO • A partir de estas investigaciones, surgen los siguientes factores significativos por su influencia en la respuesta del oído al ruido ocupacional: nivel global de presión sonora del ruido, duración total de la exposición, espectro del ruido, propiedades transmisoras del sonido en el oído y vulnerabilidad indi-

18.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

vidual a la pérdida de audición inducida por el ruido. (Estos son los mismos factores que influyen sobre la magnitud del desplazamiento temporal del umbral inducido por el ruido.) Estudios de campo en la industria

La información respecto a los desplazamientos permanentes del umbral inducidos por el ruido en seres humanos debe recogerse a partir de los estudios de campo de la audición evaluada en personas que han sido expuestas a un ruido específico durante un número conocido de años. Por lo general, estos estudios carecen de control experimental, debido a que el investigador no puede estar seguro de si la pérdida de audición medida es el resultado de otros factores capaces de producirla (tales como infecciones auditivas, accidentes vasculares, envejecimiento o ruidos ajenos al ambiente laboral).

Variaciones individuales. Al igual que ocurría en el desplazamiento temporal del umbral, existen grandes diferencias en la vulnerabilidad individual a los desplazamientos permanentes inducidos por el ruido, tal y como ilustran los histogramas de la Figura 18.10. Esta información pertenece a un estudio de la pérdida de audición inducida por el ruido en mujeres tejedoras de yute. Estas mujeres trabajaron en la misma fábrica durante períodos que iban de 1 a 52 años. Las condiciones de ruido permanecieron relativamente constantes durante todo el período. El ruido era continuo y de banda ancha, con un espectro que alcanzaba el máximo en las octavas de 1000 y 2000 Hz, con niveles globales de presión sonora entre 99 y 102 dB. El ruido poseía también un componente de impacto, con máximos temporales de 15 a 18 dB por encima del nivel sonoro medio. Los histogramas muestran la distribución de los desplazamientos del umbral a varias frecuencias. Estas medidas fueron tomadas para períodos de exposición dentro de los cuales los desplazamientos permanentes de umbral inducidos por el ruido no cambiaban rápidamente a medida que aumentaba la exposición. Dentro de los grupos que aparentemente sufrieron exposiciones similares, algunas personas exhiben amplias pérdidas auditivas, en tanto que otras están mínimamente afectadas. La variabilidad del efecto de la exposición al ruido sobre la sensibilidad de la audición aumenta a medida que lo hacen la frecuencia audiométrica y la duración de la exposición. Estas diferencias individuales en los efectos permanentes del ruido sobre la audición pueden atribuirse, en parte, a las diferencias en la vulnerabilidad fisiológica a los efectos del ruido, pero también pueden atribuirse a las diferencias reales en las exposiciones al ruido afrontadas. Todos los trabajadores en una fábrica, o incluso en un empleo particular, no experimentan necesariamente la misma exposición al ruido. Cómo aumenta la pérdida de audición inducida por el ruido con los años de exposición

La Figura 18.11 muestra la mediana de la pérdida de audición para tejedoras de yute (descritas en la sección anterior) que estuvieron expuestas a espectros de ruido

18.17

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

25

r'-

1000 1Hz 10-24 años

20

1--

15 10 5 r- 1-

1 Ln..,

r Lr

n In

20

l 2000 Hz 15-19 años e---

(/)

O

el

O

15

w

el

w -,

~

zw

10 5

U

a: ~ 20

r )

'1

U ~

r"J n n

1

15

í

..-.

rt LJUU rtJ [

5

3000 Hz 15-24 años

ji 1~-'l

r'l

15 15 5

-5 O

10

20

30

40

50

60

70

80

DESPLAZAMIENTOS DE UMBRAL INDUCIDOS POR EL RUIDO ESTIMADOS EN DECIBELIOS

FIGURA 18.10. Distribución de los desplazamientos del umbral, corregidos por edad, a 1000, 2000, 3000 Y 4000 Hz. Los períodos temporales mostrados son duraciones de las exposiciones. (De W. Taylar y cals. '\l

y niveles parecidos durante distintos períodos de tiempo l1. Habitualmente, la primera frecuencia audiométrica de examen en la que existe una pérdida de audición detectable es 4000 Hz (véase la curva de 5 a 9 años de exposición). A medida que aumentan los años de exposición al ruido, la pérdida de audición a 4000 Hz se hace más pronunciada, pero está restringida al rango de frecuencias de 3000 a 6000 Hz. Con mayor exposición al ruido, la pérdida de audición a 4000 Hz continúa aumentando y se extiende sobre una gama más amplia de frecuencias. Entonces es cuando la discapacidad producida por la pérdida de audición se hace aparente para la persona afectada, que comienza a tener problemas para comprender el lenguaje hablado.

18.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

O,------,-------,-------r------,---,---,---,--. 00

--

g10

00

~~

- -

~':'='~'::': :::;;.~.......... ~.. ::; "::::::.:.~

g g¡ @

~~~

20

«000

30

:2°3 -1- a:

, ""

-"'" - ' __ ,

>~ "

V

'"

. . . . \ '\/ // '"

... '

,,\'-..:..

.... '

/

•...

/ l· ,

/ .... /

ti ~ -'

40 I - - - - - I - - - - - j - - - - I - - - - - '.... \~,-I,I-----';-...+--,--+t~/..,. ..h-"o+.:...-~

~~~

50 -

~:E ~

@Il.lB :2*~

EXPOSICION

-----

60-

o

z

-----

I

':::-:__

......... ) : /

---+---+..:....;oO:st=~--+--t

5 - 9 años 15 - 19 años 25- 29 años 35-39años --~---~--+-~--+-~ 40 - 52 a1ños

70L-----~-------L-------L------~--~--L---~~

125

250

500

1000

2000 3000 4000 6000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 18.11.

Mediana estimada de los desplazamientos permanentes de umbral inducidos por el ruido a distintas frecuencias, en función de períodos crecientes de exposición. El parámetro es la duración de la exposición. (De W. Tay/or y co/s.''')

Efectos del espectro de ruido

La relación entre la pérdida de audición y la exposición al ruido depende del espectro de éste. Los resultados de un estudio mostraron que el desplazamiento permanente de umbral inducido por el ruido a 1000 y 2000 Hz se correlacionaba con el nivel de presión sonora de la banda de octava de 425 Hz; la pérdida de audición a 4000 Hz se correlacionaba con el nivel de la octava de 1700 HZ 12 • Al igual que en los desplazamientos temporales del umbral, el efecto máximo de una exposición concreta al ruido se encuentra a frecuencias que están por encima del espectro de la frecuencia del ruido actuante. El oído es más resistente a los sonidos de baja frecuencia que a los de frecuencias medias y altas, principalmente porque la respuesta del sistema conductor mecánico (oído externo y medio) no es tan sensible a las bajas frecuencias. La pérdida de audición inducida por el ruido comienza a aparecer en la región de 4000 Hz, relativamente independiente del espectro del ruido industriaL Esto puede ser el resultado, en parte, de la resonancia del oído externo y del canal auditivo, que en el rango de los 2000-4000 Hz aumenta hasta en 20 dB el nivel de presión sonora del tímpano. Duración de la exposición

Los trabajadores que han sido expuestos al mismo ruido durante una vida laboral de, al menos, 40 años muestran patrones consistentes de pérdida de audición. Para las frecuencias que manifiestan desplazamientos permanentes máximos del umbral (de 3000 a 6000 Hz), las pérdidas auditivas aumentan rápidamente a lo largo de los primeros 10 a 15 años de exposición y después tienden a estabilizarse, mientras se

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

18.19

mantiene la misma exposición durante un período de 40 o 50 años. La pérdida de audición no aumenta tan rápidamente a frecuencias inferiores (500, 1000 Y 2000 Hz), sino que sigue creciendo durante el período de exposición. Esto se ilustra en la Figura 18.12, que muestra los resultados del estudio de mujeres tejedoras de yute ll . Se produce un rápido desarrollo de una pérdida de audición permanente y un nivelamiento posterior, por encima de los 10 años de exposición, a 3000 y 4000 Hz; a 1000 y 2000 Hz, la pérdida de audición progresa más lentamente, pero continúa durante todo el período de exposición. Estos datos indican que la pérdida de audición para el lenguaje hablado (indicado por la pérdida media en las tres frecuencias de examen de 500, 1000 Y 2000 Hz) tiende a progresar lenta, pero continuadamente, mientras la persona siga expuesta al mismo ruido peligroso.

Nivel sonoro durante la exposición

El desplazamiento permanente de umbral inducido por el ruido aumenta a medida que el nivel de presión sonora del ruido aumenta. El efecto de la pérdida de audición por ruido que típicamente se observa en las encuestas industriales sobre ruido se muestra en la Figura 18.13. La mediana de la pérdida de audición se registra como función de un nivel sonoro con ponderación A; estos datos son para una duración de 10 años de la exposición al ruido. La Figura 18.14 muestra la pérdida de audición a 4000 Hz para tres grupos separados de sujetos que estuvieron expuestos al ruido durante períodos que van desde menos de 1 año a más de 25 años1 4 . El primer grupo estuvo expuesto a un nivel sonoro con ponderación A de 83 dB(A), el segundo a un nivel de 92 dB(A) Yel tercero a un nivel de 97 dB(A). La pérdida de audición mediana a 4000 Hz se hizo constante a medida que la exposición continuó después de 10 años. La pérdida de audición máxima aumenta más rápidamente que la tasa de aumento del nivel sonoro.

4000~~" 30 20 10

/

!

........

...:.... 2000 Hz I

/

.' /

/v

........

'

I

--= --;;/

/ _ . ,...-

0' L..;' O

10

/'

............... ,/'- '------íóoo H z -

// / /

t / / ..,/ l.

"-

20

30

40

EXPOSICION EN AÑOS

Desplazamiento de umbral permanente inducido por el ruido en función de la duración de la exposición al ruido para varias frecuencias de examen. (De W. Taylor y cols.'\)

FIGURA 18.12.

18.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

50~---------.-----------r--------.-~

en

O 40

:J w

1-----------1------+---+-----....--4

ca U w

O

Z w Z

Q30~-----~-----+-+--4---~ O

U

::J

« w

O

« O O

ffi201------~---~~~~----~

eL.

:3 w O

« z «

@ 101-------~~~---+-~-~-­ ::2: Hz OL-____ 74

~~~~_~~_L_

84

94

_____

~

104

NIVEL SONORO CON PONDERACION A EN DECIBELIOS

FIGURA 18.13. Mediana de la pérdida de audición en función del nivel sonoro del ruido con ponderación A al que los trabajadores fueron expuestos. El período de exposición al ruido fue de 10 años. (En W. Passchier-Vermeer13.)

Ruido intermitente

Los datos sobre el efecto del ruido intermitente en la producción de pérdidas auditivas son escasos. Las relaciones entre el ruido intermitente, incluidos impulso e impacto, y la audición humana proceden casi exclusivamente de estudios de laboratorio sobre los desplazamientos temporales de umbral. Las relaciones precisas del ruido fluctuante, intermitente e impulsivo con la lesión permanente de la audición no han sido establecidas. Los estudios de los efectos del ruido intermitente sobre la audición de músicos, miembros de tripulaciones aéreas y mineros condujeron a la observación de que el ruido intermitente es menos dañino que el estable. Se producen menos pérdidas auditivas si la cantidad de energía sonora peligrosa se trans-

18.21

PERDIDA DE AUDICION POR EXPOSICION AL RUIDO

60

~

50

1/

-.- -• • •

~

40

Q)

"O

/

30

c:

Q)

V

N

:I:

o o o

...ca

_, 97 dB

ºc

-

/

(1)

.2 Qj .o 'ü

4-

20

~ z

10

-10 0,30,40,5

'-

O

92 dB

1/

V

1/

I

[

b- -~

VV jl/

Ul

10

VI'"

l---:::j ::r---1-1---

2

3

-:JO

O

O

a- 1:J 83 dB

e--1

4 5

10

20

50

100

TIEMPO DE EXPOSICION EN AÑOS

Desplazamientos permanentes de umbral inducidos por el ruido (NIPTSI a 4000 Hz en función de los años de exposición para niveles sonoros medios con ponderación A de 83 y 97 dB(AI. Los desplazamientos de umbral han sido corregidos para los cambios de edad. (En J. C. Nixon y A. Glorig'4.1 FIGURA 18.14.

mite al sistema auditivo en períodos cortos de ruido alternados con intervalos de relativo silencio que si la misma cantidad de energía sonora se transmite como un ruido único continuo. Las investigaciones demográficas han mostrado tendencias que indican que resultan más pérdidas auditivas de la exposición al ruido impulsivo sobre un fondo de ruido continuo que de la exposición al mismo ruido impulsivo en ambientes, por lo demás, silenciosos. REFERENCIAS 1. W. D. Ward, J. Acoust. SOCo Am., vol. 34, 1962, p. 1610. 2. W. Melnick, «Effects of long duration noise exposure on hearing and health», AGARD Conference Proceedings, n.O 171, M. A. Whitecomb (Ed.), NATO, vol. C2, n.o 1, 1975. 3. W. Melnick, en Occupational hearing conservation, M. H. MilIer y C. A. Silverman (Eds.), Prentice-HaJl, Englewood Cliffs, NJ, 1984, pp. 108-112.

18.22 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

13. 14.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

R. R. A. Coles y cols.,1. Acoust. Soco Am., vol. 43,1968, p. 336. K. D. Kryter, The effects ofnoise on man, Academic Press, Nueva York, 1970, p. 139. D. McFadden y H. S. Plattsmier, Hear. Res., vol. 9, 1983, p. 295. W. D. Ward, en Modern development in audiology, 2." ed., J. Jerger (Ed.), Academic Press, Nueva York, 1973, p. 301. 1. J. Hirsh y W. D. Ward, J. Acoust. Soco Am., vol. 24,1952, p. 131. J. H. Mills, Seminars on hearing, vol. 9, 1988, p. 260. «Criteria for a recommended standard occupational exposure to noise», HSM 73-11001, seco V, National Institute for Occupational Safety and Hea1th, Washington, D.C., 1972. W. Taylor y cols.,1. Acoust. Soco Am., vol. 38, 1965, p. 113. «The relations of hearing loss to noise exposure», Exploratory Subcornmittee Z24-x-2 of Sectional Committee on Acoustics, Vibration and Mechanical Shock, American Standards Association (ahora American National Standards Institute), Nueva York, 1954. W. Passchier-Vermeer, «Hearing loss due to exposure to steady-state broadband noise», Rep. 35, Institute for Public Health Engineering, Países Bajos, 1968. J. C. Nixon y A. Glorig,1. Acoust. Soco Am., vol. 33,1961, p. 904.

-

Capítulo

19

EVALUACION DE LA AUDICION Maurice H. Miller Laura Ann Wilber

INTRODUCCION Este capítulo describe cómo se evalúa la audición. Los instrumentos empleados con este fin se denominan audiómetros. La evaluación de la audición mediante el uso de audiómetros es importante para los problemas relacionados con el control del ruido porque (1) los datos que así se obtienen se emplean para determinar la dosis de ruido diaria permisible de las personas expuestas al ruido laboral, tal y como se describe en el Capítulo 26, y porque (2) tales evaluaciones pueden establecer si existe pérdida de audición en la persona examinada y, en caso de haberla, el tipo de la misma. Un audiómetro de tono puro es un instrumento para medir la sensibilidad auditiva que emite tonos puros a determinadas frecuencias y a niveles de presión sonora calibrados. Un audiómetro de filtrado se usa para identificar a personas con un problema auditivo en una población específica. Se especifican los criterios para superar la prueba y quienes presentan problemas deben ser tratados por los especialistas. Un audiómetro de diagnóstico está diseñado para determinar el tipo de pérdida de audición presente y para evaluar la capacidad auditiva. En este capítulo se comentan: (1) los audiómetros (los diversos tipos, procedimientos para su uso y cómo se calibran), (2) los niveles de ruido de fondo permisibles en áreas donde se están llevando a cabo exámenes audiométricos, (3) los métodos para evaluar el porcentaje de limitación auditiva, (4) la conducción Ósea y (5) la audiometría del habla.

19.1

19.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

NIVEL DE AUDICION (UMBRAL DE AUDICION) El nivel de audición (umbral de audición) es el número de decibelios en que el umbral de audición de un sujeto supera la referencia cero del audiómetro (es decir, por encima de un nivel de audición de OdB) para esa frecuencia. Los números en el marcador de un audiómetro que controla la magnitud de las señales presentadas al sujeto se calibran en términos del nivel de audición. Por ejemplo, si una persona precisa 40 dB por encima del nivel de presión sonora habitual para oír un tono de 1000 Hz, el umbral medido con el audiómetro será un nivel de audición de 40 dB. Para los adultos, un nivel de audición dentro del rango -10 dB Y25 dB se considera «dentro de los límites normales». El nivel de referencia cero, para cada frecuencia, es el nivel de presión sonora que corresponde al nivel de audición medio de un gran número de adultos jóvenes considerados otológicamente normales. Es el nivel de presión sonora que corresponde al nivel de audición de OdB; los valores se presentan en la Tabla 19.1.

AUDIOMETROS DE TONO PURO Un audiómetro de tono puro es un aparato formado por un generador electroacústico de tonos puros, un amplificador, un atenuador que controla el nivel de presión sonora de estos tonos y (en el caso de medidas de conducción aérea) un auricular o (en el caso de las medidas de conducción ósea) un elemento vibrador que se apoya sobre el cráneo. Un audiograma de tono puro compara la audición de la persona que está siendo examinada con un criterio O dB como referencia de nivel de audición (<
Niveles de presión sonora (en decibelios re 20 J.l.Pa, bajo varios tipos de auriculares, medidos con el acoplador que muestra la Figura 19.4) que se emplean como base para el nivel de referencia cero para audiómetros.

Frecuencia

Westem Electric 705-A-

Telefonía TDH-39

Telefonía TDH-49 y50

125 250 500 1000 1500 2000 3000 4000 6000 8000

45.5 24.5 11 6.5 6.5 8.5 7.5 9 8 9.5

45 25,5 11.5 7 6.5 9 JO 9.5 15.5 13

47.6 26,7 13.5 7.4 7.6 11.1 9,7 JO.7 13.4 13.0

Telex 1470 45 25 JO 3

5 4 5 6 7,5 9

• Nota: En 1'l51. la A",,,,ican Standard" A.",ociati011 adoptó valores de referencia de umbrales de audición que en la ac· tualidad son oosoletos. Estos valores están por encima de los que aparecen en la primera columna de esta taola en 9. 15. 14.10.10. R.5. ti. 'l.6.l/5 v 115 dB. respectivamente.

...

EVALUACION DE LA AUDICION

19.3

Por ejemplo, en el audiograma (gráfico que muestra el nivel del umbral de audición en función de la frecuencia) de la Figura 19.1, el oído izquierdo tiene audición normal en toda la gama completa de frecuencias. Sin embargo, para el oído derecho, el nivel de audición a 4000 Hz está 35 dB por encima de las personas con audición normal, de manera que el sujeto tiene una pérdida de 35 dB en esta frecuencia. En la industria, la sensibilidad auditiva se examina para las frecuencias que van desde 500 hasta 8000 Hz, a intervalos de octava. Se pueden evaluar algunas frecuencias seleccionadas dentro de este rango. Los resultados de estas pruebas se registran en un audiograma, que permite un informe y una interpretación fácil y precisa del estado de la audición del sujeto, frecuencia a frecuencia en cada oído, mediante la comparación con el nivel de audición O dB. En la industria, los exámenes audiométricos requeridos suelen limitarse a la conducción aérea, proceso en el que el sonido viaja a través del aire del canal externo del oído hasta el oído interno. Estas pruebas se realizan presentando tonos puros a la persona examinada (el sujeto) a través de un auricular. Si existe limitación auditiva, serán necesarias más pruebas.

NORMAS PARA AUDIOMETROS Se incluyen especificaciones mínimas para audiómetros en las normativas de: (1) el American National Standards Institute (ANSI)! y (2) la International Electrotechnical Commíssíon (IECi. El valor para el nivel de audición O está en las normas ANSI! yen el documento 389 de la International Organizatíon for Standardization (/sol. Dado que ANSI, lEC e ISO no son cuerpos legales, sus criterios no tienen fuerza legal. Sin embargo, algunas organizaciones gubernamentales incluyen estos criterios en su normativa. Organizaciones como la American Speech-LanguageHearing Association (ASHA) y la American Academy of Otolaryngology-Head and Neck Surgery (AAO-HNS) han adoptado algunos de estos criterios.

FRECUENCIA EN HERCIOS L1J IJ)

o 010 ;i ¡¡:¡ o

g¡ !!!

10 ::E ~ 20 ::) o 30 ¡¡j ~ 40 o z 50

fe

º

125 250 500 10002000 4000 8000 /

ID='

\

60

¡¡j S:! 70 ~ § 80 z « 90 100 110

FIGURA 19.1. Audiograma de tono puro de conducción aérea para un sujeto con umbrales que en el oído izquierdo se consideran dentro de los límites normales, pero con sensibilidad inferior a la normal en el oído derecho a 4000 y 6000 Hz .

..

19.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Frecuencias de tono puro y niveles de presión sonora

De acuerdo con los criterios ANSI!, un audiómetro de Tipo 5, como los empleados en la industria, debe producir tonos puros: (1) a frecuencias de 500, 1000, 2000, 3000,4000 Y 6000 Hz dentro de una tolerancia de ±3 por 100 de la frecuencia indicada, y (2) con niveles auditivos desde OdB hasta, al menos, 70 dB en intervalos de 5 dB. El audiómetro de Tipo 4 tiene esencialmente los mismos requisitos al del Tipo 5, salvo que cubre un rango de niveles auditivos que van desde -10 hasta 90dB. El indicador de nivel de audición es ajustado internamente por el fabricante de manera que, con unos auriculares específicos, el audiómetro produzca el valor apropiado del nivel de presión sonora para un nivel de audición de OdB. Con el fin de ajustarse a la normativa, el nivel de referencia criterio debe ser preciso en ± 3 dB a las frecuencias que van desde 500 a 4000 Hz, y ± 5 a 6000 y/o 8000 Hz.

Audiómetros de diagnóstico

De acuerdo con los criterios ANSI, los audiómetros de Tipo 1 y 2 deben aportar: (1) señales de prueba de tonos puros en el rango desde 125 hasta 8000 Hz; (2) uno o dos auriculares de conducción aérea; (3) un elemento vibrador de conducción ósea; (4) una entrada para una fuente externa de señales, por ejemplo, para el habla, y (5) dispositivos para enmascarar el oído que no está siendo examinado. El enmascaramiento es un sonido que se presenta al oído no examinado para impedir que responda al estímulo presentado al oído que se evalúa. Estos audiómetros se emplean en el examen de diagnóstico.

Auriculares audiométricos

El auricular y su almohadilla deben ajustarse a las especificaciones ANSI!. El auricular para un audiómetro concreto se elige en la fábrica de manera que la combinación de audiómetro, auricular y almohadilla cumplan las especificaciones ANSI. El número de serie del auricular con que se ha calibrado el audiómetro y la fecha de calibración deben adherirse al audiómetro. Puede que la salida acústica no satisfaga las especificaciones si se emplean distintos auriculares o almohadillas, con lo que podrían obtenerse audiogramas incorrectos. No se debe golpear, ni emplear inadecuadamente el auricular porque puede dañarse con facilidad. Por lo general se acompaña de una cinta con un muelle para sujetar los dos auriculares firmemente sobre la cabeza. No se aconseja sujetar el auricular con la mano porque esto permitiría que los temblores musculares se transmitieran al oído, afectando así a la precisión de las medidas a bajas frecuencias. En lugar de utilizar auriculares supraurales, es posible emplearlos insertados para ayudar a controlar el problema del ruido de fondo y prevenir el colapso del canal auditiv04 • Los valores para la calibración de estos auriculares se encuentran en el Apéndice G de los criterios ANSI! de 1989. No todas las instituciones han aprobado el uso de los

EVALUACION DE LA AUDICION

19.5

auriculares insertados, por lo que el evaluador deberá asegurarse de que su empleo es apropiado en cada caso concreto.

Audiómetros de tono puro operados manualmente

El audiómetro manual es aquel en que el examinador controla tanto la frecuencia como el nivel de los tonos puros presentados al sujeto. La persona cuya audición está siendo examinada responde a estas señales levantando un dedo o apretando un botón al oírlas. Con un audiómetro de este tipo, se examina a los sujetos individualmente. Quien lleva a cabo la prueba elige una frecuencia, presenta cortos pulsos de tono mediante un interruptor y manipula el indicador de nivel de audición para determinar el nivel de audición del sujeto. El interruptor de tonos permite que el examinador presente (o elimine) manualmente el tono sin introducir clics, transiciones u otros sonidos extraños. (El tono de prueba suele estar en la posición APAGADO.)

Utilización de un audiómetro manual. El sujeto se sienta de manera que no pueda ver la manipulación de los marcadores del audiómetro. El audiómetro se opera de manera que la persona que está siendo examinada no recibe claves visuales o auditivas extrañas al principio o final de los tonos. Sin embargo, la cara del sujeto debe permanecer visible al examinador para que pueda evaluar las respuestas. La Figura 19.2 muestra cómo colocar al sujeto para un examen audiométrico manual. Antes de que el sujeto se coloque los auriculares, se le dice: (1) que espere una serie de tonos durante la prueba a varios niveles sonoros, (2) que cada oído será examinado por separado, (3) el orden en que se presentarán los tonos y (4) qué oído será examinado en primer lugar. Uno de los procedimientos de examen es el siguiente: se dan instrucciones al sujeto para que levante el dedo cada vez que oiga un sonido a través del auricular y para que lo mantenga levantado mientras lo siga oyendo, por débil que sea. Se pide al sujeto que sólo baje el dedo cuando ya no oiga el sonido. Se colocan los auriculares sobre los oídos del sujeto y la persona que lleva a cabo el examen se asegura de que cada auricular está centrado sobre el canal auditivo y de que las almohadillas se ajustan cómodamente. En este momento, si la prueba se lleva a cabo en una cabina audiométrica, se cierra la puerta. La cabina aporta un entorno silencioso para los exámenes. Entonces se presenta un tono a unos cuantos niveles de presión sonora que el sujeto pueda oír con facilidad. Esto es para asegurarse de que la persona entiende qué se espera de ella. Se debe presentar una secuencia ascendente de tonos. Si el sujeto dice que un oído es mejor que el otro, se comienza el examen con el mejor oído. Se selecciona la frecuencia de 1000 Hz y el indicador de nivel de audición a O dB. Se aumenta el nivel de presión sonora con incrementos de 10 dB, hasta que el sujeto responda mediante la elevación del dedo, momento en que se reduce el nivel en 10 dB Yse presenta un pulso de tono durante 1 o 2 segundos. Si el sujeto levanta el dedo nuevamente, se reduce el nivel otros 10 dB Yse presente otro pulso de tono. Este procedimiento se repite hasta que el sujeto no responde. Entonces se eleva el nivel en intervalos de 5 dB hasta que el sujeto vuelve a levantar el dedo.

19.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

_---===:=.::;:n-----,

FIGURA 19.2. Colocación del empleado en una cabina de examen audiométrico para obtener un audiograma de tono puro de conducción aérea con un audiómetro manual.

A una frecuencia determinada, el umbral es el nivel de audición que corresponde a la lectura en el indicador a la que el sujeto responde correctamente aproximadamente el 50 por 100 de las veces. Así, el nivel de presión sonora del tono puro presentado al sujeto se reduce y se aumenta por encima y por debajo del umbral del sujeto, para encuadrar la lectura del indicador en que las respuestas positivas son consistentes. Este procedimiento para encuadrar es uno de los dos métodos para establecer el umbral recomendado por la Organización Internacional para la Estandarización (International Organization Jor Standardization _ISO)5.6. La ISO también permite un método ascendente en que se presentan tonos consecutivos en una secuencia ascendente hasta que se produce la respuesta. Después del examen a 1000 Hz. se repite el procedimiento anterior a las frecuencias de 2000. 3000. 4000 Y6000 Hz: la prueba se repite a 1000 Hz y, finalmente. a 500 Hz. A continuación. se sigue la misma secuencia completa para evaluar el otro oído. Audiómetros de tono puro con autorregistro (automáticos)

Un audiómetro de autorregistro (awomático) es aquel en que el sujeto cuya audición está siendo examinada controla los niveles de presión sonora de los tonos pu-

19.7

EVALUACION DE LA AUDICION

ros mediante un interruptor manual. El sujeto recibe instrucciones de: (1) que presione el interruptor en cuanto oiga el sonido y (2) que lo suelte cuando ya no pueda oír el sonido. De esta manera, el nivel del tono examinado en el auricular va desde el límite inferior al límite superior del umbral de audición del sujeto. Las respuestas del sujeto se registran automáticamente mediante una plumilla sobre una forma especial de audiograma, tal como el que muestra la Figura 19.3. Los audiómetros de autorregistro tienen las siguientes características: (1) no resulta más difícil responder a éstos que a un audiómetro manual, (2) aportan medidas del nivel de audición que son tan fiables como las obtenidas con los audiómetros manuales y (3) se obtienen umbrales que tienden a ser ligeramente más sensibles que los obtenidos con un audiómetro manual. Por esta última razón, cuando se comparan dos audiogramas, es aconsejable que se obtengan con el mismo método de examen. En un audiómetro de autorregistro de tipo corriente, los tonos puros se presentan como una sucesión de varias frecuencias audiométricas, una por una, durante 30 segundos. Las personas cuya audición está siendo examinada ajustan el nivel de presión sonora continuamente en torno a su nivel de audición. El nivel de presión sonora de los tonos aumenta automáticamente hasta que el sujeto presiona el interruptor; entonces, los tonos reducen su nivel automáticamente hasta que el sujeto deja de apretar el interruptor. Este procedimiento se repite durante 30 segundos para cada frecuencia. Entonces el instrumento pasa automáticamente a la siguiente frecuencia, donde se repite el proceso. Una vez que el examen del primer oído (habitualmente el izquierdo) ha terminado, la misma secuencia se inicia automáticamente en el auricular derecho. Los ajustes que la persona hace del nivel de presión sonora se registran automáticamente en una hoja de audiograma. Una de las principales fuentes de error en el uso del audiómetro manual es que los técnicos audiométricos estén poco motivados o poco entrenados. El personal ~ MHM

~,

"OH'

~MPtO\l'( lAGiTRECORDING AUDIOMETER MARICE GRASON SlADlER

y

r

TEST lOCATI()fIo

14/ 281711 '"0Rnr

Z w -lO 0'" O

,

E ~ lO

g "!20

«lil

;t (ji 30

.

lIlrIT

><0

ID

lIlT

Til'

-

MODEl.1103

-lNQ

·DERI:CHO

-lO O \111

J'V1 I

-

-

-

Itw

'.'{'

-

~

- - - - - - - - - - ~ 11-' -

g¡ ~ 40

-

VV

~ (1)50 :lO

¡¡j ¡¡j 60

~~70 ~~80

w

~

z

90

500 1000

000 16000 8000 500 1000 2000 3000 OOC 600C 8000 1000

lO

20 30 40 50 60 70 80 90

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 19.3. Un audiograma de tono puro obtenido con un audiómetro de autorregistro (automático). (Cortesía del Departamento Médico de Consolidated Edison.)

19.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que está cansado puede acelerar la prueba con un audiómetro manual, tomando atajos que pueden comprometer seriamente la precisión del procedimiento. El uso de los audiómetros de autorregistro reduce esta fuente de error. Con este tipo de audiómetros, la persona que lleva a cabo la prueba no tiene control sobre la duración de la misma, que suele ser de unos 7 minutos y medio. Es esencial que el examinador que lleve a cabo este tipo de evaluación reciba entrenamiento del mismo tipo y duración que quienes administran los exámenes con audiómetros manuales. Dado que un cierto porcentaje de la población no puede ser evaluado mediante el audiómetro de autorregistro, hay que tener disponible un audiómetro manual y, por lo general, será el mismo personal el que tendrá que utilizar ambos procedimientos. La calibración biológica (o funcional), descrita a continuación, debe ser llevada a cabo por el examinador tanto con los audiómetros manuales como con los de autorregistro. Es importante el control visual de los trazados del audiograma a lo largo de la prueba. La persona que lleva a cabo el examen debe asegurarse de que el sujeto no pierde la atención o la motivación durante la prueba y debe determinar que el equipo sigue funcionando adecuadamente. Audiómetros controlados por ordenador

Los audiómetros controlados por ordenador (audiómetros microprocesadores) se usan en muchos programas de conservación de la audición, sobre todo en los de cierta entidad. El rasgo básico de un audiómetro de este tipo es que puede programarse para presentar tonos puros a niveles de presión sonora específicos; el sujeto responde o no a estos niveles específicos. Entonces el audiómetro ajusta el nivel de audición de la siguiente presentación de la señal, hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la respuesta del sujeto o de la ausencia de la misma. Existe una gran variedad de prestaciones disponibles en los distintos audiómetros comerciales de este tipo. El umbral se define en algunos sistemas como el nivel de presión sonora más bajo que produce tres respuestas positivas frente a una secuencia ascendente. El examinador tiene la opción de reevaluar una o todas las frecuencias mediante el procedimiento manual convencional. Los umbrales se registran en una salida de impresora que se adjunta a cada examen audiométrico y no precisan de la interpretación o enjuiciamiento de la persona encargada de la conservación de la audición laboral acerca de si una respuesta concreta es aceptable. Algunos modelos ofrecen impresiones gráficas convencionales de audiogramas, además de impresiones de tablas. Calibración del audiómetro

La especificación más importante de un audiómetro es la precisión del nivel de presión sonora en el auricular. Con frecuencia este nivel supera la tolerancia permitida en la especificación ANSI; entonces hay que satisfacer todos los demás requisitos ANSI. Es necesario. por tanto. controlar el audiómetro a menudo. Calibración funcional de un audiómetro.

El audiómetro ha de comprobarse dia-

EVALUACION DE LA AUDICION

19.9

riamente por si existen cables defectuosos, desajuste en los indicadores, electricidad estática o zumbidos en el auricular. Estas comprobaciones forman parte de una prueba de audición, descrita a continuación. Además, hay que llevar a cabo una calibración funcional habitualmente. Una calibración funcional (a veces denominada calibración biológica cuando se realiza sobre una persona) es un audiograma llevado a cabo por el examinador en un sujeto adulto o en un oído electroacústico portátil. El sujeto humano debe tener umbrales estables y (1) no haber sido expuesto a ruido de nivel alto inmediatamente antes de la prueba y no trabajar en un área de mucho ruido, (2) no tener un historial de enfermedades auditivas y (3) tener una audición prácticamente paralela en ambos oídos. Un audiograma de calibración funcional debe realizarse diariamente (o siempre que el examinador sospeche que existe un mal funcionamiento) y compararse con los audiogramas previos realizados a la misma persona. Si los audiogramas difieren en 10 dB o más en cualquier frecuencia, o si el tono aparece distorsionado o el instrumento hace ruido, debe realizarse una calibración periódica del audiómetro, definida a continuación7 . Además del audiograma, el examinador debe escuchar el audiómetro por si hubiera otros problemas, como clics, zumbidos o electricidad estática. Esta prueba de audición, llevada a cabo por la persona que dirige el examen, forma parte esencial de este tipo de calibración. Los registros de la calibración funcional deben mantenerse en el formulario diseñado para ell07 . Un oído electroacústico portátil que reemplaza a un sujeto humano en una calibración funcional puede usarse con varios tipos de audiómetros. Estos aparatos portátiles, que funcionan con pilas: (1) sirven como sustituto del sujeto, permitiendo que el examinador controle la fiabilidad del funcionamiento del audiómetro; (2) son útiles cuando el examinador no tiene una persona disponible cuya audición pueda ser evaluada regularmente, y (3) son aceptados por la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) para su uso en la realización de calibraciones funcionales. Sin embargo, la persona que lleva a cabo el examen también debe oír el audiómetro diariamente por si hay otros problemas (como clics o zumbidos). Calibración anual. Se debe realizar una calibración anual del audiómetro para asegurarse de que satisface todas las especificaciones relevantes de las normas ANSI. Estas pruebas incluyen: (1) una comprobación de la precisión de la frecuencia de los tonos de examen; (2) una comprobación de la linealidad del indicador del nivel de audición, desde O dB hasta el máximo del audiómetro. como puede ser una comprobación para determinar si el nivel de presión sonora aumenta 5 dB en cada incremento del indicador. y (3) una comprobación para asegurarse de que el nivel de referencia auditiva del auricular (expuesto en la Tabla 19.1) en cada frecuencia de examen está dentro de la tolerancia permitida. Estas medidas de la salida sonora del auricular se realizan colocándolo sobre el acoplador del National Bureau of Standards (NBS) 9-A, mostrado en la Figura 19.4a. Un micrófono calibrado dentro del acoplador mide la salida del auricular para los valores específicos del nivel de presión sonora. El auricular que se va a calibrar descansa sobre el borde superior o labio del acoplador con una fuerza igual al peso del auricular más 400 o 500 gramos, tal como ilustra la Figura 19.4b. Calibración bianual.

Además de las pruebas de una calibración periódica anual

19.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

2.250 DIAMETRO DE DESLIZAMIENTO AJUSTADO AL MICROFONO

w

~

w

0.024

:E

PARA EL '" « TERMOMETRO ~ ~

TUBO CAPILAR

~:E

0.016 Diámetro del cable

______-Ll ALFILER DE CONTACTO - - - -

1

ICROFONO DE PRESION NORMALIZADO CORAZA DE TIERRA

AL AMPLIFICADOR TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS

t

la)

400·500 FUERZA EN GRAMOS

AURICU

ACOPLADOR lb)

MICROFONO SIN REJILLA PROTECTORA

FIGURA 19.4. (a) Diagrama que muestra el corte de una sección del acoplador NBS 9-A; (b) diagrama que muestra un auricular colocado sobre el acoplador bajo una fuerza aplicada de 400 a 500 gramos.

EVALUACION DE LA AUDICION

19.11

descritas anteriormente, al menos cada dos años debe realizarse una calibración exhaustiva. Esta calibración debe incluir una medida de: (1) la distorsión armónica, (2) características de la cobertura del tono (tiempos de elevación y descenso, superación de los límites y nivel de APAGADO) y (3) sonido no deseado de los auriculares de examen u otras fuentes. Estos registros de calibración, incluyendo fecha, tipo y datos de medida, deben conservarse al menos durante 5 años. El técnico audiométrico no está entrenado para realizar ni la calibración periódica, ni la más completa cada dos años. Estas calibraciones deben llevarse a cabo en el lugar de examen, si el equipo necesario puede trasladarse allí, o en una instalación con el equipamiento y los expertos adecuados.

RUIDO DE FONDO PERMISIBLE DURANTE LA EVALUACION AUDIOMETRICA El exceso de ruido de fondo en el área de examen audiométrico puede conducir a imprecisiones en la determinación de los niveles de audición, sobre todo a 500 y 1000 Hz y frecuencias bajas. Esto se ilustra en la Figura 19.5, que muestra los efectos del típico ruido industrial de fondo sobre la medida de los umbrales de audición de conducción aérea de tonos puros. La curva superior muestra los niveles de audición del oído derecho de un empleado, tomados en un ambiente silencioso. La curva inferior (la línea a trazos debajo de los 2000 Hz) muestra medidas similares del mismo oído tomadas en un ambiente industrial ruidoso. El desplazamiento del umbral es resultado exclusivo de los efectos del ruido de fondo en el área de examen. Así, es esencial que los exámenes audiométricos se realicen en un lugar donde el nivel de ruido ambiental sea lo suficientemente bajo como para que las medidas no se vean afectadas.

FRECUENCIA EN HERZIOS

Z

Q." UCXl

i5

~

-lO

~

¡¡;

20 30 40 50

125 250 500 1000 200040008000

::J ~

g¡ ~ ~

o

::J ~

...JW

W al

f-+--t-----.,t-T.cO'-+-t-t--t-t-+-i f-+--t---'lr'--+-+-+-I-t--t-t-+-i

1-+--t-----1I-+-+-H-+-t-H-i f-t--t-----1I-+-+-H-+-t-H-I

60 f-+--t-----1I--+-t-+-I-t--+-t-+-1 70 1-+--+-----1I-+-+-+-I-t--+-I-+-1

00 80 f-t--t-----1I-+-+-H-+-t-H-I o 90 f-+--+-----1I--+-t-+-I-t--+-t-+-1

Ul W W

~ ~ 100 1-+--+-----1I--+-t-+-I-t--+-I-+-1 110 '-'-_--'----''----'---'--'--'-L--'-'--<-...J

Z

FIGURA 19.5. Efectos del ruido de fondo en la habitación de examen sobre los umbrales para conducción aérea de tonos puros de baja frecuencia. Las líneas a trazos representan los umbrales para frecuencias bajas, obtenidos en un ambiente industrial ruidoso.

19.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Criterios ANSI

El criterio ANSI S1.19778 especifica el máximo nivel de ruido de fondo permisible durante el examen audiométrico de oídos con auriculares con almohadillas MX-411AR o de tipo telefónico 51 (los tipos de almohadillas empleadas en la mayoría de los audiómetros). El examen audiométrico puede llevarse a cabo satisfactoriamente descendiendo hasta un nivel de audición de dB, si los niveles de presión sonora de un tercio de octava en el área de examen no superan los siguientes valores a frecuencias centradas en 500, 1000, 2000, 4000 Y8000 Hz: 16,5,24,5,29,5, 37,0 Y40,0 dB, respectivamente. Los valores comparables especificados por el ISO son 18,23,32,40 Y39 dB para las mismas frecuencias de octava lO • Las medidas de los niveles de bandas de octava deben hacerse con un analizador de un tercio de octava que satisfaga las especificaciones ANSI correspondientes.

°

Normativas de la Occupational Safety and Health Administration (OS HA)

De acuerdo con las normativas de la OSHA9 (véase Capítulo 26), en el área en que se llevan a cabo los exámenes audiométricos, los niveles de las bandas de octava centradas en las frecuencias de 500,1000,2000,4000 Y8000 Hz no deben superar 40, 40,47,52 Y62 dB, respectivamente. Esto es aproximadamente equivalente a limitar el nivel sonoro con ponderación A a un valor máximo de 43 dB(A). Las medidas deben realizarse con un analizador de bandas de octava que satisfaga las especificaciones ANSI correspondientes.

Uso de dispositivos de aplicación especiales de auriculares para aportar un incremento de atenuación

Existen en el mercado varios dispositivos atenuadores para los auriculares que reducen el ruido de fondo más eficazmente que las almohadillas normalizadas empleadas en la mayoría de los audiómetros. Estos dispositivos se clasifican como: (1) auriculares circunaurales (auriculares en que las almohadillas rodean el pabellón auditivo en lugar de descansar sobre él) y (2) dispositivos de combinación de auriculares (cerramientos que emplean el auricular y la almohadilla normalizados del audiómetro que están suspendidos dentro de un casco reductor del ruido). En general. estos amortiguadores no deben emplearse en la audiometría industrial porque aportan sólo una reducción limitada del ruido de fondo por debajo de 1000 Hz, donde el espectro en bandas de octava de la mayoría del ruido industrial tiene sus niveles de octava más altos. El incremento de atenuación que estos ensamblajes especiales aportan por encima de los 1000 Hz no es necesario, porque el nivel del ruido de fondo por encima de esta frecuencia suele ser bajo y porque las almohadillas normalizadas aportan una atenuación adecuada para este rango. Más aún, no existe método normalizado para calibrar los auriculares circunaurales. Así, no hay nada que sustituya a un ambiente de examen silencioso.

19.13

EVALUACION DE LA AUDICION

PORCENTAJE DE LlMITACION (HANDICAP) AUDITIVA La Tabla 19.2 muestra un sistema de clasificación para relacionar el grado de dificultad en la comprensión del habla, basado en el nivel de audición medio para tonos puros a frecuencias de 500, 1000 Y 2000 Hz en el mejor oído. Este sistema de clasificación asume que existe una limitación auditiva despreciable en la mayoría de las personas en situaciones de escucha cotidiana en silencio, si ésta no supera los 25 dB (a este valor se le denomina límite inferior). Se utilizan varias fórmulas para calcular la limitación auditiva a partir de un audiograma de tonos puros. Estos porcentajes se emplean en el cálculo de las compensaciones monetarias por pérdidas de la audición inducidas por el ruido, pero no son una medida adecuada de la limitación auditiva de una persona. Los casos legales relacionados con la compensación por la pérdida de audición TABLA 19.2

Nivel de audición (umbral) medio, dB (ISO)

Clases de limitación auditiva* Nivel de audición medio (umbral) para 500, 1000 y 2000 Hz en el mejor oído·· Clase

Grado de limitación

Más de

No más de 25 dB (ISO)

Capacidad para comprender el habla

A

No significativo

Sin dificultad significativa con habla débil

B

Limitación leve

25 dB (ISO)

40dB

Dificultad sólo con habla débil

e

Limitación media

40dB

55 dB

Dificultad frecuente habla normal

D

Limitación marcada

55 dB

70dB

Dificultad frecuente habla alta

E

Limitación severa

70dB

90dB

SÓ lo puede comprender habla a gritos o amplificada

F

Limitación extrema

90dB

25

40

55

70

90 Habitualmente no puede comprender ni el habla amplificada

• H. Davis y S. R. Silverman" . •• Si la media para el peor oído supera en 25 dB o más a la del mejor oído en este rango de frecuencias, se añaden 5 dB a la media del mejor oído. Esta media ajustada determina el grado y la clase de limitación. Por ejemplo, si el nivel de audición medio (umbral) de una persona para 500. 1000 Y 2000 Hz es 37 dB en un oído y 62 dB o más en el otro. el nivel de audición medio (umbral) ajustado de la persona es de 42 dB Y la limitación es de Oase C. en lugar de Oase B.

19.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

resultante de la exposición al ruido o de un traumatismo acústico requieren de una fórmula para evaluar: (1) el porcentaje de limitación auditiva en cada oído (porcentaje de limitación auditiva monoauraf) y (2) limitación global de la audición con ambos oídos (porcentaje de limitación auditiva biaural).

Nivel de audición medio de tonos puros

El nivel de audición medio de tonos puros puede expresarse como: MTP

=

(NAjl + NAJ2 + NAf3 + NA f4 )/4

(19.1 )

donde NAjl. NAJ2. NAf3 Y NAf4 representan los niveles de audición para las frecuenciasfl.h,f, y f4. respectivamente. La limitación auditiva monoaural puede calcularse a partir de limitación auditiva monoaural = MTP - límite inferior

(19.2)

donde MTP es el nivel de audición medio de tonos puros a las frecuencias seleccionadas. obtenido a partir de la Ecuación (19.1). El límite inferior de 25 dB es el nivel de audición por debajo del cual no se pagará ninguna compensación. Algunos también lo consideran como el límite entre la audición normal y la anormal.

Método AAO-HNS (AMA 1979) para evaluar la limitación auditiva. Este método para evaluar la limitación auditiva fue desarrollado por el Committee on Hearing Conservatioll amI Equilibrium of the American Academy of OtolaryngologyHead amI Nerk 5urgery (AAO-HNS. anteriormente AAOO). Es esencialmente igual que el método AAOO/AMA 1959. descrito a continuación. salvo que la pérdida de audición a una frecuencia de 3000 Hz se incluye en una media de cuatro frecuencias. Así. las cuatro frecuencias de tono puro en la Ecuación (19.1) son 500. 1000.2000 Y3000 Hz 12 . El límite inferior correspondiente empleado en este método es 25 dB: se asume que no existe limitación en la capacidad para oír el habla cotidiana en condiciones habituales hasta que el nivel de audición medio supera los 25 dB. La limitación para la audición del habla cotidiana se considera total cuando el nivel de audición medio está por encima de los 92 dB; así. el valor de 93 representa el límite superior. Entre el límite inferior de 25 dB Y el límite superior de 93 dB. el porcentaje de la limitación auditiva monoaural se calcula de la siguiente manera: I. Se calcula el MTP de la Ecuación (19.2) para las frecuencias de 500.1000. 2000 Y 3000 Hz.

2. Se resta 25 (el límite inferior) de este MTP. como se indica en la Ecuación ( 19.2). 3. Se multiplica el resultado obtenido en el 2." paso por el 1,5 por 100. El resultado representa el porcentaje de limitación auditiva monoaural en el oído para el que se ha calculado la pérdida de audición media para tonos puros. La limitación auditiva biaural se calcula de la siguiente manera:

19.15

EVALUACION DE LA AUDICION

1. Se multiplica el porcentaje de limitación auditiva monoaural del mejor oído

por 5. 2. Se añade el porcentaje de limitación auditiva monoaural del peor oído al valor obtenido en el primer paso. 3. Se divide este total entre 6. El resultado representa el porcentaje de limitación auditiva biaural. Cuando este procedimiento se aplica al audiograma que muestra la Figura 19.6, la limitación auditiva monoaural es el 34 por 100 para el oído derecho (mejor) y del 49 por 100 para el oído izquierdo (peor), y la limitación auditiva biaural es del 37 por 100.

Fórmula de la American Academy olOphthalmology and Otolaryngology (AMA 1959). El siguiente procedimiento fue suscrito por la American Academy of Ophthalmology and Otolaryngology (AAOO) y por la American Medical Associalion (AMA) en 1959. El porcentaje de pérdida de audición monoaural y biaural para el habla es idéntico con el método de evaluación AAO-HNS (AMA 1979), descrito anteriormente, salvo que el nivel de audición se promedia para tan sólo tres frecuencias; no se considera el nivel de audición a 3000 Hz. La aplicación de la fórmula AAOO/AMA 1959 al audiograma que muestra la Figura 19.6 resulta en una pérdida de audición monoaural del 19,5 por 100 en el oído derecho (mejor) y del 35 por 100 en el oído izquierdo (peor), y una limitación auditiva biaural del 23 por 100.

CONDUCCION OSEA La conducción ósea es la transmisión de la energía acústica al oído interno mediante vías a través de los huesos del cráneo. Al evaluar la audición mediante este procedimiento, se sujeta un vibrador de conducción ósea (un aparato electromecánico que sirve como fuente de estimulación) contra un hueso de la cabeza. El objetivo de

wVl 00 -,:J

~~Ol ce-a:> :2~~

::Joco -,ZM wwll)

°züi VlOZ

~ü
~i5

-::J Z
10 O

10 20 1\, 30 40 ''\. Oido 50 ~ d rech 60 Ii Oido wf! 70 izquierdo 80 1 I I 90 I I l! 100 110 125 250 500 10002000 4000 8000

,.

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 19.6. Audiograma empleado en el cálculo de muestra del porcentaje de limitación auditiva a partir de un audiograma de tono puro.

19.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

estas medidas es sobrepasar los oídos externo y medio, de forma que se pueda evaluar la sensibilidad del mecanismo sensorioneural (cóclea y nervio auditivo). La comparación de los umbrales para conducción aérea y ósea permite diferenciar entre los principales tipos de limitación auditiva, de manera que la pérdida de audición pueda localizarse en el oído medio, interno, nervio auditivo o alguna combinación de éstos.

Calibración del vibrador de conducción ósea Un mastoide artificial es un aparato que intenta reproducir la impedancia mecánica de la cabeza humana media en las posiciones donde el vibrador de conducción ósea suele colocarse. Así, el mastoide artificial aporta una referencia normalizada que está disponible para la especificación de umbrales de sensibilidad para la conducción ósea. La lnternational Electrotechnical Commission (IEC)13 y el American Standards lnstitute (ANSI)14 han recomendado las características de la impedancia mecánica para su uso en el mastoide artificial. La superficie del vibrador que hace contacto con el cráneo es un disco plano circular de 1,75 cm 2 de área que se aplica sobre la cabeza con una fuerza de 550 gramos.

Umbral equivalente de referencia SPL para medidas de conducción ósea. Los criterios ANSI e ISO definen valores del umbral de conducción ósea basados en el examen de oídos no ocluidos y la presentación de enmascaramiento al oído que no está siendo examinado. La norma ANSI S3.26-1981 15 emplea valores que son adecuados para un tipo específico de vibrador óseo con una banda concreta para la cabeza. La ISO define un conjunto de valores para su uso con vibradores de conducción ósea con una punta circular plana con un área nominal de 175 mm 2. 16 Colocación del vibrador de conducción ósea sobre el cráneo. Las medidas de conducción ósea se realizan con el vibrador colocado sobre el mastoide o sobre el hueso frontal. La colocación sobre el hueso frontal tiene la ventaja de mejorar la fiabilidad entre un examen y el siguiente y la de reducir la variabilidad entre sujetos; la principal desventaja es que, comparada con la colocación sobre el mastoide, reduce la sensibilidad. La mayoría de los audiómetros de conducción ósea están calibrados para su colocación sobre el mastoide. Por ello, si los umbrales se obtienen con el vibrador colocado sobre el hueso frontal, deben realizarse las correcciones apropiadas. Enmascaramiento El enmascaramiento (descrito en el Capítulo 17) es el proceso por el cual el umbral de audibilidad para un sonido se eleva en presencia de otro sonido (enmascarador). El enmascaramiento se emplea en audiometría para eliminar la audición del estímulo que se examina por uno de los oídos (el que no está siendo evaluado), mientras se evalúa el otro. El enmascaramiento eficaz es la cantidad mínima de ruido preciso para enmascarar el estímulo a examen. El sobreenmascaramiento es el

EVALUACION DE LA AUDICION

19.17

enmascaramiento (aplicado sobre el oído que no se evalúa) de un nivel tan alto que puede ser escuchado en el oído que está siendo examinado, elevando por tanto su umbral de forma espuria. El subenmascaramiento no es lo suficientemente alto en nivel como para impedir que el oído que no está siendo evaluado oiga la señal de examen. La precisión de las medidas de conducción ósea depende de una selección juiciosa de los niveles de enmascaramiento. El enmascaramiento es esencial para la conducción ósea siempre que exista la posibilidad de audición cruzada. Un método propuesto por la American Speech-Language-Hearing Association para determinar los umbrales de conducción aérea 17 es también aplicable al examen de la conducción ósea. Las frecuencias por debajo de 250 Hz y por encima de 4000 Hz no suelen incluirse en el examen de conducción ósea. Los niveles de ruido ambiental deben ser significativamente inferiores a los requeridos para las medidas de conducción aérea, ya que la atenuación que aportan las almohadillas que rodean al auricular no está presente en las medidas de conducción ósea no ocluida. De acuerdo con el criterio ANSI S3.1-19778 , en las áreas de examen donde se realizan medidas de conducción ósea descendentes, hasta niveles auditivos de cero, el nivel del ruido de fondo no debe superar los niveles de presión sonora de 18,5 dB a 250 Hz, 14,5 dB a 500 Hz, 14 dB a 1000 Hz, 8,5 dB a 2000 Hz y 9,0 dB a 4000 Hz.

AUDIOMETRIA DEL HABLA

El examen de los tonos puros aporta valiosa información acerca de la audición, pero insuficiente para evaluar la capacidad para comprender el habla. El examen directo de la capacidad para reconocer palabras y frases se lleva a cabo mediante la audiometría del habla: (1) para determinar el nivel de capacidad auditiva, (2) para ayudar a determinar la ubicación de la lesión, (3) para evaluar la capacidad de la persona para comprender el lenguaje hablado y (4) para evaluar el rendimiento con y sin ayudas auditivas. Esta última es particularmente importante para planificar las estrategias de rehabilitación cuando hay una pérdida de audición que no puede mejorarse médica o quirúrgicamente. Los materiales de examen del habla que se emplean en la audiometría pueden dividirse en dos categorías: (1) aquellos que determinan el umbral de la audición y (2) aquellos empleados para determinar la capacidad para el reconocimiento del habla a un nivel por encima del umbral (del sujeto). El material específico empleado depende de la finalidad del procedimiento de examen. El examen del umbral del habla puede realizarse para obtener un umbral de detecci6n del habla o un umbral de reconocimiento del habla. El examen de detección del habla se lleva a cabo con el fin de averiguar el nivel más débil al que el sujeto puede responder al habla, aunque no reconozca las palabras. Para determinar el nivel de reconocimiento del habla, se emplean materiales que resulten bastante familiares al oyente, con el fin de obtener el nivel más débil al que puede oírlos e identificarlos correctamente el 50 por 100 de las ocasiones. Se pide al sujeto que repita o señale las palabras, dibujos u objetos nombrados por las palabras. El uso de estos materiales evita la contaminación debida a la habilidad lingüística.

19.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El examen de viva voz (con un micrófono) es menos fiable que el material grabado y da como resultado un alto e inaceptable nivel de falsos positivos y negativos. El examen del habla, a nivel de umbralo por encima de él, debe usar materiales grabados, que están disponibles en varios formatos. Al examinar a personas mayores, de quienes se sospeche que exageran sus limitaciones auditivas, y a los muy jóvenes, puede emplearse el examen de viva voz.

Umbrales de reconocimiento del habla

Uno de los dos procedimientos referidos suele emplearse para determinar el umbral de reconocimiento del habla. En cada procedimiento, el examinador familiariza en primer lugar al sujeto con el material hablado mediante la lectura de la lista a un nivel muy por encima del umbral. El primer procedimiento es parecido a uno de los descritos anteriormente para determinar los umbrales para tonos puros. El segundo procedimiento para determinar el umbral de reconocimiento del habla es una modificación del procedimiento grabado descrito en la Referencia 18 y está recomendado por la American Speech-Language-Hearing Association 19 •

Examen del reconocimiento del habla por encima del umbral

Una vez que se ha determinado el umbral de audición del habla, suele evaluarse la capacidad del sujeto para reconocer el habla a niveles por encima del umbral. Aquí. se emplean sílabas sin sentido. palabras monosilábicas y palabras en frases para las pruebas. Las palabras monosilábicas se usan más a menudo. ya que suelen contener combinaciones de consonante-vocal-consonante y poseen significado, lo cual es importante para el reconocimiento por parte de oyentes poco sofisticados. Por lo general. suelen utilizarse materiales familiares, ya que esta prueba no está diseñada para evaluar vocabulario. sino simplemente para determinar la capacidad para repetir (o escribir) la palabra verbalizada. Las dos categorías generales de materiales son: (1) conjunto abierto (un conjunto de palabras respecto del cual el sujeto no conoce la probabilidad de ocurrencia de la palabra) y (2) conjunto cerrado (el sujeto sabe que la palabra provendrá de una lista elegida). Dependiendo de la finalidad. se pide al sujeto que repita la palabra pronunciada. la escriba o la marque. Esta prueba siempre se realiza a un nivel por encima del umbral. En EE.UU .. suelen llevarse a cabo las pruebas de habla con fines diagnósticos a un nivel de 30 o 40 dB por encima del umbral del habla. o 30 dB por encima del umbral para un tono de 1000 Hz. Cuando la finalidad es determinar la capacidad del sujeto para comprender el lenguaje hablado con propósitos rehabilitadores, el habla suele presentarse al nivel de «sonoridad más cómoda') o niveles comparables de habla conversacional suave. media e intensa. Por lo general. se utilizan palabras monosilábicas fonéticamente equilibradas que se aproximen al equilibrio fonético del inglés hablado.

EVALUACION DE LA AUDICION

19.19

REFERENCIAS 1. American national standard speciftcations for audiometers, ANSI S3.6-1989, American National Standards Institute, Nueva York, 1989. 2. Audiometers, lEC 645, International Electrotechnical Commission, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1979. 3. Acousties - Standard referenee zero for the ealibration of pure-tone audiometers, ISO 389, Addendum l-ISO DAD-l, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1981. 4. Acousties - Pure tone air eonduction threshold audiometry for hearing conservation purposes, ISOIDIS 6189.2, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1984. 5. Draft International Standard Acousties - Basic pure-tone audiometric test methods, ISOIDIS 8253.2, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1984. 6. L. A. Wilber, «Calibration: Puretone, speech and noise signals», en J. Katz (Ed.), Handbook of clinieal audiology, 3" ed., Williams and Wilkins, Baltimore, 1985, pp. 116-150. 7. M. H. Miller (Ed.), Occupational hearing eonservation manual, 2" ed., Council for Accreditation in Occupational Hearing Conservation, Springfield, NJ 07081, 1985, pp. 204-205. 8. American national standard criteria for permissible ambient noise during audiometrie testing, ANSI S3.1, American National Standards Institute, Nueva York, 1977. 9. Occupational Safety and Health Administration, «Occupational noise exposure, hearing conservation amendment, final rule», Federal Register, 4846,1983, pp. 9737-9785. 10. Draft lnternational standard, acousties - Air-eounduetion threshold audiametry for hearing eonservation purposes, ISO/DIS 6189, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1983. 11. H. Davis y S. R. Silverman (Eds.), Hearing and deafness, 4." ed., Holt, Rinehart and Winston, Nueva York, 1978, p. 27l. 12. Cuides 10 the evaluation of permanent impairment, American Medical Association Committee on Rating of Mental and Physical Impairment, Chicago, 1971. 13. An lEC mechanieal eoupler for the calibration of bane vibrators having a specifted eontaet area and being applied with a speeified static force. lEC 373 1971. International Electrotechnical Commission. CH-I21 1 Ginebra 20. Suiza. 1971. 14. American national standard specifieation for a meehanieal eoupler for measurement of bone vibrators. ANSI S3.13-1987. American National Standards Institute. Nueva York. 1987. 15. American national standard reference equivalent threshold force levels for audiometrie bone vibrators. ANSI S3.26-1981. American National Standards Institute, Nueva York, 1982. 16. Acousties - Standard referenee zero far the ealihration of pure-tone bone-eondueted audiometers and guidelines for its praetical applieations. ISO/DIS 7566 1987, International Organization for Standardization. CH-1211 Ginebra 20. Suiza, 1987. 17. Cuidelines for manual pure-tone threshold audiometry, Asha 20, American Speech-Language-Hearing Association. 1978. pp. 297-301. 18. C. V. Hudgins y col.. «The development of recorded auditory tests for measuring hearing loss for speech», Laryngoscope, vol. 57,1947. pp. 57-89. 19. Cuidelines for determining threshold level for speeeh. Asha 30, American Speech-Language-Hearing Association. 1988. pp. 85-88.

Capítulo

20

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL Allen L. Cudworth

INTRODUCCION

En el sistema legal de Estados Unidos, una persona que sufre pérdida de audición debido a la exposición al ruido ocupacional o lesión traumática puede tener derecho a una compensación por los daños. La limitación auditiva como resultado de lesión traumática, por ejemplo, de un disparo a la cabeza, es compensable de acuerdo con las Actas de Compensación de los Trabajadores (Worker's Compensation Acts) en todos los estados y bajo todas las jurisdicciones federales. La limitación auditiva que resulta de la exposición al ruido ocupacional puede dar lugar a una compensación a través de varios procedimientos contemplados en estas mismas Actas. En la mayoría de los estados, la limitación auditiva inducida por el ruido es tratada como una enfermedad laboral, con compensaciones programadas basadas en el grado de pérdida de audición. La pérdida del poder adquisitivo del trabajador no suele tenerse en consideración en estas acciones. En pocos estados, sólo se reconoce la lesión traumática, pero la exposición al ruido puede ser reconocida como una serie de incidentes discretos. En algunos estados, la pérdida parcial de la audición no se considera compensable salvo que derive en una pérdida completa de la audición. El propósito de las Actas de Compensación de los Trabajadores l es aportar a la persona lesionada un remedio al margen de la ley de agravio·, de forma que la negligencia y la falta no sean consideraciones del proceso. Existe otra acción en el sistema legal para el trabajador lesionado. La pérdida auditiva que resulta del uso de un producto que es excesivamente ruidoso y está etiquetado inadecuadamente puede tratarse bajo la ley de agravio, siempre que el de-

• Para una definición de agravio y otros términos legales, véase Capítulo 51.

20.1

20.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

mandante pueda demostrar la lesión debida al uso y a la negligencia en el diseño o etiquetado. Estudios que comparan las poblaciones industriales expuestas al ruido con otras que no lo están indican que el trabajo en muchos ambientes industriales ruidosos puede producir daños auditivos (véase Capítulo 18). Sin embargo, una audición inferior a la normal existe en millones de personas que nunca han sido expuestas a ruido peligroso, de manera que la relación causal entre la pérdida auditiva y la exposición al ruido es objeto de litigio en muchos casos. Como se indicó en el Capítulo 18, la pérdida auditiva inducida por el ruido contiene tanto componentes temporales como permanentes. Debido a la naturaleza gradual de la pérdida auditiva, la persona lesionada no suele ser consciente de que está teniendo lugar una pérdida gradual. y por ello puede no tomar las adecuadas precauciones contra un agravamiento de la lesión en algunas actividades de ocio (tales como tiro al plato). Este capítulo considera los problemas legales implicados en la compensación a una persona por un cambio en su audición atribuido a determinado aspecto de su empleo. Aquí no se cubre el Acta de Salud y Seguridad Laboral (Occupational Safety ami Health Act - OSHA). que trata del control de los riesgos laborales, pero ésta se describe en detalle en el Capítulo 26.

COMPENSACION. PERSPECTIVA HISTORICA Los inicios

Se ha dicho que
PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.3

das por razón de la negligencia del empresario había fracasado completamente en la satisfacción o remedio de un gran problema económico y social que el industrialismo moderno nos ha impuesto, esto es, el problema de quién debe hacer la recompensa pecuniaria por la tasa de sufrimiento y muerte que el industrialismo impone y debe continuar imponiendo al mundo civilizado ... Hablar de la acción de la ley común sobre lesiones personales como un remedio para este problema es bromear con temas serios, dar una piedra a quien pide pan. El terrible derroche económico, la desbordante tentación de la comisión de perjurio, y la relativamente pequeña proporción de sumas recuperadas que llega a las partes perjudicadas en tales acciones, la condenan como totalmente inadecuada para afrontar esta dificultad.

En un intento de aliviar algunas de las restricciones del sistema de la ley común, la mayoría de los estados actuaron antes de 1910 para modificar las defensas en la ley común. Algunos también implantaron leyes relativas a la responsabilidad de los empresarios con el fin de conceder a los trabajadores lesionados un remedio más eficaz. Estos esfuerzos no fueron suficientes para responder a la demanda creciente de una solución realmente revolucionaria basada en principios nuevos y más saludables. Los principales defectos imputados al viejo sistema eran los de la necesidad del establecimiento de falta por parte del empresario y de estar libres de falta por parte del empleado y sus compañeros de trabajo, la inseguridad e inadecuación de las compensaciones, el retraso y elevados costes implicados en los juicios, la falta de uniformidad en las compensaciones, la falta de incentivos para adoptar medidas de seguridad para prevenir lesiones y la carga impuesta sobre el sector público del cuidado de las numerosas víctimas de lesiones industriales. Elihu Root describió el sistema como «alocado, derrochador, ineficaz y bárbaro». La denominada revolución industrial, tipificada por el crecimiento del sistema de fábricas en la década de 1890, trajo consigo un gran aumento de los accidentes industriales y demandas de una ruptura radical con el viejo sistema.

Desarrollo

Ya en 1854, Prusia requirió de los empleados que contribuyeran a los fondos de la asociación para la enfermedad. En 1884, Alemania adoptó el primer sistema de compensación, basado fundamentalmente sobre la tesis de que la lesión industrial formaba parte del coste de manufactura que debía añadirse al precio del producto. La prueba no era la de negligencia por parte del empresario, sino la de la lógica disposición de coste económico implicado en la producción. La ley británica fue la siguiente, en 1897. La primera ley de compensación en Estados Unidos fue aprobada en 1908 bajo la presidencia de Theodore Roosevelt, y cubría a los empleados civiles del gobierno federal. En 1910, la primera ley estatal había sido formulada. y en 1915,30 estados poseían leyes de compensación. Desde entonces, todos los estados han aprobado leyes. el último de los cuales fue Mississippi en 1949.

20.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Filosofía general

Estas leyes son de distintos tipos y existe considerable diversidad en cuanto a beneficios y procedimiento. Casi todas han adquirido carácter constitucional como un ejercicio válido del poder político de un estado al actuar en beneficio de su gente. Así, encontramos una cobertura electiva y compulsiva de industrias específicas, excepciones numéricas y distinta cobertura de accidentes y enfermedades. Los procesos van desde los tribunales hasta los cuerpos administrativos, habitualmente conocidos como cámaras o comisiones, con amplias diferencias en la práctica y el procedimiento. Estas diferencias son notables incluso entre los cuerpos administrativos. La seguridad del pago de los beneficios la aportan los fondos acumulados por las evaluaciones de los empresarios, en el caso de los fondos estatales, y por las primas que éstos pagan a las compañías de seguros, con varias provisiones de fondos en los estados con aseguramiento privado. Algunos estados utilizan ambos sistemas. El sistema ideal de compensación debiera producir compensaciones casi automáticamente sobre una base definida y adecuada, sin litigio acerca del coste, y con certeza y seguridad acerca del pago. Los beneficios consistirían en todos los cuidados médicos y hospitalarios necesarios, compensación monetaria adecuada, rehabilitación para quienes la limitación plantee un problema para el empleo y compensaciones para las personas dependientes de quienes mueran por causa de las lesiones. Este ideal no se ha logrado. La mayoría de las legislaciones contradicen la definición amplia de compensación en el sentido de algo que tiende a devolver la totalidad al trabajador, al menos financieramente, después de una pérdida. Algunas de las mejores normativas se acercan más al óptimo, pero son criticadas a causa de sus deficiencias en varios aspectos, uno de los cuales es la inadecuación de algunos de los beneficios. Las críticas también apuntan que los beneficios no son adecuadamente asignados a pérdidas específicas, existiendo diferencias entre demandas similares, incluso dentro del mismo estado. La cobertura de los empleados en Estados Unidos está actualmente por encima de los cuatro quintos del total 3 • Las exclusiones amplias más significativas son los empleados agrícolas y domésticos, y quienes están empleados por «pequeños» empresarios. Tal y como fueron inicialmente aprobadas, las leyes de compensación sólo cubrían lesiones accidentales, y no enfermedades laborales. Gradualmente se fue reconociendo que la enfermedad debida al trabajo podía ser prevenida en gran medida por los empresarios pero no por los empleados, y que había fundadas razones para incluir condiciones que surgieran no de pronto y debidas a un impacto único, sino a lo largo de un período de tiempo considerable y debidas a un gran número de exposiciones. En enero de 1977, sólo dos estados habían rechazado la compensación de todas las enfermedades laborales4 • Dos estados compensaban un número limitado de enfermedades específicas y compensaban las demás mediante una cobertura amplia de todas las enfermedades atribuibles a la exposición industrial. La primera enfermedad laboral que causó una preocupación real fue la silicosis, que. debido en gran medida a la incidencia de la tuberculosis sobreimpuesta, de-

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.5

mandaba la consideración de pagos o beneficios. Si la responsabilidad hubiera podido ser gradualmente asumida durante un período prolongado, el problema no hubiera sido grande. Muchos empleados habían sido expuestos durante años y estaban afectados por silicosis en distintas fases. Muchos de ellos plantearon demandas durante el período de depresión económica. La aprobación de las leyes que reclaman el pago por la denominada responsabilidad «acumulada» produjo miedo a las compensaciones opresivas con la consecuente desventaja competitiva entre los empresarios de distintos estados. Se mantenía que los empresarios eran responsables del resultado final de las exposiciones, incluso muchos años después de que el trabajador abandonara la empresa y aunque el trabajador estuviera todavía en activo en otra empresa. Algunos estados eliminaron la responsabilidad por una condición preexistente; otros aportaron una escala móvil de aumento de compensaciones a lo largo de un período de tiempo; otros arremetieron contra el problema y cargaron al empresario con la responsabilidad cuando la discapacidad final se produce estando el trabajador empleado, aunque ésta no sea la causa total de la discapacidad. Surgieron problemas con los seguros debido a la sucesión de compañías durante distintos períodos para un determinado riesgo, con lo que se precisaba de una decisión acerca de cuál de las compañías debía responder de la compensación.

COMPENSACION POR LA PERDIDA DE AUDICION La pérdida de audición como resultado de un traumatismo se considera compensable en todos los estados y jurisdicciones federales. Por otro lado, la pérdida parcial de la audición atribuida a la exposición a largo plazo al ruido no es compensable en todos los estados y es tratada de forma diferente dependiendo del Acta de Compensación de los Trabajadores del estado. En algunos estados, la pérdida parcial de la audición no se considera compensable salvo que se acompañe de una pérdida en los ingresos (pero en la mayoría de las ocupaciones ruidosas no suele haber pérdida de poder adquisitivo como resultado de la pérdida parcial de la audición). Otros estados consideran la pérdida auditiva como una enfermedad laboral y han establecido escalas para las compensaciones sin tener en cuenta la pérdida salarial. Siguiendo las recomendaciones de la OSHA Commission on Sta te Workmen's Compensation Acts, la mayoría de los estados han modificado las secciones de sus legislaciones sobre enfermedades laborales para incluir todas las relacionadas con la ocupación y las limitaciones auditivas inducidas por el ruido. Donde no se hacen provisiones para cubrir las compensaciones de los trabajadores por enfermedades específicas, se puede buscar la recuperación del salario perdido bajo los procesos de la ley común. Al menos en un casos, se pidió compensación sobre la base de que la pérdida auditiva inducida por el ruido era el resultado de una larga serie de traumatismos diarios y, por tanto, era una lesión contemplada por el baremo de lesiones traumáticas. En algunos estados, las compensaciones por la pérdida de audición sólo se hacen por lesiones traumáticas, y aun así, sólo por discapacidad total; de ahí que la pérdida parcial de la audición debida a la exposición al ruido no se considere compensable, salvo que dé como resultado la pérdida de in-

20.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

gresos que puede acompañar al cambio de exposición. Una encuesta6 de 1986 mostró que sólo cuatro estados carecen de provisiones para la pérdida auditiva laboral inducida por el ruido. Leyes federales

El estatuto más antiguo de compensación federal es el Federal Employees Compensation Act7 , aprobado en 1908. Esta ley, que cubre a los empleados civiles del gobierno federal, aporta las compensaciones más generosas por la pérdida auditiva laboral. Un segundo estatuto federal, aprobado en 1927, conocido como Longshoremen 's and Harbor Worker's Compensation Ad\ cubre a los empleados implicados en actividades marítimas. Incluye una provisión para la pérdida auditiva que resulta de la exposición ocupacional. Una legislación prácticamente idéntica ha sido adoptada para cubrir a los empleados privados en el Distrito de Columbia9 •

Leyes estatales

La primera modificación de las leyes estatales con el fin de incluir la cobertura específica de la pérdida auditiva parcial debida a la exposición al ruido siguió a una serie de decisiones cruciales, comenzando en 1948 con Slawinski versus J. H. Williams and Co. 1O y siguiendo con Creen Bay Drop Forge versus Industrial Commission 11 • Los problemas legales implicados fueron: 1. ¿Debe concederse compensación por una pérdida parcial de la audición si no hay pérdida en los ingresos? 2. ¿Cómo puede determinarse el daño permanente en presencia de una pérdida temporal de la audición como resultado de la exposición continuada al ruido? 3. ¿Qué fecha debe darse a la lesión para establecer el comienzo del estatuto de limitaciones?

Las decisiones fundamentales que resultaron de los dos casos anteriormente mencionados fueron seguidas de la presentación de cientos de reclamaciones entre 1948 y 1953: se produjeron en un número relativamente pequeño de jurisdicciones y dieron como resultado el pago de varios millones de dólares. A continuación, varios estados establecieron comités asesores para desarrollar modificaciones de la legislación de compensaciones y establecer procedimientos para el manejo de las reclamaciones por pérdidas auditivas. Una de las medidas adoptadas fue el establecimiento de un período de espera antes del procesamiento de una demanda: durante este período (6 meses) el demandante debía mantenerse apartado de la exposición al ruido. Esta provisión tuvo como efecto la ralentización de la presentación de reclamaciones de compensación. Siguiendo las decisiones anteriores que establecían claramente el concepto de compensación por la pérdida de una función, independientemente de la pérdida de ingresos, se modificaron muchas legislaciones sobre compensación para incluir provisiones específicas para el pago por la pérdida parcial de la audición debida a la exposición al ruido. Al menos el 25 por 100 de los estados han adoptado este tipo de

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.7

provisiones específicas; en los restantes, existe una considerable variación en la evaluación de la discapacidad. Los problemas que hay que considerar para establecer las demandas potenciales incluyen: 1. ¿Qué frecuencias audiométricas de examen se emplean para determinar la limitación auditiva? [Vése Ecuación (19.1).] 2. ¿Cómo se combinan las pérdidas auditivas en estas frecuencias particulares para obtener un número único que constituya una estimación justa de la discapacidad? (Véase «Porcentaje de la limitación auditiva», Capítulo 19.) 3. ¿Existe un «listón inferior» por encima del cual la audición puede considerarse limitada, pero por debajo del cual la audición puede considerarse norma/? [Véase Ecuación (19.2)]. 4. ¿Durante cuánto tiempo tiene que permanecer el empleado alejado de la exposición al ruido antes de que pueda obtenerse una verdadera evaluación de la limitación auditiva? 5. ¿Se consideran el zumbido y la pérdida auditiva no orgánica compensables? 6. ¿Se incorpora una corrección de la presbiacusia dentro del cálculo de la discapacidad auditiva? Estas cuestiones afectan enormemente al número y la importancia de las reclamaciones que pueden resultar de la exposición al ruido ocupacional. Otras consideraciones auxiliares incluyen: la provisión para el establecimiento de una contribución previa del empresario a la pérdida de la audición, procedimientos de evaluación audiométrica y relación entre las pérdidas auditivas biaurales y monoaurales. En más de la mitad de los estados, estos asuntos no se consideran dentro de la legislación sobre compensación, y el grado de discapacidad se determina mediante evaluación médica.

Evaluación de la limitación auditiva. Fórmula AAOO/AMA

En varios estados, la limitación auditiva se establece de acuerdo con las directrices de la American Academy of Ophtalmology and Otolaryngology (AA 00) y la American Medical Association (AMA)12.13. En otros estados se ha adoptado una versión 14 más reciente (1979) para el cálculo de la discapacidad a partir de un audiograma de tono puro. La fórmula AAOOI AMA para calcular el porcentaje de limitación auditiva monoaural aparece en el Capítulo 19, así como la fórmula AAOO/AMA para el cálculo del porcentaje biaural de limitación auditiva. Para calcular el porcentaje de limitación biaural, el peor oído tiene menos peso que el mejor, ya que una pérdida auditiva pronunciada en un solo oído no es realmente tan grave como una pérdida pronunciada de la audición en ambos oídos. Existe una considerable variación entre estados en cuanto al procedimiento para determinar la disfunción auditiva a partir de un audiograma de tono puro. La variación no sólo está presente en las frecuencias audiométricas empleadas, sino también en cómo se determina la limitación auditiva biaural.

20.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Determinación del desplazamiento permanente del umbral de audición

Existe una marcada variabilidad entre estados en la determinación de los requisitos para el desplazamiento permanente del umbral de audición. Estas diferencias implican reglas asociadas con la retirada del empleado de la exposición al ruido antes de llevar a cabo el audiograma utilizado para evaluar la limitación auditiva. En la agitada actividad inicial que implicó a Nueva York y Wisconsin, se establecieron comités asesores para revisar la información disponible y hacer recomendaciones a las comisiones de compensación de los trabajadores respecto a la determinación de la discapacidad auditiva permanente. Aunque la evidencia mostró que la mayoría de los desplazamientos temporales del umbral desaparecían tras unas semanas de apartamiento de la exposición al ruido, se argumentó que no se podía determinar un desplazamiento permanente de umbral hasta transcurrido un período igualo superior a 6 meses de apartamiento; así, se estableció inicialmente en las jurisdicciones de Nueva York, Wisconsin y Missouri una denominada «provisión de período de espera de 6 meses». Esta tuvo el efecto de distribuir las reclamaciones por pérdida auditiva a lo largo de un período mayor de tiempo. Resulta interesante que existan una serie de jurisdicciones en las que no se precisa período de espera y, sin embargo, las actividades relacionadas con las reclamaciones en ellas no difieren marcadamente de los estados que tienen un período de espera de 6 meses.

Procedimientos auditivos

La mayoría de los casos de compensación de los trabajadores no pasan por el proceso del jurado, sino que se dilucidan sobre la base de la consideración de un árbitro para la determinación del grado de lesión válido tanto para el demandante como para el acusado. Como acusado, se posee el derecho a solicitar la determinación del alcance de la lesión del demandante y a asegurarse de que se ha llevado a cabo una evaluación auditiva adecuada. También se tiene el derecho a argumentar que en la práctica se aceptan distintas interpretaciones de los audiogramas, existiendo algunas que no tienen suficiente categoría demostrada. El proceso sigue el enfoque adversario habitual, y por eJlo resulta de extrema importancia que se presente el material adecuado de referencia en apoyo o en defensa de las demandas. También resulta de extrema importancia que los registros que se presentan en apoyo de parte de la demanda o de la defensa sean precisos y completos. Condición preexistente. Los diversos estados tratan las condiciones preexistentes de forma diferente. Por ejemplo, en Nueva York, cuando se contrata a alguien con una limitación auditiva. el empresario. con en fin de buscar el prorrateo en caso de una demanda por pérdida auditiva. debe notificarlo a los empresarios anteriores en el momento de la contratación: en caso contrario. el nuevo empresario asume la responsabilidad por todas las pérdidas auditivas en el momento en que se presente la demanda. En la práctica. la movilidad de la fuerza de trabajo tiende a prorratear las pérdidas, aunque no se tenga en cuenta este tipo de provisión. Como resultado, en la actualidad se llevan a cabo relativamente pocas notificaciones. En otras jurisdic-

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.9

ciones, se mantiene que el último empresario es responsable de toda la limitación auditiva que se halle en el momento de la demanda. Consideraciones de la evaluación audiométrlCll. Aunque rara vez se plantea explícitamente en la ley, la mayoría de los comités o comisiones de compensación de los trabajadores han adoptado ciertas reglas para los procedimientos de examen, calibraciones y niveles de ruido de fondo en conexión con la determinación precisa de los niveles auditivos. Dado que existe una considerable variación en el audiograma de un individuo (incluso cuando le examina el mismo técnico y bajo las mismas condiciones), deben seguirse las recomendaciones de la American Academy of Ophthalmology and Otolaryngology13. Es de particular importancia que el técnico audiométrico esté entrenado de acuerdo con las directrices de la Inter Society Commiuee on Industrial Audiometric Training 15 . La evaluación de los resultados audiométricos precisa de los servicios de un médico entrenado, que resulta muy importante en las acciones legales relacionadas con las demandas.

Un caso real

Para ilustrar algunos de los puntos tratados en una reclamación por pérdida auditiva, se examina a continuación un caso del Distrito de Columbia: Robert G. Shelton versus Washington Post Co. y Liberty Mutual Insurance Co., Caso 74-DCWC-105, 728n6, bajo la DISTRICT OF COLUMBIA WORKMEN'S COMPENSATION A CT, 36 D. C. Code f 501. Los siguientes eran algunos de los aspectos implicados: 1. ¿ Cuál fue la fecha de la lesión? La fecha de la lesión suele tomarse como la fecha en que el demandante se dio cuenta por primera vez de la limitación. En este caso, el demandante fue informado de que padecía una limitación auditiva inducida por el ruido algunos años antes de la presentación real de la demanda. El audiograma más reciente del demandante era esencialmente idéntico al obtenido mucho antes de presentar la demanda. Si se asume que la fecha de la lesión fue la fecha de notificación original, la demanda no sería válida bajo el estatuto de limitaciones en el Distrito de Columbia.

2. ¿Podla probar el demandante que habla sufrido una pérdida auditiva? En este caso, tal pérdida no era demostrable porque el estado auditivo del demandante antes de la exposición ocupacional bien podría ser el que mostraba el audiograma original. El demandante tenía mala audición a 3000 y 4000 Hz, pero no existe evidencia que demuestre que éste no era un defecto congénito, en lugar de un cambio producido por su empleo. En este caso no existe tal evidencia.

3. Si ha habido una pérdida auditiva, ¿constituye la pérdida una discapacidad auditiva? Para una jurisdicción donde se emplee la fórmula AAOO/AMA (véase Capítulo 19), se considera que no existe discapacidad auditiva hasta que el nivel auditivo medio a tres frecuencias -500, 1000 Y2000 Hz- supere 25 dB. Así, es posible tener un desplazamiento permanente del umbral auditivo sin discapacidad auditiva. En este caso, de acuerdo con la fórmula anterior, el demandante no tendría derecho a compensación.

20.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

4. ¿Ha sido el demandante apartado del ruido durante un período de tiempo suficientemente largo como para asegurar la determinación de discapacidad permanente? Se argumentó que la presencia de un desplazamiento temporal del umbral hacía imposible determinar un audiograma verdadero, salvo que el demandante hubiera sido separado de la exposición al ruido por un período de meses. El demandante todavía estaba empleado en el entorno que alegaba que causó su pérdida auditiva. (Es interesante hacer notar que después del juicio de este caso, el demandante fue retirado de la exposición durante un período de 6 meses y el audiograma que se realizó después no mostró cambios respecto al audiograma original.) 5. ¿Se realizaron los audiogramas del demandante con el ruido de fondo adecuadamente controlado durante el examen? El médico del demandante no usó una habitación para examen audiométrico, sino que confió en hacer la prueba después de las horas normales de trabajo como forma de control del ruido de fondo. Un análisis del audiograma indicó claramente la presencia de ruido de fondo que afectaba a los umbrales auditivos en las frecuencias de 500 y 1000 Hz. También se suscitó una cuestión respecto de la adecuación del entrenamiento y las técnicas del técnico audiométrico, y en este caso, había tan poco control de los datos y los registros por ambas partes que surgió una considerable confusión acerca del verdadero estado de la audición del demandante. 6. Si el demandante había sufrido una pérdida auditiva durante el curso del empleo, ¿tendría derecho a una compensación? Bajo la fórmula de la AAOO/AMA, descrita en el Capítulo 19, la audición del demandante se consideraría dentro del rango normal. En este caso, la fórmula de la AAOO/AMA no era vinculante, ya que se habían concedido compensaciones a otros demandantes con pérdidas auditivas a frecuencias por encima de los 2000 Hz, aunque no tuvieran discapacidad auditiva definida de acuerdo con la fórmula comúnmente aceptada de la AAOO/ AMA. Una decisión previa implicada en el caso de Newton Robinson versus Bethlelem Steel Corp., BRB 75-241 3 BRBS 495 (1976) fue citada.

Las conclusiones del juez que administró derecho en el caso de Shelton fueron las siguientes 16: • El demandante no tiene discapacidad auditiva. La exposición de apoyo citaba un número de casos apropiados en que la fórmula AAOO/AMA había sido aceptada como criterio para determinar la discapacidad auditiva. Se hacían más afirmaciones con respecto al hecho de que los documentos previos emitidos por el Department of Labor Office of Workmen's Compensation Programs de los Estados Unidos requiriendo el uso de frecuencias diferentes de las especificadas en la fórmula AAOO/AMA, no eran vinculantes en este caso. Seguía otra afirmación que indicaba que si había que considerar frecuencias distintas a los 500.1000 Y2000 Hz, la fórmula AAOO/AMA debiera modificarse para cambiar el nivel inferior de forma consistente con las frecuencias que se emplean. Se citaba como referencia el informe del Grupo de Trabajo 77 del Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics (CHABAJ, National Academy of Sciences 17 • Este informe indicaba que si las frecuencias de 1000,2000 Y3000 Hz se empleaban para calcular la pérdida media de tono puro. la corrección del nivel inferior debía ser de 35 dB (véase el Ca-

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.11

pítulo 19 para una discusión sobre nivel inferior). La utilización de la fórmula modificada demostró que el demandante no tenía discapacidad auditiva. • Una demanda por pérdida auditiva para frecuencias altas está excluida por la Sección 13a deL acta. Esta sección de la decisión esencialmente tomó conocimiento del hecho de que el demandante se dio cuenta por primera vez de su nivel auditivo para frecuencias altas en 1969, y no lo notificó para el registro del empresario dentro del año permitido en el estatuto de limitaciones. • EL empresario no es responsabLe en ningún caso, dado que no hubo Lesión después de/22 de diciembre de 1969. Aquí la exposición de apoyo tomaba conocimiento del hecho de que no había habido cambio en el audiograma del demandante desde 1969 hasta el momento de la demanda, incluyendo los 6 meses después de su retirada de la exposición. El demandante no estaba contratado por el Washington Post antes de su primer examen audiométrico. En una apelación al Department of Labor Benefits Review Board de los Estados Unidos, BRB H76-358, éste encontró que Shelton no tenía derecho a compensación por pérdida auditiva.

RESPONSABILIDAD SOBRE EL PRODUCTO Siempre ha existido el derecho de la persona a reclamar por los daños por lesiones como resultado del funcionamiento defectuoso de un producto manufacturado que la persona ha usado. Hace años, el fabricante estaba al margen de este tipo de demandas, y el vendedor o distribuidor eran responsables. Más recientemente, los tribunales han fallado que el fabricante de un producto es directamente responsable de su fracaso en el funcionamiento, y es responsable de los daños causados por su funcionamiento defectuoso. En consecuencia, ha aumentado el número de demandas presentadas contra los fabricantes por parte de quienes han sido lesionados mientras operaban con máquinas inadecuadamente diseñadas, defectuosas o con mal mantenimiento. Aunque en algunos juicios los empleados estaban cubiertos por la compensación de los trabajadores que les pagaba por la lesión, la compañía de seguros de ésta estaba subrogada al derecho del empleado lesionado contra el fabricante, y buscaba apoyo reclamando la responsabilidad del fabricante como resultado de un diseño negligente o etiquetado inadecuado 18. 19 • Podía haber casos de reclamación contra los fabricantes de equipamiento ruidoso en que las advertencias eran inadecuadas, si se producían niveles de ruido peligrosos al usar normalmente el aparato. Una reclamación implicando responsabilidad sobre el producto puede derivarse de un juicio con jurado en que éste determina la cantidad de la compensación, no el baremo de compensaciones. Dado que las compensaciones de los jurados suelen ser mayores que las del baremo de los estatutos de compensación de los trabajadores, en el futuro puede producirse un número creciente de acciones contra la responsabilidad del fabricante sobre el producto. La cobertura del seguro de la responsabilidad sobre el producto suele ser parte de un programa general de seguros de responsabilidad; se puede anticipar que, bajo

20.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

la cobertura general de responsabilidad, existirán compensaciones por pérdidas auditivas o por dafio a la propiedad.

LEGISLACION

Leyes de compensación de los trabajadores. Existe una marcada tendencia hacia el aumento de los beneficios bajo las leyes de compensación de los trabajadores, de acuerdo con las recomendaciones de la Commission on State Workmen's Compensation Acts, que recomienda la liberalización de las leyes de compensación para incluir la correspondiente a la limitación auditiva bajo el baremo de enfermedades laborales, eliminando por lo tanto el requisito de la pérdida de ingresos. También existe la tendencia hacia la redefinición de la limitación auditiva para incluir frecuencias más altas. OSHA. La Occupational Safety and Health Act de 1972 incluye un criterio para la exposición al ruido en el lugar de trabajo y pretende, en último término, dar como resultado una reducción significativa de la exposición al ruido ocupacional. Entre tanto, la legislación (que requiere el control de las exposiciones al ruido y la notificación de los empleados) produce una mayor concienciación acerca de los peligros del ruido. La implantación de la normativa acerca del ruido, que implica la evaluación audiométrica y otras actividades de conservación de la audición, puede dar como resultado un gran aumento de las reclamaciones de compensación por parte de los trabajadores. Comisión de seguridad de los productos del consumidor (Consumer Products Safety Commission). La comisión de seguridad de los productos del consumidor está encargada de establecer los criterios para la regulación de los productos, por ejemplo, juguetes. El efecto de estos criterios es reducir la cantidad de limitaciones auditivas en la población general. También establecen un umbral para la responsabilidad con el resultado de que el fabricante del producto puede ser acusado de negligencia si el producto no se ajusta a los criterios adecuados.

CRITERIOS EUROPEOS Y COMPENSAClON Existen criterios acerca de la exposición al ruido en varios países parecidos a los de la OSHA. También existen provisiones en varios países para compensar a las personas lesionadas como resultado de la exposición al ruido en su ocupación. En Estados Unidos, la mayoría de las compensaciones son manejadas a través de las compafiías de seguros, en tanto que en Europa y Asia se hace a través de los fondos gubernamentales. En varios países que conceden compensación por la pérdida auditiva, existe una diversidad de definiciones de discapacidad y fórmulas de compensación y, al igual que en Estados Unidos, parecen estar cambiando hacia una posición más liberal.

PERDIDA DE AUDICION: RESPONSABILIDAD LEGAL

20.13

REFERENCIAS 1. A. Larson, The law ofworkmen's compensation, vol. la, Matthew Bender, Nueva York, 1989. 2. H. M. Somers, Workmen's compensation, Wiley, Nueva York, 1954, p. 17. 3. The national commission report of the commission on state workmen 's compensation acts, Superintendet of Documents, Sept. 15, 1972. 4. Analysis of Workers' compensation laws, Chamber of Commerce of the United States, 1977. 5. Shipman v. employers mutual liability insurance and lockheed aircraft corp., 125 SE (2d) 72 (1962). 6. American Industrial Hygiene Association, Noise and hearing conservation manual, 4.· ed., Akron, Ohio, 1986. 7. Federal Employees Compensation Act, 1908. 8. LONGSHOREMEN'S AND HARBOR WORKER'S COMPENSATION ACT, 33 U.S.e. '1 901 et seq., 1927. 9. DISTRICT OF COLUMBIA WORKER'S COMPENSATION ACT, 36 D.e. Code '1 501 et seq., 1928. 10. Slawinski v. J. H. Wi/liams, 298 N.Y. 546, 81 N.E. 2d 93 (1948) Affg 273 APPELLATE DIVISION, S825, 76, N.Y.S. 2d 888. 11. Green Bay Drop Forge v. Industrial Commission, 265 W.S. 38, 60 N.W. 2d 409,1953. 12. Guides to the evaluation of permanent impairment, Cap. VIII, AMA Committee on Rating of Mental and Physical Impairment, Chicago, 1971. 13. AAOO Guide for conservation of hearing in noise, Supplement to Trans. Amer. A cad. Ophthalmol. Otolaryngol., 1973. 14. American Academy of Otolaryngology, Committee on Hearing and Equilibrium, and the American Council of Otolaryngology Committee on the Medical Aspects of Noise, «Guide for the evaluation of hearing handicap»,!. Amer. Med. Ass., 241(19):2055-2059 (1979). 15. Inter Society Cornmittee on Industrial Training, «Guide for training of industrial audiometric technicians», J. Amer. Ind. Hyg. Ass., 27(3), mayo 1966. 16. Shelton v. Washington Post Libeny Mutual Insurance Co., Case 74-DCWC-105, 7/28n6 4 BRBS 185 (ALG). 17. National Academy of Sciences - National Research Council, Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics, Compensation formula for hearing los5, marzo 1975. 18. R. Fruner el. Friedman, Product liability (cinco vols.), Matthew Bender, Nueva York, 1989. 19. Robert D. Hursh y Henry J. Bailey, The american law of products liability. 3" ed. (seis vols.), Lawyeers Co-operative Publishing Co., Rochester, N.Y., 1987.

Capítulo

21

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Charles W. Nixon Elliot H. Berger

INTRODUCCION En muchos ambientes ruidosos, no resulta práctico, económico o factible reducir el ruido hasta un nivel aceptable para los oídos de las personas expuestas, salvo mediante el empleo de aparatos individualizados de protección auditiva. Un aparato de protección auditiva, también denominado protector auditivo, es un aparato personal (por ejemplo, un tapón para los oídos, un auricular o un casco) que se utiliza para reducir la audición peligrosa y/o los efectos subjetivos molestos del sonido. Este capítulo describe estos aparatos, los factores que influyen sobre su eficacia y aceptación, los procedimientos para estimar su eficacia, las consideraciones prácticas relativas a su selección, empleo y cuidado y los métodos y normas para la medida de su eficacia 1.

TIPOS DE APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Los protectores auditivos son ampliamente utilizados por la industria. el gobierno y el ejército, en actividades recreativas, deportivas yen el hogar. Algunos tipos representativos se muestran en la Figura 21.1.

Tapones para los oídos

Un tapón para los oídos es un aparato de protección auditiva que se coloca en el canal externo del oído (se denomina tapón auditivo insertado; véase Figura 21.2a). Los tapones premoldeados se fabrican en uno o más tamaños normalizados, diseñados para adaptarse a los oídos de la mayoría de las personas. Un tapón auditivo 21.1

21.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO Tapones para los oídos

V-51 R

Auriculares

2 falanges 3 falanges

Moldeables

Espuma

Fibra de vidrio

Silicona

Moldeado a medida del usuario

Porción que entra en el canal

Cascos

Semi insertados

o

Banda plástica ' de 2 porciones Banda metálica de 3 porciones

FIGURA 21.1.

Tipos de aparatos que proporcionan protección auditiva.

moldeable por el usuario está hecho de un material flexible y es moldeado por el usuario para ajustarse dentro de su canal auditivo, en donde forma un sello acústico. Un tapón auditivo diseñado para el usuario se fabrica individualmente para ajustarse al oído particular de cada usuario. Los tapones para los oídos se realizan con materiales que incluyen vinilos. siliconas, fórmulas elásticas, algodón y cera, lana de fibra de vidrio y espumas de células cerradas de recuperación lenta (el tapón auditivo de espuma es un protector moldeable que se comprime e inserta en el canal auditivo. donde se expande lentamente hasta formar un sello acústico contra las paredes del canal). Un tapón auditivo semiinsertado se coloca contra la abertura del canal auditivo externo (como cuando nos tapamos el oído con el dedo). El tapón auditivo semiinsertado está diseñado con un tamaño que se ajusta a la mayoría de los oídos; se mantiene en posición. contra la apertura del canal auditivo, mediante una banda de poco peso que se sujeta a la cabeza.

--

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.3

D "==~

....rvr "

A

(a)

B

(b)

FIGURA 21.2. Vías sonoras, muestran cómo llega el sonido al oído interno cuando se utilizan aparatos de protección auditiva. (a) Vías sonoras para un tapón; (b) vías sonoras para un auricular con ilustración del pabellón auditivo y la concha. Las letras A, B, e y D representan las vías descritas en el texto. Auriculares

Los auriculares son un aparato de protección auditiva compuesto de una banda para la cabeza y de dos cascos circunaurales, habitualmente de plástico moldeado. Un casco circunaural es el que cierra completamente el oído externo (el pabellón auditivo; véase Figura 21.2b) Y se sella contra el costado de la cabeza con una almohadilla de espuma o llena de fluido. Las bandas para la cabeza pueden funcionar en una sola posición o ajustarse para colocación sobre la cabeza, detrás de ella y debajo de la barbilla. El ensamblaje de la banda para la cabeza está realizado en plástico y/o metal. Los auriculares también pueden acoplarse a cascos u otros protec-

21.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tares de la cabeza mediante unos cortos brazos flexibles de plástico. Sin embargo. los auriculares acoplados a cascos son más difíciles de orientar y de ajustar adecuadamente. ya que los brazos acoplados no son tan adaptables, ni aportan una gama tan amplia de tamaños para la cabeza como las versiones con banda de ajuste incorporada.

Cascos

Un casco es un aparato que encierra una parte sustancial de la cabeza y que puede aportar eficacias útiles de protección auditiva cuando contiene cascos circunaurales o un forro denso que se ajuste fuertemente alrededor de los oídos. Los cascos para ocio (p. ej .. motocicletas). tal y como ilustra la Figura 21.1. raramente satisfacen estos requisitos y. por tanto. suelen proporcionar escasa protección auditiva. Pocos cascos se diseñan con la protección auditiva como su función principal.

FACTORES QUE AFECTAN A LA EFICACIA DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Vías del sonido en el oído

Cuando el canal auditivo de una persona está obstruido eficazmente (bloqueado) por el protector auditivo. el sonido puede llegar al oído interno a través de cuatro vías. Estas vías se muestran. para un oído obstruido por un tapón. en la Figura 21.2a. y para un auricular. en la Figura 21.2bl.2.

Escapes de aire (A). Para lograr la máxima protección auditiva. un tapón debe constituir un cierre sellado contra los lados del canal auditivo. y un auricular debe formar un cierre sellado contra los lados de la cabeza. Las vías de escape del aire reducen la atenuación que logra el aparato entre 5 y 15 dB a lo largo de una gama amplia de frecuencias; sin embargo. la principal reducción se produce en frecuencias bajas. El descenso en la atenuación depende del tamaño del escape y de la frecuencia. Protector auditivo contra la vibración (8). Los tapones auditivos pueden vibrar a modo de pistón debido a la elasticidad de la piel del canal auditivo. Este efecto limita su atenuación para frecuencias bajas. Los cascos de los auriculares pueden vibrar contra la cabeza como un sistema de masa/muelle. La rigidez del muelle depende de la flexibilidad de la almohadilla del casco. la flexibilidad de la piel que rodea al oído y el volumen de aire atrapado bajo el casco. Estas acciones limitan la atenuación de los tapones a 125 Hz a 30 dB aproximadamente, la de los tapones de espuma a 40 dB y la de los auriculares a 25 dB. Transmisión a través de los materiales (C). El sonido se transmite directamente a través de los materiales de los protectores auditivos. La magnitud de la transmisión

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.5

del sonido depende de la masa, rigidez y amortiguación de los materiales del casco y la almohadilla, así como de la absorción de los materiales dentro del casco. La reducción de la atenuación mediante este mecanismo es menos importante para los tapones que para los auriculares, debido a que es menor su superficie expuesta al ruido. La reducción de la atenuación para cascos y almohadillas de auriculares suele ser significativa sólo a frecuencias por encima de 1000 Hz. Conducción a través de huesos y tejidos (D). El sonido puede alcanzar el oído interno a través de la conducción ósea y de los tejidos, incluso cuando el aparato de protección auditiva es totalmente eficaz en el bloqueo del sonido a través de las vías A, B Ye (Figura 21.2a y b). Este mecanismo limita la atenuación que logra el protector. El nivel del sonido que llega al oído a través de la conducción ósea es aproximadamente entre 40 y 50 dB menor que el nivel del sonido que llega al oído a través del canal auditivo abierto. Por tanto, un aparato de protección auditiva debe atenuar el sonido conducido por el aire en al menos 40 o 50 dB, dependiendo de la frecuencia, para que el sonido de conducción ósea sea importante.

Efecto de oclusión

El efecto de oclusión es un aumento de la eficacia con que un sonido es transmitido al oído por conducción ósea a frecuencias por debajo de 2000 Hz cuando el canal auditivo está obstruido y sellado con un auricular o un tapón. Este efecto hace que los usuarios de los protectores auditivos experimenten un cambio en la calidad de la voz percibida y otros sonidos y vibraciones producidos por el cuerpo, como los derivados de las acciones de masticar y respirar. La propia voz adopta una calidad baja, resonante, debido a que la percepción del habla se potencia a través de la conducción ósea. Esto se demuestra fácilmente taponando los propios oídos con los dedos y leyendo esta frase en voz alta. Nótese el cambio en el sonido de la voz con los oídos obstruidos. La magnitud del efecto de oclusión varía dependiendo de la forma en que el oído esté obstruido. El efecto máximo se produce con los tapones semi insertados y las almohadillas supraaurales (que descansan sobre o contra el pabellón auricular, pero no lo encierran) y disminuye con tapones insertados más profundamente y con un mayor volumen interno en los cascos de los auriculares. A menudo se cita el efecto de oclusión como una objeción al uso de los aparatos de protección auditiva. Su magnitud puede reducirse mediante la selección de un casco de mayor volumen o adaptando la inserción de los tapones para lograr una mayor profundidad l.

CALCULO DE LA REDUCCION DEL RUIDO QUE APORTAN LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA La atenuación de los protectores auditivos puede describirse en términos del número de decibelios en que reducen el nivel de una señal de prueba a distintas frecuencias en el oído del oyente. Estos datos se emplean para estimar el nivel del rui-

21.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tores de la cabeza mediante unos cortos brazos flexibles de plástico. Sin embargo. los auriculares acoplados a cascos son más difíciles de orientar y de ajustar adecuadamente, ya que los brazos acoplados no son tan adaptables, ni aportan una gama tan amplia de tamaños para la cabeza como las versiones con banda de ajuste incorporada.

Cascos

Un casco es un aparato que encierra una parte sustancial de la cabeza y que puede aportar eficacias útiles de protección auditiva cuando contiene cascos circunaurales o un forro denso que se ajuste fuertemente alrededor de los oídos. Los cascos para ocio (p. ej., motocicletas), tal y como ilustra la Figura 21.1, raramente satisfacen estos requisitos y, por tanto, suelen proporcionar escasa protección auditiva. Pocos cascos se diseñan con la protección auditiva como su función principal.

FACTORES QUE AFECTAN A LA EFICACIA DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Vías del sonido en el oído

Cuando el canal auditivo de una persona está obstruido eficazmente (bloqueado) por el protector auditivo. el sonido puede llegar al oído interno a través de cuatro vías. Estas vías se muestran. para un oído obstruido por un tapón, en la Figura 21.2a. y para un auricular. en la Figura 21.2hl.2.

Escapes de aire (A). Para lograr la máxima protección auditiva. un tapón debe constituir un cierre sellado contra los lados del canal auditivo. y un auricular debe formar un cierre sellado contra los lados de la cabeza. Las vías de escape del aire reducen la atenuación que logra el aparato entre 5 y 15 dB a lo largo de una gama amplia de frecuencias; sin embargo, la principal reducción se produce en frecuencias bajas. El descenso en la atenuación depende del tamaño del escape y de la frecuencia. Protector auditivo contra la vibración (8). Los tapones auditivos pueden vibrar a modo de pistón debido a la elasticidad de la piel del canal auditivo. Este efecto limita su atenuación para frecuencias bajas. Los cascos de los auriculares pueden vibrar contra la cabeza como un sistema de masa/muelle. La rigidez del muelle depende de la flexibilidad de la almohadilla del casco. la flexibilidad de la piel que rodea al oído y el volumen de aire atrapado bajo el casco. Estas acciones limitan la atenuación de los tapones a 125 Hz a 30 dB aproximadamente, la de los tapones de espuma a 40 dB Y la de los auriculares a 25 dB. Transmisión a través de los materiales (C). El sonido se transmite directamente a través de los materiales de los protectores auditivos. La magnitud de la transmisión

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.5

del sonido depende de la masa, rigidez y amortiguación de los materiales del casco y la almohadilla, así como de la absorción de los materiales dentro del casco. La reducción de la atenuación mediante este mecanismo es menos importante para los tapones que para los auriculares, debido a que es menor su superficie expuesta al ruido. La reducción de la atenuación para cascos y almohadillas de auriculares suele ser significativa sólo a frecuencias por encima de 1000 Hz. Conducción a través de huesos y tejidos (D). El sonido puede alcanzar el oído interno a través de la conducción ósea y de los tejidos, incluso cuando el aparato de protección auditiva es totalmente eficaz en el bloqueo del sonido a través de las vías A, B Y e (Figura 21.2a y b). Este mecanismo limita la atenuación que logra el protector. El nivel del sonido que llega al oído a través de la conducción ósea es aproximadamente entre 40 y 50 dB menor que el nivel del sonido que llega al oído a través del canal auditivo abierto. Por tanto, un aparato de protección auditiva debe atenuar el sonido conducido por el aire en al menos 40 o 50 dB, dependiendo de la frecuencia, para que el sonido de conducción ósea sea importante.

Efecto de oclusión

El efecto de oclusión es un aumento de la eficacia con que un sonido es transmitido al oído por conducción ósea a frecuencias por debajo de 2000 Hz cuando el canal auditivo está obstruido y sellado con un auricular o un tapón. Este efecto hace que los usuarios de los protectores auditivos experimenten un cambio en la calidad de la voz percibida y otros sonidos y vibraciones producidos por el cuerpo, como los derivados de las acciones de masticar y respirar. La propia voz adopta una calidad baja, resonante, debido a que la percepción del habla se potencia a través de la conducción ósea. Esto se demuestra fácilmente taponando los propios oídos con los dedos y leyendo esta frase en voz alta. Nótese el cambio en el sonido de la voz con los oídos obstruidos. La magnitud del efecto de oclusión varía dependiendo de la forma en que el oído esté obstruido. El efecto máximo se produce con los tapones semiinsertados y las almohadillas supraaurales (que descansan sobre o contra el pabellón auricular, pero no lo encierran) y disminuye con tapones insertados más profundamente y con un mayor volumen interno en los cascos de los auriculares. A menudo se cita el efecto de oclusión como una objeción al uso de los aparatos de protección auditiva. Su magnitud puede reducirse mediante la selección de un casco de mayor volumen o adaptando la inserción de los tapones para lograr una mayor profundidad l .

CALCULO DE LA REDUCCION DEL RUIDO QUE APORTAN LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA La atenuación de los protectores auditivos puede describirse en términos del número de decibelios en que reducen el nivel de una señal de prueba a distintas frecuencias en el oído del oyente. Estos datos se emplean para estimar el nivel del rui-

21.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

do en los oídos del oyente cuando lleva un aparato de protección auditiva. Se utilizan los criterios de riesgo de lesión (véase Capítulo 26) para determinar si el nivel de ruido en el oído es aceptable.

Método de cálculo de bandas de octava

Con el método de bandas de octava para calcular la atenuación en un ambiente de ruido conocido se obtiene en teoría la estimación más precisa del nivel sonoro bajo un protector auditivo, porque el cálculo incluye tanto la atenuación del aparato estimada en el laboratorio, como el espectro real y el nivel de ruido en que será utilizad0 3 . El procedimiento se describe a continuación y se ilustra en la Tabla 21.1. Paso l. Primeramente, se definen los niveles de banda de octava medidos del ruido. Paso 2. Se seleccionan los factores de ajuste correspondientes a la ponderación A para cada frecuencia. Paso 3. Se suman las filas 1 y 2 para obtener los niveles de banda de octava con ponderación A. Paso 4. Se determina la atenuación aportada por el aparato. TABLA 21.1. Ejemplo del método de cálculo de la reducción del ruido con ponderación A para un aparato de protección auditiva en un ambiente de ruido conocido. Todos los valores en decibelios. El Paso 6 aporta el nivel de exposición efectivo estimado para el 98 por 100 de los usuarios en el ambiente especificado, asumiendo que utilizan el aparato de la misma manera que lo hicieron los sujetos examinados y que éstos les representan con precisión.

Frecuencia central de la banda de octava Pasos 1. Niveles medidos de bandas de octava de ruido 2. Corrección con ponderación A (de la Tabla 1.2) 3. Niveles de banda de octava con ponderación A 4. Atenuación del tapón 5. Desviación típica x 2 6. Niveles de banda de octava de protección estimados con ponderación A (Paso 3 Paso 4 + Paso 5)

125

250

SOO

85,0

87,0

-16,1

1000

2000

4000

8000 db(Af

90,0

90,0

85,0

82,0

80,0

-8.6

-3.2

0,0

+1,2 +1.0

-1,1

68,9

78.4

86,8

90,0

86.2

83.0

78.9

27.4 7.8 49.3

26.6 8.4 60,2

27.5 9.4 68,7

27.0 6,8 69,8

32.0 8,8 63,0

46.0' 44,2* 7,3' 12,8* 44,347,5

93.5

• Suma logarítmica de 7 niveles de banda de octava en la fila. Este es el nivel sonoro con ponderación A para los Pasos 3 y 6. t Media aritmética de los datos de 3150 y 4000 Hz. j Media aritmética de los datos de 6300 y 8000 Hz.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.7

Paso 5. Se determinan las desviaciones típicas (por 2) para las frecuencias a exa-

men. Paso 6. Para obtener los niveles de bandas de octava estimados bajo el protector: (a) Se resta la media de los valores de protección auditiva (Paso 4) de los niveles sonoros con ponderación A (Paso 3) y se añade al resultado dos veces la desviación típica (Paso 5). (b) Se combinan los niveles de bandas de octava con ponderación A (Paso 6) de acuerdo con la Figura 1.13 para obtener el nivel sonoro global con ponderación A bajo el aparato. La reducción con ponderación A estimada en el ambiente de ruido especificado se obtiene restando al resultado obtenido en el Paso 3 el obtenido en el Paso 6.

El principal error al aplicar el procedimiento de cálculo de bandas de octava, o cualquier otro procedimiento para estimar la protección del usuario, surge de la utilización de una atenuación óptima obtenida en el laboratorio y de valores de la desviación típica que no reflejan con precisión el rendimiento observado en el ámbito laboral (véase «Rendimiento real de los aparatos de protección auditiva en el lugar de trabajo»). Los datos inadecuados dan lugar a estimaciones imprecisas, sea cual sea el procedimiento de cálculo empleado. Teóricamente, con una corrección de los datos medios del laboratorio de 2 veces la desviación típica (Paso 5) se obtiene una estimación de la atenuación esperada para la mayoría (98 por 100) de los usuarios que utilizan el protector bajo condiciones idénticas a las implicadas en el examen de laboratorio. Una corrección de 1 desviación típica, como a veces se sugiere, conduce a una estimación para el 84 en lugar del 98 por 100 de los usuarios. La precisión al emplear cualquiera de estas correcciones basadas en la desviación típica para calcular la atenuación lograda por el porcentaje afirmado de la población real de usuarios depende en gran medida de que los datos obtenidos en el laboratorio sobre la media de atenuación y la desviación típica representen correctamente los valores reales en el lugar de trabajo.

Método del número único; la tasa de reducción del ruido (NRR)

Un descriptor de número único es conveniente y a menudo suficientemente preciso para estimar el nivel sonoro con ponderación A bajo el aparato de protección auditiva. Uno de estos descriptores, previamente calculado por el fabricante, es la tasa de reducción del ruido (NRR)4. La NRR es un índice de atenuación que representa la reducción global media del ruido con ponderación A, en decibelios, que un protector auditivo logrará en un ambiente con un nivel sonoro conocido con ponderación C. La NRR se calcula de una forma parecida al método de bandas de octava descrito anteriormente, salvo que se emplea un espectro de ruido rosa (con un nivel de presión sonora de 100 dB en cada banda de octava entre 125 Hz y 8000 Hz) en lugar del espectro real del ruido. El procedimiento de cálculo incluye el mismo ajuste de las 2 desviaciones típicas del método de bandas de octava para el porcentaje de la población protegida y un factor adicional espectral de seguridad de 3 dB. El factor de seguridad de 3 dB intenta tener en cuenta los errores que pueden surgir del uso

21.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

del ruido rosa en el cálculo de la NRR en vez del ruido real a que está expuesto el usuario. A continuación se describe un cálculo representativo de la NRR y se ilustra en la Tabla 21.2. Paso 1. Se definen los niveles de presión sonora del ruido rosa, ajustado arbitrariamente (por sencillez del cálculo) a un nivel de 100 dB en cada banda de octava. Paso 2. Se determinan los ajustes para la ponderación e para las frecuencias centrales de las bandas de octava. Paso 3. Se suman las líneas I y 2 para obtener los niveles de banda de octava con ponderación e y se combinan (Figura 1.13) para determinar el nivel sonoro global con ponderación C. Paso 4. Se determinan los ajustes de la ponderación A para la frecuencia central de cada banda de octava. Paso 5. Se suman las filas 1 y 4 para obtener los niveles de banda de octava con ponderación A. Paso 6. Se define la atenuación aportada por el aparato. Paso 7. Se determinan las desviaciones típicas (por 2) para las frecuencias a examen. Paso 8. Se restan los valores de la atenuación media (Paso 6) y se añaden los valores de las desviaciones típicas (Paso 7) a los valores con ponderación A (Paso 5) para obtener los niveles sonoros estimados de banda de octava con ponderación A bajo el aparato. Se combinan para obtener el nivel sonoro global con ponderación A bajo el aparato. Paso 9. Se resta este nivel sonoro con ponderación A (Paso 8) y el factor de seguridad espectral de 3 dB del nivel sonoro con ponderación e (Paso 3) para obtener la NRR. La NRR se utiliza para estimar el nivel sonoro efectivo con ponderación A en el oído mediante su resta del nivel sonoro con ponderación e del ruido ambiental. La práctica de restar la NRR del nivel sonoro con ponderación e puede parecer ilógica; sin embargo. está justificada sobre bases teóricas y empíricas. Se pierde una precisión considerable cuando se resta la NRR de los niveles sonoros con ponderación A. en cuyo caso hay que incluir un factor de seguridad adicional en el cálculo. de tal manera que la NRR menos 7 se resta de los niveles de ruido ambiental con ponderación A para estimar los niveles efectivos en los oídos del usuario. Por ejemplo. la NRR de 20.8 dB calculada para el tapón premoldeado de la Tabla 21.1 se reduce 7 dB cuando hay que restarla de los niveles sonoros con ponderación A (20.8 - 7.0 = U.2 dB). El nivel efectivo al que el usuario está expuesto cuando el nivel de ruido incidente con ponderación A es 100 dB es 100 - 13.2 = 86.8 dB(A).

Ejemplo del cálculo de la tasa de reducción del ruido (NRR) para un aparato de protección auditiva

6.H 79.H

9,4 7H.7

HA 73.2

Surn~llo~aritnw:a

0.0 100.0

32.0 H.H 7H.0

+1.2 101.2

46.0' 7J' 62.3

+1.0 101.0

-O.H 99.2

99.H

-0.2

675

12B!

44.2!

-1.1 9H.9

-3.0 97.0

100.0

8000

H4.2 [dB(A)]

108.0 [dB(C)]

db (X)*

Estc es un ni"e1 sonoro con ponderación e para el Paso 3 y un nivel sonoro con ponderación A para el

0.0 I
100.0

4000

100.0

2000

r-.tcdia antmética ,k In, dat", dc -' 1'in \ 41U11V. , Mcdla aritmética de 1", dat", de h-,I~) ,. SIUl Ht. ~ El factor c.:~rC'('tral de sC'~urldad ut.' .' dl1 es para prntcger conlra la sohreestimación de la reducción dd ruido del aparato de protección auditi"a 4ue podria surgir de la\ dift.:Tl'flcia, l'ntn: t..'II'~rcctro
Paso K.

•

ut..' 7 niveles de handa Je 0".'1 a\' a en la fila.

n.o

'275

2M

.0

0.0 lllO.O

-3.2 9ó.H

-H.6 91.4

-16.1 4. Corrección de ponderación A 5. Niveles de handa de octava con ponderación H3.9 A 6. Atenuación del tapón 27.4 7. Desviación típica x ::' 7.H H. Niveles de handa de octava de protección 64.3 estimados con ponderación A lJ. NRR IOH.O - H4.2· 3 ~- 20.H [Paso 3 - I'a,o H - 3!]

e

0.0 100.0

100.0

-0.2 99.H

100.0

lOO.O

1000

1
500

1. Nivel de handa de octava asumido para el ruido 2. Corrección de ponderación C 3. Niveles de handa de octava con ponderación

250

125

Palios

Frecuencia central de la banda de octava, Hz

Todos los valores en decibelios. La NRR representa la atenuación que obtendrán el 98 por 100 de los usuarios en ambientes típicos de ruido industrial, asumiendo que utilizan el aparato de la misma manera que lo hicieron los sujetos examinados y que éstos les representan con precisión

TABLA 21.2.

N

(o

...

~

::¡

O

e

»

z

(5

n n

~ m

:Il

.,m

O

en

O

~

» :Il

.,»

21.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Comparación del método de bandas de octava y de la tasa de reducción del ruido (NRR)

Los cálculos del método de bandas de octava y de la NRR pueden compararse utilizando el nivel sonoro con ponderación e para el espectro en la Tabla 21.1 (95,2 dB, ponderación C) y restando entonces la NRR de este valor para predecir el nivel efectivo bajo el protector auditivo. El nivel sonoro con ponderación A así estimado, 74,4 dB, se compara favorablemente con el nivel sonoro con ponderación A de 73,0 dB derivado del método de bandas de octava. Parte de la disparidad entre estas dos estimaciones del nivel efectivo es debida a la incorporación del factor espectral de seguridad de 3 dB descrito en la sección anterior.

CARACTERISTICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA En la Figura 21.3 se muestran los rangos representativos de la atenuación lograda por los protectores auditivos bien ajustados en condiciones de laboratorio. La atenuación de la mayoría de ellos decrece al reducirse la frecuencia. Por tanto, la reducción del nivel sonoro con ponderación A obtenida por un aparato de protección auditiva (en el oído del oyente) se reduce a medida que la proporción de energía de baja frecuencia aumenta en el espectro global del ruido.

Eficacia de los tapones

Los valores de atenuación son parecidos para los tapones premoldeados, agrupándose alrededor de 25 dB a frecuencias de hasta 1000 Hz y aumentando hasta aproximadamente 40 dB a las frecuencias más altas. Los tapones premoldeados pueden proporcionar una atenuación mayor que los auriculares a 125 y 250 Hz y por encima de 2000 Hz, pero la atenuación es menor a frecuencias intermedias. Los tapones que pueden ser formados y moldeados por el usuario están fabricados con materiales como masilla de algodón/cera o silicona. La gama de valores de atenuación de estos aparatos es bastante amplia, sobre todo por debajo de 2000 Hz. La atenuación puede variar desde 30 dB a 45 dB por encima de 2000 Hz, y para los peores protectores, tan sólo unos 10 dB para frecuencias bajas. Los tapones de espuma de recuperación lenta, moldeables, alcanzan la mejor protección global entre los aparatos sencillos. La atenuación va desde 30 a 45 dB a frecuencias por encima de 1000 Hz y de 20 a 40 dB a frecuencias por debajo de 2000 Hz. dependiendo de la profundidad de la inserción. La atenuación puede superar 35 dB para todas las frecuencias examinadas para un tapón de espuma profundamente insertado. La atenuación de los tapones diseñados a medida para el usuario varía mucho. dependiendo de las diferencias en los materiales, adaptación y procedimiento de fabricación. La atenuación media de estos protectores está por debajo de la de algunos de los tapones premoldeados.

21.11

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

Frecuencias centrales de bandas de tercio de octava. Hz

e

(3

e

e e '3 f3

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Tapones (premoldeados. moldeados por el usuario)

10-30

10-30

15-35

20-35

20-40

30-45

25-45

Tapones de espuma (la atenuación depende de la profundidad de la inserción)

20-35

20-35

25-40

25-40

30-40

40-45

35-45

5-20

5-20

10-25

10-25

20-30

25-40

25-40

Tapones semiinsertados (también denominados aparatos semiaurales o casco del canal)

10-25

10-25

10-30

10-30

25-40

25-40

Auriculares (con o sin componentes de comunicación)

5-20

10-25

15-30

25-40

30-40

30-40

25-45

20-40

25-45

25-50

30-50

35-45

40-50

40-50

lipo de protección

Tapones (moldeado a medida del usuario)

Tapones y auriculares (en combinación)

20-35

Idénticos a los auriculares anteriores 1000Hz

Conjuntos de reducción activa del ruido 15-25

15-30

20-45

25-40

30-40

30-40

15-25

15-30

25-40

30-40

20-50

0-10

0-15

5-20

10-30

15-35

(6)

Cascos militares

0-15

5-15

ev

Cascos de moto

0-5

0-5

FIGURA 21.3. Mínimos y máximos representativos de la atenuación esperada de aparatos de protección auditiva bien ajustados bajo condiciones de laboratorio, en decibelios. Los datos intentan dar cuenta de la variabilidad de las marcas y el laboratorio; sin embargo, no todos los datos publicados por los fabricantes ni los valores referenciados en la bibliografía estarán necesariamente dentro de los rangos aquí mencionados.

Los aparatos semiinsertados ofrecen una gama amplia de rendimiento en todas las frecuencias. Los mejores aportan una atenuación media de aproximadamente 20 dB a frecuencias por debajo de 2000 Hz y de 35 dB para frecuencias superiores a ésta.

Eficacia de los auriculares

La atenuación de los auriculares está influida por las características de su diseño y por sus materiales constitutivos, incluyendo la tensión de la banda sobre la cabeza. el volumen y masa de los cascos y el área de apertura del casco. La atenuación de la mayoría de los auriculares a 2000 Hz se acerca al límite impuesto por la conducción ósea, aproximadamente 40 dB. La atenuación decrece unos 9 dB por octava, desde aproximadamente 1000 Hz a 125 Hz; da una media de unos 35 dB para frecuencias

21.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

por encima de 2000 Hz. Cuando se utilizan gafas con los auriculares, las patillas deben ajustarse a los lados de la cabeza y ser delgadas, con el fin de reducir su efecto sobre la capacidad de sellado de las almohadillas alrededor de las orejas. La pérdida de atenuación que producen las patillas de las gafas, con las almohadillas en buenas condiciones, suele ser de 3 a 7 dB. El efecto varía notablemente de unos auriculares a otros y depende del ajuste y estilo de las gafas.

Eficacia del uso combinado de tapones y auriculares

Con la utilización combinada de tapones y auriculares o cascos se suele conseguir mayor protección que con cualquiera de estos aparatos aisladamente. La atenuación de la combinación no es igual a la suma de las atenuaciones individuales, como ilustra la Figura 2 1.4. Para frecuencias individuales, el incremento en la ganancia de rendimiento varía desde aproximadamente Oa 15 dB sobre el mejor de los aparatos. A 2000 Hz, las combinaciones típicas de protectores proporcionan una ganancia de unos pocos decibelios. Cuando se utilizan distintos auriculares con los mismos tapones. la atenuación cambia muy poco. pero cambia mucho cuando se usan distintos tapones con el mismo auricular. Si un tapón y un auricular se emplean de forma combinada, la elección de los tapones resulta crucial para la atenuación por debajo de 2000 Hz. Por encima de 2000 Hz, esencialmente todas las combinaciones de tapones y auriculares aportan una atenuación aproximadamente igual a la del cráneo humano. Dependiendo de la frecuencia, la atenuación combinada está limitada por las vías de conducción ósea en el oído interno (aproximadamente de 40 a 50 dB).

Protección contra el sonido del disparo de armas

Los auriculares y tapones de calidad logran una atenuación adecuada de los impulsos compuestos fundamentalmente de energía de media y alta frecuencia, como la 10

20

'.

,

aJ "O

e' ·0

'ü

Auricular

30

Tapón

oo.

C'O

::::>

e

Q)

~

' ...

40

, '-

-

_... -

--

...

..... -_.

\

Auricular + tapón

\

\

lo ,

58,125 0,250

0,500

1,0

2,0 3,154,0 6,38,0

Frecuencia, kHz

FIGURA 21.4. Atenuación media proporcionada por un tapón, un auricular y la utili, zación combinada de un tapón y un auricular.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.13

producida por las armas de fuego pequeñas. La atenuación del auricular desciende a medida que la concentración de la energía en los impulsos se desplaza hacia frecuencias bajas y al aumentar el calibre de las armas de fuego. La atenuación de un auricular típico es de unos 30 dB para el disparo de una pistola, unos 18 dB para un rifle y tan sólo 5 dB para un cañón. Los tapones de espuma proporcionan una protección parecida a la de los auriculares frente al disparo de una pistola. pero ofrecen una protección sustancialmente mayor, casi 20 dB, contra disparos de cañón o bazooka. Unos buenos auriculares o tapones bien ajustados reducen el nivel pico de presión sonora de los impulsos de la mayoría de los disparos de pistolas y rifles a menos de 140 dB. Hay que usar tapones o auriculares para la exposición a impulsos con niveles pico de presión sonora desde 140 a 160 dB aproximadamente. Una combinación de tapones más auriculares es necesaria cuando los niveles de presión sonora máximos alcanzados son iguales o superiores a 160 dB. La utilización de protección auditiva combinada también puede ser necesaria a niveles tan bajos como 150 dB para muchos impulsos (más de 100) en áreas muy reverberantes (véase Capítulo 26 para información sobre criterios de riesgo de lesión para ruido impulsivo). Una combinación de auriculares y tapones logra una protección adicional frente a los impulsos de baja frecuencia con valores pico altos. Estas combinaciones proporcionan valores de atenuación de 20 a 25 dB.

Eficacia para frecuencias infrasónicas

Los tapones insertados de calidad consiguen una atenuación de frecuencias infrasónicas (sonidos a frecuencias por debajo de 20 Hz) que se aproxima a la observada para la banda de tercio de octava de 125 Hz. Los auriculares aportan muy poca protección y pueden incluso amplificar el sonido a algunas de estas frecuencias infrasónicas.

Eficacia para frecuencias ultrasónicas

Los tapones y/o auriculares convencionales logran muy buena protección a frecuencias ultrasónicas (frecuencias por encima de los 20.000 Hz). Generalmente. proporcionan una atenuación que supera los 30 dB para frecuencias de aproximadamente 10.000 a 30.000 Hz.

Cómo afectan los aparatos de protección auditiva a la comunicación oral

Para la mayoría de los sonidos de banda ancha. a niveles sonoros desde 85 hasta aproximadamente 105 dB(A), resulta algo más fácil para las personas con audición normal comprender el habla con tapones o auriculares que sin ellos. Esta mejora se produce debido a que tanto el habla como el ruido se reducen hasta niveles en que el sistema auditivo no está sobrecargado y está relativamente libre de la distorsión aural producida por niveles sonoros altos. Las personas con pérdidas auditivas para

21.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

altas frecuencias podrían no experimentar esta ventaja comunicativa al usar aparatos de protección. En niveles sonoros por debajo de 80 dB(A), cuando el nivel de la señal hablada en el oído es de 75 dB(A) o inferior, los protectores auditivos reducen la inteligibilidad de la comunicación cara a cara. En el Capítulo 16 se discute la eficacia de la comunicación verbal con y sin aparatos de protección auditiva.

Cómo afectan los aparatos de protección auditiva a la percepción de alarmas auditivas y sonidos indicadores

Los protectores auditivos atenúan por igual los niveles del ruido ambiental y de las señales de peligro. Una señal auditiva de alarma puede oírse de forma diferente cuando se utiliza uno de estos aparatos. Sin embargo, su reconocimiento suele ser igual estén o no protegidos los oídos5 • Dependiendo del grado de pérdida auditiva, del tipo de sonido indicador o alarma y del tipo de protector auditivo que estén utilizando, algunos usuarios pueden experimentar dificultades de reconocimiento.

Localización de sonidos con protección auditiva

Los aparatos de protección auditiva, sobre todo auriculares o cascos, interfieren con la localización auditiva (descrita en el Capítulo 17) debido a que ya no están presentes las claves importantes de alta frecuencia afectadas por el pabellón auricular (véase Figura 21.2b). Esta interferencia también se ha observado con uno de los tapones de atenuación alta, aunque, en general, las inserciones alteran menos la habilidad para la localización, ya que dejan expuesto el oído externo. Cuando se utilizan protectores auditivos con electrónica activa (véase la siguiente sección), unos micrófonos o amplificadores separados para cada casco (escucha dicótica) aportan una localización considerablemente mejor que una señal única alimentando ambos cascos (escucha diótica).

TIPOS ESPECIALES DE APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Auriculares que contienen receptores para la comunicación oral

Unos auriculares que contienen audífonos (al conjunto también se le denomina conjunto para la comunicación) proporcionan una atenuación del sonido, posibilitando una comunicación oral en ambientes ruidosos (los tapones bien sellados a través de los cuales se acoplan al oído las señales acústicas también logran estos efectos). La atenuación es igualo algo inferior a la conseguida mediante los auriculares sin audífonos. La utilización de tapones insertados bajo los auriculares también atenúa el ruido ambiental y la señal hablada. La combinación de tapones y auriculares logra una buena atenuación del ruido a niveles altos, y la recepción de la comunicación mejorará notablemente si, con el fin de compensar la pérdida por la inserción del tapón, se aumenta el nivel de la señal.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.15

Aparatos de protección auditiva sensibles a la amplitud, protectores pasivos

Los protectores auditivos pasivos (carentes de electrónica), sensibles a la amplitud, están diseñados para permitir la comunicación oral durante períodos de silencio. Proporcionan una determinada atenuación a niveles sonoros bajos, aumentando ésta a medida que lo hace el nivel. Para conseguir esta atenuación no lineal, estos aparatos contienen orificios, válvulas o diafragmas. A niveles sonoros por debajo de unos 120 dB, los aparatos insertados del tipo válvula u orificio se comportan como el molde de un oído con válvula de seguridad, logrando hasta 30 dB de atenuación a frecuencias altas, pero esencialmente ninguna atenuación por debajo de los 1000 Hz. Existe un auricular sensible a la amplitud que aporta una atenuación uniforme de unos 25 dB desde 400 a 8000 Hz, para niveles sonoros por debajo de 120 dB. Tanto para señales estables como impulsivas a niveles sonoros altos, los aparatos pasivos consiguen un aumento de atenuación de 1 dB por cada 2 o 4 dB en nivel de presión sonora6 • Pocas exposiciones laborales y recreacionales, con la excepción de las competiciones de tiro profesional y amateur, son adecuadas en tipo y niveles para que las características no lineales resulten funcionales. Aparatos de protección auditiva con componentes electrónicos activos

Los aparatos de protección auditiva activa son auriculares que contienen micrófonos, circuitos electrónicos y audífonos que transmiten la información acústica exterior cuando los niveles sonoros ambientales están por debajo de algún límite predefinido, como 85 dB(A). Cuando la señal exterior supera este límite típico, la electrónica no funciona y la protección auditiva aportada es la atenuación pasiva del auricular básico. Los protectores activos no emplean la cancelación del ruido, descrita a continuación. Aparatos de protección auditiva de reducción activa del ruido

Un aparato de protección auditiva con reducción activa del ruido reduce la energía acústica de baja frecuencia en el oído mediante la cancelación del ruid0 7 . En comparación con un casco pasivo, puede lograrse un aumento medio en atenuación de 15 a 20 dB, en el rango de frecuencias por debajo de 2000 Hz, y de hasta 25 dB en algunas frecuencias. Los conjuntos para reducción activa del ruido consiguen que la cantidad de sonido de baja frecuencia en el oído disminuya significativamente, lo cual da como resultado una mejor inteligibilidad, mayor comodidad y menor fatiga que si el mismo conjunto sólo aportara protección auditiva pasiva. Aparatos de protección auditiva de atenuación plana

Un aparato de protección auditiva de atenuación plana proporciona aproximadamente la misma atenuación a lo largo de toda la región de frecuencias auditivas (100

21.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

a 8000 Hz)6,8. La atenuación plana mantiene la respuesta en frecuencia del oído no obstruido, logrando una audición no distorsionada de las señales auditivas. Una característica de atenuación plana puede ser especialmente beneficiosa para un usuario que tenga pérdida auditiva a frecuencias altas o requiera una percepción del sonido de alta calidad (por ejemplo, un músico profesional).

ENTREGA, ADAPTACION, USO y MANTENIMIENTO DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA Distribución y aprendizaje inicial de uso de las protecciones auditivas

La distribución y aprendizaje inicial de cualquier tipo de aparato de protección auditiva es un elemento esencial en un programa de conservación de la audición (véase Capítulo 22). Se logran los objetivos más adecuadamente si se realiza de forma individual o en grupos pequeños, con una proporción entre estudiantes e instructor no superior a 511. La compatibilidad y ajuste de los protectores deben ser controlados individualmente sobre cada trabajador. El entrenamiento en grupos mayores también es útil cuando se realiza además de, y no en lugar de, el trabajo individual o en grupos pequeños. Se debe hacer una inspección visual de la cabeza y el oído externo para identificar las condiciones médicas o anatómicas que pueden interferir o agravar la protección auditiva. Los protectores no deben utilizarse si existen tales condiciones hasta que la consulta médica y/o el tratamiento corrector puedan obtenerse, o se determine que estas condiciones no constituyen un problema. Cuando sea posible. el usuario ha de ser expuesto a ruido durante el proceso de ajuste. para que pueda oírlo disminuido al nivel mínimo percibido mientras se le adapta el protector auditivo. Se puede utilizar una grabadora portátil para presentar grabaciones de ruido de banda ancha o sonidos industriales representativos. Cuando no hay una fuente de sonido disponible durante el ajuste inicial, el técnico dehe hacer un seguimiento de los trabajadores a los pocos días. mientras están en su ámbito laboral. para controlar el ajuste y la conveniencia de los aparatos que ha distrihuido. Durante el reparto inicial. las instrucciones de uso de tapones suelen requerir más hahilidad y atención que las de los auriculares. pero es un error frecuente asumir que cualquiera es capaz de usar unos auriculares. y por ello distribuirlos indiscriminadamente. sin asistencia. Muy al contrario. tamhién hay que evaluar inicialmente la adaptación de éstos porque no a todos los usuarios les valen todos los modelos. a veces incluso ningún modelo. Hay que revisar las instrucciones de uso y hacer una demostración de cómo se ajustan. La inserción es más fácil y más eficaz para todo tipo de tapones si se tira del pahellón auditivo hacia fuera y hacia arriba. Hay que insertar los tapones en el oído derecho usando la mano derecha. y en el oído izquierdo. con la izquierda. Con la mano contraria se estira de la oreja a la vez hacia fuera (alejándola de la cabeza) y hacia arriba. agarrándola por detrás o por encima de la caheza. Esto permite que la

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.17

mano que inserta el tapón tenga la mejor línea de acercamiento al canal auditivo para un ajuste preciso.

Una prueba de ajuste de los aparatos de protección auditiva; empleo del efecto de oclusión

Una de las técnicas más extendidas aplicables a la adaptación de casi todos los protectores auditivos es escuchar el efecto de oclusión (un aumento en la eficacia de la transmisión de los sonidos por conducción ósea por debajo de 2000 Hz cuando el oído está acústicamente sellado, haciendo que el usuario perciba cambios en la calidad de la voz y otros sonidos generados por el cuerpo). El usuario puede utilizar el efecto de oclusión (véase también la sección anterior sobre «Efecto de oclusión») como prueba de ajuste de los tapones y los auriculares contando en voz alta de 1 a 15 mientras atiende al cambio en la calidad de voz que indica la presencia de un sello acústico y del efecto de oclusión. Con tapones, una forma alternativa es contar en voz alta mientras sólo un oído está ajustado correctamente. La voz debe oírse o notarse más fuerte por el oído obstruido. Cuando el otro oído haya sido correctamente ajustado, el efecto habrá de ser igual en ambos, haciendo que la voz se oiga como si emanara del centro de la cabeza.

Comodidad

La comodidad es un rasgo crítico de un aparato de protección auditiva, equivalente en importancia a la atenuación que proporciona. Un aparato que no sea cómodo no será utilizado consistente y correctamente, o quizá no se use nunca. La comodidad puede aumentarse adaptando adecuadamente el aparato al usuario y entrenándole en su uso correcto. Las fuentes habituales de incomodidad incluyen los tapones cuyo tamaño o inserción son inadecuados, aparatos deteriorados con almohadillas o ahrazaderas endurecidas o deformadas, bandas para los auriculares exageradamente prietas y el uso de auriculares en ambientes muy calurosos. Los aparatos de protección auditiva son elementos del equipo personal y deben distribuirse de forma acorde a esta consideración. Los usuarios han de estar implicados en el proceso de selección y deben poder elegir entre una variedad de opciones adecuadas, que incluyan un mínimo de tres aparatos distintos. Por lo general. serán un auricular y dos modelos de tapones. pero sería también aconsejable un aparato semiinsertado o marcas adicionales de cada tipo de protector. Hace falta tiempo para que los usuarios se acostumbren a los aparatos de protección auditiva, tanto a su sensación como a su sonido. Algunos usuarios inexpertos pueden precisar una semana o dos para adaptarse completamente a la sensación de llevarlos y llegar a apreciar los beneficios que reporta su uso.

21.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Higiene y mantenimiento

Hay que limpiar los aparatos de protección auditiva regularmente de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Por lo general, el agua templada y el jabón suave son agentes limpiadores satisfactorios. Hay que lavar y secar los tapones concienzudamente antes de volver a utilizarlos o almacenarlos. Hay que lavar o quitar el polvo periódicamente a las almohadillas de los auriculares. Los tapones y las almohadillas han de reemplazarse cuando no puedan limpiarse adecuadamente o ya no mantengan su apariencia original o resistencia. La limpieza mejora la aceptación del protector, reduce la probabilidad de irritaciones e infecciones del oído y prolonga la vida de los materiales al retirar la grasa cutánea y otros agentes que puedan contribuir a su deterioro. Aunque la probabilidad de que los protectores auditivos aumenten la incidencia de las infecciones del oído externo es mínima9 , éstas pueden producirse. Habitualmente se descubre que los tapones o auriculares que pueden estar implicados en casos de infección están contaminados con sustancias cáusticas o irritantes o tienen materiales cortantes o abrasivos. Hay que consultar a personal médico entrenado para determinar si las infecciones auditivas persistentes están asociadas con los aparatos de protección auditiva o con otros factores no relacionados con su uso.

Seguridad

El uso de aparatos de protección auditiva comercializados es seguro siempre que se sigan las recomendaciones del fabricante; sin embargo. son aconsejables algunas precauciones. Los tapones que crean un sello a presión, como los injertos premoldeados, deben retirarse con un movimiento giratorio lento para romper gradualmente el sello, con el fin de asegurar que su retirada no produce molestias, dolor o daño al oído. Cuando se utilizan tapones acordonados (dos tapones unidos por un cordón para facilitar su manejo y empleo), el cordón debe estar enroscado de tal manera que no cuelgue y así no exista la posibilidad de obstaculizar los movimientos o engancharse. Los auriculares pequeños. ligeros y de perfil bajo no interferirán con las actividades o el equipamiento de los trabajadores.

Abusos

Los usuarios de los aparatos de protección auditiva suelen modificarlos para mejorar la comodidad o para «personalizarlos». Se eliminan partes de los tapones previamente moldeados. se pinchan las vejigas de los tapones llenos de aire y se cortan los tapones para reducir su tamaño. Se estiran las bandas de los auriculares para reducir su presión sobre la cabeza y se perforan agujeros sobre los cascos para aumentar la ventilación. para ayudar al drenaje de la transpiración y, en algunos casos, para hacer un monograma con las iniciales del usuario. Todas estas prácticas degradan la atenuación y han de evitarse.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.19

PROCEDIMIENTOS DE MEDIDA PARA ESTIMAR LA ATENUACION DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA 10 Existen variaciones significativas en la atenuación sonora media (y desviaciones típicas) de los mismos protectores auditivos evaluados mediante el mismo procedimiento en distintos laboratorios ll . Esto conduce a diferencias sustanciales en las tasas de reducción del ruido (NRR) y en la jerarquía de rendimiento de los grupos de aparatos calculada a partir de los datos de atenuación sonora. Por ello, la jerarquía sólo es significativa con datos que partan de un único laboratorio. Las fuentes de la variabilidad entre laboratorios son: (1) diferencias de interpretación e implantación de la metodología normalizada de medidas, (2) falta de certeza respecto de la obtención de un ajuste adecuado para evitar escapes acústicos, (3) diferencias en la selección de los sujetos, (4) diferencias en el entrenamiento de los sujetos y (5) diferencias en las técnicas de corrección de los datos. También varían (aunque en menor medida) la precisión y replicabilidad de las evaluaciones de atenuación de los protectores auditivos en el mismo laboratorio debido a cambios en: (1) el experimentador del laboratorio, (2) la población de sujetos, (3) los criterios de selección, (4) el tamaño y las técnicas de ajuste, (5) la instrumentación y (6) las características de las muestras de los aparatos de protección auditiva que se examinan. Una consecuencia de esta variabilidad es que las diferencias en la NRR de menos de 3 dB no tienen importancia práctica, e incluso los cambios de 4 o 5 dB son de importancia cuestionable, salvo que se estén comparando datos muy controlados.

Método subjetivo (atenuación del oído real al nivel del umbral)

El método de atenuación del oído real al nivel del umbral l2 es un procedimiento que utiliza enjuiciamientos subjetivos para determinar la diferencia entre el nivel sonoTO mínimo que un sujeto oye sin llevar un aparato protector (umbral libre) y el nivel mínimo que oye al utilizar el protector (umbral ocluido). La atenuación (también denominada protección auditiva) aportada por el aparato es la diferencia entre los umbrales libre y ocluido. Por ejemplo, la diferencia entre el nivel de un umbral ocluido de 45 dB y el nivel de un umbral libre de 20 dB da como resultado un valor de atenuación de 25 dB. La atenuación medida en el laboratorio puede ser representativa de la protección estimada para un determinado ambiente de ruido sólo cuando el aparato se utiliza de la misma manera que lo hicieron los sujetos en la prueba, y si éstos representaron adecuadamente a los usuarios. Este método representa con precisión el rendimiento de todos los protectores lineales de la audición (los aparatos lineales son independientes del nivel. aportando esencialmente la misma cantidad de atenuación sea cual sea el nivel del ruido ambiental en que son usados), pero no caracteriza con precisión el rendimiento de aparatos que dicen ofrecer atenuación que aumenta a medida que lo hace el nivel sonoro. El método de atenuación del oído real al nivel del umbral es el procedimiento más extendido para evaluar la atenuación de los protectores auditivos mediante enjuiciamientos humanos subjetivos. Virtualmente todos los datos disponibles de los fabricantes se de-

21.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

rivan de este método. Dada su precisión y la experiencia acumulada sobre él, es el único procedimiento subjetivo que se incorpora en casi todos los criterios nacionales e internacionales.

Medida física

Los métodos físicos para la medida de la atenuación de los protectores auditivos del tipo auricular y casco suelen emplear un artefacto acústico de prueba (<
Medida física en un sujeto de prueba

El método de la medidllfísica sohre un sujeto de prueha utiliza evaluaciones físicas (acústicas) para determinar la diferencia entre los niveles de presión sonora en el oído de un sujeto humano. con y sin aparato de protección auditiva. Las medidas se realizan con un micrófono en miniatura a la entrada. y a veces dentro, del canal auditivo. Otra alternativa es usar dos micrófonos simultáneamente para medir los niveles de presión sonora dentro y fuera del protector auditivo. El sujeto lleva el aparato mientras se realizan las medidas. pero no emite respuestas frente a los estímulos: se comporta como si fuera un maniquí con un artefacto acústico dentro de la cabeza. Este método se utiliza para ver la atenuación que proporcionan los tapones. auriculares. cascos y conjuntos de comunicación, y es una prueba de selección rápida que puede complementar la de la atenuación subjetiva en el oído real con el método del umbral.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.21

EFICACIA REAL DE LOS APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA EN EL LUGAR DE TRABAJO

La atenuación que proporciona un protector auditivo es mucho menor que la medida en el laboratorio. Las medidas de laboratorio reflejan la atenuación máxima que puede esperarse de un aparato que es nuevo, está en buen estado, disponible en las tallas adecuadas, está ajustado correctamente, es utilizado bajo circunstancias ideales, es evaluado por sujetos expertos y se usa bajo una minuciosa supervisión experimental. Sin embargo, muchas de las condiciones de las pruebas de laboratorio que resultan esenciales para obtener un rendimiento óptimo no se implantan, o no se pueden implantar, en el lugar de trabajo. Ello se debe en parte al énfasis de algunos laboratorios sobre el examen de la atenuación máxima, sin tener en cuenta la comodidad al ajustar los protectores (sobre todo los tapones) y los cortos períodos durante los cuales los sujetos a examen los utilizan (5 a 10 minutos). La disparidad entre los valores de atenuación del laboratorio y del lugar de trabajo también se debe al hecho de que el rendimiento en este último suele ser mucho peor de lo que podría razonablemente esperarse. El escaso rendimiento en el lugar de trabajo surge de factores tales como falta de formación y entrenamiento del usuario, escasa motivación, talla y ajuste incorrectos de los aparatos, deslizamiento de los protectores auditivos durante el uso, deterioro de los aparatos y modificaciones que realizan los usuarios que degradan su atenuación. La atenuación medida en los ámbitos laborales, con trabajadores reales como sujetos, muestra valores medios inferiores (sobre todo para los tapones) y mayores desviaciones típicas (multiplicadas por 2 o 3) que los datos dellaboratorio I3 , como muestra la Figura 21.5. A modo de ejemplo, los valores medios de atenuación en el lugar de trabajo son menores que los del laboratorio en aproximadamente 15 o 20 dB para tapones premoldeados, 10 a 15 dB para tapones de espuma y de 5 a 10 para auriculares. El rendimiento de estos últimos en ámbitos laborales es relativamente mejor que el de los tapones respecto de los valores predichos por el laboratorio, pero sea cual sea el protector seleccionado, la exposición individual al ruido puede subestimarse sustancialmente cuando se calcula a partir de los datos de atenuación del laboratorio. Por lo general. las exposiciones al ruido en los lugares de trabajo también se subestimarán cuando los resultado sobre el rendimiento en ellos son vistos de una forma simplificada. mediante el uso de un descriptor de dígito único. como la tasa de reducción del ruido (NRR). Las NRR logradas para el 84 por 100 de los usuarios en el ámbito laboral suelen ser iguales o inferiores a 7 dB para todos los tipos de tapones, salvo la variedad de espuma. Para tapones de espuma, las NRR en el lugar de trabajo son de aproximadamente 12 dB, lo cual es comparable a la hallada para la mayoría de los auriculares I3 · 14 • La eficacia de la protección de un aparato se reduce notablemente cuando el trabajador se lo quita durante varios períodos a lo largo de la jornada laboral, como ilustra la Figura 21.6. Un protector auditivo, con una NRR de 25 dB, que el usuario se quita durante 15 minutos en una jornada laboral de 8 horas. aporta una NRR efectiva, con corrección temporal (ordenada), de 20 dB. Se observan mayores re-

:i

Q)

e


'ü

'0

en 1:J ¿

45

35

25

15

5

0,250

1,0

f-

2,0 3,15 4,0

"",~

.... ".

.. -,-

--.--

--------"

-

Frecuencia, kHz

6,38,OV 0,125

0,500

Auriculares

0,250

- - - -ti

- - - .. Fibra de vidrio

-- - -- Premoldeado

"

~, ---- - -

-

- - - - Espuma ........... Usuario

---

- -

/

.

1,0

Tapones

2,0 3,15 4,0

6,3 8,0

'\.";.. _.-'J' "'-- --., ~

'\ '. ", .--..t '. 'Ia.', ...... /

~, '

"-'-,

,-.-'-..,. '" ..

Valores del ámbito laboral

~ ~---~-------....... ---

~-,

Comparación entre los valores de atenuación del laboratorio, a partir de las publicaciones de los fabricantes, con los valores de atenuación en ambientes laborales para cinco tipos distintos de aparatos de protección de la audición. (Según Berger13 .)

0,500

'-.

.

"-, ,-, " ' ",

','

.....

- - '~----'~ -

',-

.

FIGURA 21.5.

0,125

... - - -

--

"----- """-. ----'~-'-"----- ".

Valores de laboratorio

s::

o

6

e

:lI

r O m r

O

:lI

-t

z

O

n

-<

Ul

nl>

-t

Ul

e

n

l>

Ul

~

O

s::m

om

r

l>

e

z

l>

N

N

~

N

21.23

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

ce "O

R

25

20

.~ 15

/ //

8 o

//

"O

'2

10

Gl c:

0g ::l

"O

~

5

~

~--

-

20

1-

15

",,--

---

./

6~

/

"/./

f. / " i,/'

"O '0

--

" v / " >" ./ /

'"

"O

~25 NRR Nominal

./

Ejemplo (véase texto)

.;:;

8.

---¡---

JI I I

E al

'----

10

---

5

al

"O

Zi

~

240

120

60

30

10

5

2,5

0,5

Tiempo no utilizado (minutos) durante la exposición de 8 horas

FIGURA 21.6. Correcciones a la tasa de reducción del ruido (NRR) nominal en función del tiempo durante una jornada laboral en que no son utilizados los aparatos de protección de la audición, basadas sobre una relación de intercambio de 5 dB. (Según Else'".)

ducciones de eficacia para NRR más altas. Se observan pocos efectos para NRR de unos 10 dB Y menos. Se pueden comparar los umbrales de audición de los trabajadores antes y después de las exposiciones al ruido para indicar la adecuación de un aparato de protección auditiva. Una reducción en la sensibilidad auditiva posterior a la exposición, denominada desplazamiento temporal del umbral (véase Capítulo 18), indica que el aparato no logró la suficiente protección. Los datos obtenidos mediante esta técnica no aportan valores específicos de atenuación; sin embargo, proporcionan una corroboración cualitativa de los resultados de las medidas de atenuación de campo. Corrección de los datos de atenuación para representar los valores alcanzables en el lugar de trabajo

La NRR de los protectores auditivos sobreestima la atenuación que realmente se consigue en los ámbitos laborales e implica teóricamente que la mayoría de las exposiciones al ruido serán seguras si se utilizan los protectores. La NRR (o los datos de laboratorio a partir de los que se calculó) puede ajustarse para acomodarla a los valores de atenuación más realistas de los lugares de trabajo. Una reducción (también denominada desgravación) de la NRR en 10 dB, antes de restarla del nivel sonoro con ponderación C. es la corrección mínima necesaria para estimar la atenuación potencialmente alcanzable en el ámbito laboral l ; sin embargo, podrían ser apropiadas reducciones mayores. Estas también pueden aplicarse a los cálculos de atenuación de bandas de octava; hay que restar 10 dB de los valores de atenuación de banda de octava del protector auditivo antes de introducir estos valores en el Paso 4 de la Tabla 21.1.

21.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Procedimiento OS HA para reducir las NRR a valores alcanzables en el lugar de trabajo

La Occupational Safety and Health Administration (OSHA), en la Enmienda sobre Conservación de la Audición l6 , especifica el uso de datos etiquetados por el fabricante, obtenidos a partir de medidas de laboratorio, para determinar el cumplimiento de los requisitos de la enmienda sobre la atenuación que deben aportar los aparatos de protección auditiva. Debe poderse determinar si son adecuados para las exposiciones al ruido en que van a emplearse. Después de la publicación de la Enmienda sobre Conservación de la Audición, la OSHA reconoció que los datos de laboratorio han de corregirse, y en la actualidad recomiepda reducir en un 50 por lOO las NRR publicadas (por ejemplo, una NRR de 20 dB se reduciría a 10 dB), pero sólo con el propósito de evaluar la eficacia relativa de los protectores auditivos y los controles técnicos del ruido (reducción del ruido mediante el rediseño o la modificación del equipamiento). Las NRR corregidas no son aplicables para determinar el cumplimiento de los requisitos de protección auditiva recogidos en la enmienda. El esquema de corrección del 50 por 100 previamente descrito es más estricto, hasta en 5 dB, que la corrección de 10 dB comentada anteriormente. La elección entre ambas se basará en cuán conservador se desea ser al establecer las directrices. Sin embargo, hay que utilizar uno de estos esquemas, o algún otro procedimiento de desgravación o corrección, si hay que usar los datos del laboratorio para desarrollar estimaciones significativas del rendimiento en el ámbito laboral.

Uso de datos de bandas de octava para estimar la protección en el lugar de trabajo

La precisión que se presume que debe obtenerse mediante el empleo del método de bandas de octava no siempre se logra, debido a la gran discrepancia entre las NRR (datos de laboratorio) y la atenuación en el lugar de trabajo. La principal razón para examinar los datos individuales de banda de octava es ajustar mejor la curva de atenuación del aparato al espectro del ruido. Por ejemplo, los datos de bandas de octava. tanto del laboratorio como del lugar de trabajo. muestran que los auriculares no son una buena alternativa para ruidos con una energía significativa de baja frecuencia (125 a 250 Hz), pero son preferibles cuando la energía de frecuencias medias es elevada (fundamentalmente alrededor de 1000 Hz). Un tapón de espuma o premoldeado es el aparato que se debe elegir para ruidos que contienen energía significativa de baja frecuencia. Realizar este tipo de emparejamiento entre protección auditiva y espectro de ruido también puede resultar de escaso valor. dada la dificultad de asignar protectores particulares a tareas concretas en una fábrica. Es difícil asegurarse de que se utilizan los aparatos, de que se hace correctamente, evitar que se intercambien entre áreas de trabajo con distintas características espectrales de ruido y comprobar que determinados aparatos son usados sólo por los empleados expuestos a espectros concretos de ruido.

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

21.25

Uso de bases de datos audiométricos para indicar la eficacia de la protección auditiva

Se han desarrollado varias técnicas de análisis de las bases de datos audiométricos para evaluar la eficacia de los aparatos de protección auditiva y los programas de conservación de la audición. El Capítulo 22 contiene una discusión sobre estos temas.

CRITERIOS Y NORMATIVAS DE PROTECCION AUDITIVA Criterios nacionales de EE.UU.

Los criterios nacionales en Estados Unidos especifican procedimientos experimentales para medir la atenuación de los aparatos de protección auditiva. El American National Standards Institute (ANSI), en la normativa S12.6. especifica un procedimiento subjetivo para medir la atenuación del oído real a nivel de umbral 12 • La Acoustical Society of America, en la norma ASA STD.1, especifica un método de medida física 18 que complementa al método ANSI. Ninguno de los dos confiere la aprobación, ni atribuye ningún grado de calidad particular a los aparatos evaluados. En vez de ello, simplemente definen un método uniforme de medida de la atenuación del aparato de protección auditiva.

Criterios internacionales

La norma ISO 4869 19 define un método subjetivo para medir la atenuación sonora de los aparatos de protección auditiva al umbral de audibilidad. Este método, semejante al ANSI S12.6 citado anteriormente. especifica los procedimientos para medir la atenuación del sonido del aparato y la tensión aplicada por la banda de los auriculares. Esta normativa no contiene requisitos acerca del rendimiento. ni aporta un método para aprobar o rechazar los aparatos de protección auditiva. El ISOrrR 6290 es un informe técnico que describe un método físico, simplificado (el examen acústico con un dispositivo en lugar de con un sujeto humano). para la medida de la pérdida de inserción de los aparatos de protección auditiva del tipo circunaural20 . Este procedimiento se emplea para inspeccionar la calidad y también puede ser utilizado para otros fines. Es parecido al método físico de la ASA STD.1.

Normativas EPA/OS HA

La Agencia de Protección Ambiental (Environmental Prolection Agency), de acuerdo con el Acta de Control del Ruido de 1972, requiere que todos los aparatos productores y reductores del ruido estén etiquetados. La normativa especifica que la atenuación de cualquier aparato o material. susceptible de ser utilizado sobre la

21.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cabeza o en el canal auditivo, que se vende completa o parcialmente sobre la base de su capacidad para reducir el sonido que entra en el oído, tiene que ser evaluada de acuerdo con los estándares ANSI I2 . '8 . A partir de estos datos se calcula una tasa de reducción del ruido y se coloca en una etiqueta impresa sobre los paquetes de todos los aparatos de protección auditiva. En Estados Unidos, todos los aparatos de protección auditiva comercializados han de estar etiquetados de acuerdo con esta normativa4 . La Occupational Safety and Health Administration l6 obliga a que todos los aparatos de protección auditiva reduzcan el nivel sonoro hasta un valor medio con ponderación A de 90 dB, o menos, durante 8 horas laborales diarias y, en el caso de empleados que muestren desplazamientos del umbral de audición habituales (véase Capítulo 18), hasta niveles sonoros con ponderación A iguales o inferiores a 85 dB.

Datos aportados por otras instituciones federales

El Nationallnstitute for Occupational Safety and Health publica datos sobre aparatos de protección auditiva que incluyen distribuidor, modelo, tipo, peso, fuerza de la banda para la cabeza, valores de atenuación medios y desviaciones típicas a las frecuencias habituales de examen de 125 a 8000 Hz, pruebas normalizadas y pruebas de laboratorio3 . Estos datos se obtienen de los fabricantes de los aparatos. La Mine Safety and Health Administration publica una «Lista de factores de protección auditiva R&D». pero el único criterio para que un aparato se incluya en esta lista es que haya sido examinado de acuerdo con ASA STD.l o ANSI S12.6 y que los datos estén disponibles en sus publicaciones comerciales o en las hojas de especificaciones. Ninguna de estas publicaciones contiene los requisitos de rendimiento de los aparatos de protección auditiva.

REFERENCIAS l. E. H. Berger. «Hearing protectors - specifications. fitting. use and performance>" en D. M. Lipscomb (Ed.), Hearing conservation in industry, schools, and the military, College Hill Press, Boston. MA 02108. pp. 145-191. 2. C. W. Nixon y H. E. von Gierke. «Experiments on the bone conduction threshold in a free sound field". J. Acoust. Soco o[ Amer.. vol. 31. 1959. p. 1121. 3. B. L. Lempert. «Compendium of Hearing Protection Devices». Sound and Vibration. vol. 18. n" 5. 1984. pp. 26-39. 4. Environmental Protection Agency. «Noise labeling requirements for hearing protectors>,. Fl'Cleral Register. vol. 42. n." 190.40 CFR Pan 211. Washington. DC 20460. 1979. pp. 56120-56147. 5. P. A. Wilkins yA. W. Martin. «The effect oC hearing protectors on the perception ofwarning and indicator sounds - A general review». Tech. Report 98. Institute of Sound and Vibration. Southampton S09 5 NH. Hants. Inglaterra. 1978. 6. C. A. AlIen y E. H. Berger. «Development oC a unique passive hearing protector with level-dependent and flat attenuation characteristics». Noise Control Engineering Journal. 1990. vol. 34, pp. 97-107. 7. W. F. Meeker. «Active ear defender systems: Component considerations and theory".

APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA

8. 9. 10. 11.

12. 13. 14. 15. 16.

17.

21.27

TR 57-368, ASTIA Document AD 130806, Wright Air Development Center, Dayton, OH 45433, septiembre 1958. M. e. Killion, E. DeVilbiss y J. Stewart, «An earplug with uniform 15-dB attenuation», The HearingJ., vol. 41, n.o 5,1988, pp. 14-17. E. H. Berger, «Earlog # 17-ear infection and the use of hearing protection», J. Occup. Med., vol. 27, n.o 9,1985, pp. 620-623. E. H. Berger, «Review and tutorial- methods of measuring the attenuation of hearing protection devices», J. Acoust. Soco Amer., vol. 79, n.o 6,1986, pp. 1655-1687. E. H. Berger, J. E. Kerivan y F. Mintz, «Inter-Iaboratory variability in the measurement of hearing protector attenuation», Sound and Vibration, vol. 16, n.o 1, 1982, pp. 14-19. Method for the measurement of real-ear attenuation of hearing protectors, ANSI SI2.61984, American National Standards Institute, Nueva York, NY 10018, 1984. E. H. Berger, «Using the NRR to estimate the real world performance oC hearing protectors», Sound and Vibration, vol. 17, n.o 1, 1983, pp. 12-18. E. H. Berger, «Can real-world hearing protector attenuation be estimated using laboratory data?», Sound and Vibration, vol. 22, n.o 12, 1988, pp. 26-31. D. Else, «A note on the protection afforded by hearing protectors - implications of the energy principIe», Ann. Occup. Hyg., vol. 16, 1973, pp. 81-83. Occupational Safety and Health Administration, «Occupational noise exposure, hearing conservation amendment», Federal Regís/er, vol. 48, n.o 46, Washington, De. 202110, 1983, pp. 9738-9785. Indus/rial hygiene /echnical manual, Change 2, Occupational Safety and Health Administration, Washington, DC 20210,1 marzo 1987, pp. VI-13-VI-19.

18. Method for the measurement of real-ear pro/ec/ion of hearing protec/ors and physical at/enua/ion of earmuffs, ASA STD.I-1975 (ANSI S3.19-1974), Acoustical Society of America, Nueva York, NY 10017, 1975.

19. Measurement of sound attenuation of hearing protectors-subjective me/hod, ISO 4869:1981, Intemational Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1975.

20. Simplified me/hod for a measuremen/ of insertion loss of hearing pro/ec/ors of earmuff /ype for quality inspection purposes, ISOrrR 6290:1989, Intemational Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1989.

Capítulo

22

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION Larry H. Royster Julia Doswell Royster

INTRODUCCION Un programa laboral de conservación de la audición es un plan sistemático implantado para proteger la audición de los empleados del daño debido a exposiciones a ruido nocivo en el lugar de trabajo. Este capítulo describe las bases para lograr un programa eficaz. Se revisan los aspectos más importantes de cada fase de los programas de conservación de la audición. Se comentan las características de los programas eficaces en términos de organización y políticas, el personal implicado y las influencias externas que hay que considerar. A continuación. el capítulo presenta procedimientos para el análisis de las bases de da lOs audiométricos (una evaluación de los resultados audiométricos de la población expuesta al ruido que se lleva a cabo para aportar una evidencia objetiva respecto de la eficacia del programa y para identificar cualquier deficiencia del programa que deba corregirse). Por último. se describen los beneficios de los programas eficaces. Resulta relativamente sencillo implantar la estructura del programa y asignar responsabilidades al personal en las distintas fases del mismo. Sin embargo, resulta más difícil para la industria establecer programas que realmente logren una protección eficaz de la audición de los empleados. Dado que un programa eficaz sólo puede desarrollarse con el compromiso sincero de la jefatura superior, la última sección del capítulo presenta información que justifica el esfuerzo necesario para lograr la eficacia del programa.

FASES DE UN PROGRAMA DE CONSERVACION DE LA AUDICION Las fases de un programa de conservación de la audición se muestran en la Figura 22.1 1• A veces no son necesarias todas las fases. Si las medidas de control del ruido pueden eliminar exposiciones sonoras nocivas en el lugar de trabajo. las evaluacio22.1

22.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Programa de conservación de la audición

I I

I

I

Fases

Características deseadas

I

Encuesta sobre el sonido Controles técnicos y administrativos Formación

I

I

I I

Uso obligatorio de aparatos de protección auditiva

I

I Personal que participa Director Directivos superiores

Aparatos de protección auditiva potencialmente eficaces

Directivos medios

Persona responsable

Supervisores

Comunicaciones activas

Empleados

I

I

I

Influencias externas

I

Sede de la empresa Asesores Proveedores Pluriempleo

Protección de la audición

Comunidad

Seguimiento audiométrico

TIempo de ocio Aficiones

FIGURA 22.1. Programa de conservación auditiva: fases, características deseadas, personal e influencias externas que afectan al funcionamiento del programa.

nes audiométricas y el uso de aparatos de protección auditiva pueden suspenderse. Sin embargo, mientras la exposición de los trabajadores al ruido siga siendo peligrosa, es necesaria la protección combinada que aporta el programa completo. La diversidad de esfuerzos implicados en las distintas fases suele requerir que personal de varias disciplinas se responsabilice de los distintos aspectos del programa de conservación de la audición. Si estos esfuerzos son incompletos o están mal coordinados, el pro~rama no logrará el objetivo de prevenir la pérdida de audición durante el trabaj 0 2 ... El personal que implemente cada fase tiene que documentar sus actividades y resultados, tanto para compartir información con otros miembros del equipo del programa como para satisfacer los requisitos que regulan el mantenimiento de registros 3.4 .

Fase de encuesta sobre el sonido

El propósito principal de una encuesta sobre sonido en el lugar de trabajo es determinar las exposiciones sonoras a las que los trabajadores están sometidos para tomar las decisiones apropiadas acerca de cómo protegerlos frente al desarrollo de una pérdida auditiva laboral. (La exposición sonora se describe en el Capítulo 12.) Estas decisiones incluyen: 1. Determinar si las exposiciones sonoras de los trabajadores son suficiente-

mente peligrosas como para requerir el establecimiento de un programa de conservación de la audición. 2. Identificar a aquellos trabajadores que deben incluirse en el programa de conservación auditiva (para cumplir ya sea un criterio gubernamental regulador o el propio criterio interno de la compañía).

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.3

3. Clasificar las exposiciones sonoras de los trabajadores en categorías que reclamen acciones protectoras mayores cuanto mayor sea el nivel de riesgo (tales como la selección de aparatos de protección auditiva, diseño de materiales educativos adecuados y establecimiento de prioridades para los proyectos de control del ruido). Una encuesta sobre sonido debe aportar la información adecuada para tomar estas decisiones. Sin embargo, no es necesario medir la exposición sonora de cada persona con precisión. Medidas de exposición sonora extremadamente detalladas pueden resultar muy costosas en términos de tiempo y equipos. Estos recursos pueden emplearse de forma más eficaz en otras fases del programa que proporcionan protección real a los trabajadores. Son necesarias las medidas del nivel sonoro para identificar las piezas del equipamiento que constituyan las fuentes dominantes de ruido en términos de su contribución a la exposición sonora de los trabajadores y las fuentes dominantes de ruido dentro de estas piezas de equipamient05 . Esta información es necesaria: (1) para seleccionar el equipamiento a controlar y (2) para seleccionar el orden en que las medidas de control del ruido habrán de ejecutarse. Una encuesta sobre sonido también: 1. Identifica las áreas de trabajo donde el ruido de fondo es suficientemente alto como para interferir con la comunicación o la detección de alarmas y, por tanto, constituye un peligro para la seguridad. 2. Documenta los niveles sonoros en el ambiente de trabajo y la exposición sonora de los trabajadores con el propósito de cumplir la legislación y de aportar evidencias para futuras reclamaciones de compensación de los trabajadores. 3. Identifica áreas de trabajo donde niveles sonoros molestos (pero no peligrosos) pueden interferir con la ejecución del trabajo. Recogido de dotos de la encuesta sobre sonido. La encuesta debe generar una clasificación de las exposiciones para todas las categorías laborales de trabajadores sometidos a exposiciones sonoras potencialmente peligrosas. La medida de la exposición al ruido puede variar dependiendo de la legislación gubernamental que se aplique. En Estados Unidos, la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) del gobierno federal especifica como indicador un nivel de presión sonora continuo equivalente de 8 horas, con ponderación A, basado en la regla de 5 dB descrita en el Capítulo 26. Algunos países emplean el nivel sonoro continuo equivalente de 8 horas basado en la regla de 3 dB, también descrita en el Capítulo 26. Sea cual sea el caso, es adecuado clasificar las exposiciones al ruido de los trabajadores en categorías de 5 dB de increment05 , con el fin de seleccionar los aparatos protectores auditivos adecuados y decidir si su uso será voluntario u obligatorio. Las encuestas sobre sonido también deben medir los niveles de presión sonora con ponderaciones A y C en todas las áreas en que trabajen los empleados, tanto con el propósito de planificar el control del ruido, como para seleccionar los aparatos de protección auditiva. La documentación sobre los niveles sonoros en las distintas áreas de protección también resulta útil para aportar evidencias en las rec1a-

22.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

maciones de compensación de los trabajadores y para verificar los datos obtenidos con dosímetros4 .5 .

Distribución de los datos de la encuesta sobre sonido. Los datos de la encuesta sobre sonido deben ser compartidos con todo el personal de la compañía que requiera esta información. Aunque se recomienda un informe detallado de la encuesta para los archivos permanentes de la compañía, debe distribuirse un resumen para los encargados y todos aquellos implicados en el programa de conservación de la audición. Los hallazgos de la encuesta sobre sonido se emplean para designar áreas de producción y piezas del equipamiento en que se colocarán carteles indicadores que requieran el uso obligatorio de aparatos de protección auditiva. Los supervisores de los departamentos necesitan los resultados para poder responder a las preguntas de los trabajadores. La estimación de la exposición sonora de cada empleado/a debe aparecer en su registro audiométrico para facilitar la revisión del audiograma. Los resultados de la encuesta se explican a los trabajadores durante los programas de formación de manera que comprendan: (1) el grado de ruido peligroso en sus áreas de trabajo o en su categoría laboral, (2) dónde son necesarios los aparatos de protección auditiva y (3) qué trabajadores deben incluirse en el programa de conservación auditiva. Una ayuda visual de utilidad para la formación de los trabajadores es un plano de la planta mostrando las exposiciones sonoras típicas de los trabajadores en las distintas áreas e indicando en qué zonas han de llevarse aparatos de protección auditiva4 .5 • Las encuestas sobre sonido deben repetirse: (1) anualmente o (2) siempre que los cambios en el equipamiento o prácticas productivas puedan aumentar (o reducir) la exposición sonora de los trabajadores lo suficiente como para justificar la inclusión de los trabajadores en el programa de conservación auditiva (o la retirada de él) o modificar los requisitos para el empleo de los aparatos de protección auditiva.

Fase de control técnico y administrativo del ruido Los controles técnico,\' del ruido son modificaciones del equipamiento actual o recién adquirido y/o instalaciones para reducir la exposición sonora de los trabajadores. Los controles administrativos del ruido son planes para reducir las exposiciones sonoras de los trabajadores mediante: (1) reasignación de las tareas laborales y (2) el diseño o compra de equipamiento o instalaciones más silenciosos. El objetivo principal de la fase técnica y administrativa de control del ruido del programa de conservación auditiva es. si es posible y económicamente factible. eliminar las exposiciones sonoras peligrosas de los trabajadores. Sin embargo, consideraciones tecnológicas o el coste impiden la completa eliminación del problema del ruido en muchas situaciones. Por tanto. un objetivo secundario de los controles técnicos del ruido es la reducción significativa de la exposición sonora de los trabajadores, ya que una reducción significativa aumenta la probabilidad de protegerlos adecuadamente contra las pérdidas auditivas inducidas por el ruido a través del uso de aparatos auditivos protectores. La reducción de los niveles de ruido puede lograrse mediante la modificación de

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.5

la maquinaria existente y el empleo de materiales amortiguadores o cerramientos para la maquinaria que reduzcan la radiación del sonido. como se describe en los Capítulos 28 y 40. Para mantener una reducción continuada de las exposiciones sonoras, los tratamientos de control del ruido deben ser prácticos y los operadores han de ser formados en su empleo y mantenimiento. Por contra, si el equipamiento original incluye elementos reductores del ruido, pueden no ser necesarios un mantenimiento inusual o una formación especial de los operadores. Una opción administrativa eficaz para el control del ruido, sobre la que se pone el énfasis en algunas regulaciones gubernamentalesÓ , es que la dirección introduzca un plan para sustituir progresivamente el equipamiento obsoleto por una maquinaria más silenciosa. Al especificar la emisión sonora máxima de la nueva maquinaria. la dirección transfiere la responsabilidad del control del ruido al fabricante del equipamiento. Otras opciones de control administrativo incluyen modificaciones en los horarios de trabajo de los empleados yen las tareas. para distribuir las exposiciones peligrosas entre más trabajadores. dando como resultado un menor riesgo de daño auditivo para muchos trabajadores en lugar de un riesgo elevado para unos pocos. Para desarrollar los planes técnicos y administrativos adecuados de control del ruido. hay que identificar las fuentes sonoras dominantes que contribuyan más significativamente a las exposiciones sonoras de los trabajadores. Por ello, se solicita la cooperación de mecánicos y operadores de la maquinaria con experiencia al planificar y llevar a cabo encuestas para controlar el ruido, con el fin de obtener información acerca de las contribuciones al ruido de las distintas partes del equipamiento. También se determina el número de trabajadores cuyas exposiciones están afectadas por las distintas piezas del equipamiento. Una vez identificadas las fuentes dominantes. las prioridades para su control pueden basarse en: (1) ser factibles. (2) la reducción anticipada de las exposiciones sonoras de los trabajadores y (3) el programa para reemplazar el equipamiento por unidades más silenciosas. Es necesario el mantenimiento regular de los controles de ruido para asegurar que la reducción conseguida no se pierde debido a negligencias.

Fase de formación

La fase de formación de un programa de conservación auditiva aporta a todos los trabajadores expuestos al ruido y sus directivos y supervisores una formación en profundidad acerca de los riesgos de daños auditivos inducidos por el ruido y de sus responsabilidades en el programa de conservación auditiva. así como información motivante para inducirles a participar activamente en el mism0 7 . Allí donde las exposiciones sonoras hayan sido reducidas a niveles no peligrosos. hace falta la formación de los trabajadores para enseñar a los operadores y personal de mantenimiento cómo usar y mantener las aplicaciones para controlar el ruido. Allí donde existe ruido peligroso. el programa de formación debe incluir también información sobre cómo ajustar y llevar los aparatos protectores de la audición adecuadamente. así como los detalles acerca del propósito y los procedimientos de la fase de evaluación audiométrica. Por lo general. la fase de formación suele incluir presentaciones anuales a gru-

22.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

pos pequeños de trabajadores y su supervisor de un área de producción determinada, con el fin de hacer hincapié sobre los hechos básicos de la pérdida auditiva inducida por el ruido: cómo se desarrolla, cómo se añade a la inevitable pérdida auditiva relacionada con la edad y cómo puede reducirse el riesgo mediante la utilización adecuada de los aparatos de protección auditiva y controles del ruido. La persona expuesta al ruido tiene que entender cómo degradaría la pérdida auditiva su calidad de vida, causando: (1) problemas de comunicación, (2) aislamiento social de los familiares y amigos, (3) pérdida del disfrute de la música y otras actividades de ocio y (4) pérdida potencial de promoción y oportunidades laborales. Un representante de la dirección debe verbalizar el compromiso de la compañía frente a la conservación de la audición, y destacar las políticas específicas de la planta, tales como uso obligatorio de aparatos de protección auditiva en las áreas designadas. Existen fuentes disponibles que describen en detalle los programas de formación 7. 9 • Se pueden comprar cuadernillos para su distribución entre los trabajadores con el fin de ayudarles a recordar los hechos más importantes acerca de la protección de su audición 10.11. El personal que lleva a cabo las distintas fases del programa de conservación auditiva precisa una formación más profunda acerca de todos los aspectos del programa. Al efectuar las tareas, tales como realizar audiogramas a los trabajadores y proveerles de aparatos de protección auditiva, este personal tiene que poseer el conocimiento suficiente como para responder a sus preguntas y motivarles para proteger su audición.

Fase de protección auditiva

Allí donde no puedan eliminarse las exposiciones peligrosas al ruido mediante controles técnicos o administrativos, los aparatos de protección auditiva serán el mecanismo principal para reducir la exposición sonora de los trabajadores hasta niveles seguros. Estos aparatos (tapones, auriculares amortiguadores, semiinserciones) se describen en el Capítulo 21. Capa tipo ha de adaptarse al usuario particular, ya que las variaciones anatómicas impiden un aparato de «ajuste universal». La protección lograda por el empleado depende de la utilización adecuada de un aparato bien ajustado que sea cómodo y práctico para el ambiente de trabajo y las tareas del usuario. Dado que las personas difieren en sus preferencias así como en su anatomía, la compañía debe almacenar una selección de aparatos adecuados para lograr una correcta protección. Tal y como se indica en el Capítulo 21. los valores de atenuación etiquetados por los fabricantes representan medidas de laboratorio que no pueden lograrse en ambientes laborales cotidianos. La dirección debe seleccionar los aparatos de protección auditiva que proporcionen una adecuada reducción del ruido. incluso cuando ofrezcan sólo la mitad de la atenuación etiquetada. Las investigaciones acerca de cómo se utilizan realmente los aparatos de protección auditiva en los lugares de trabajo indican que sólo con tapones de espuma y con auriculares amortiguadores el 84 por 100 de los usuarios logra una protección igualo superior a 10 dB (véase Capítulo 21). Para exposiciones sonoras que requieran una protección superior a

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.7

10 dB, hay que seleccionar aparatos de protección auditiva que hayan demostrado lograr la atenuación precisa bajo condiciones reales de trabajo. Dado que la protección lograda depende de la utilización consistente y adecuada de aparatos de protección auditiva: 1. El usuario ha de ser cuidadosamente entrenado acerca de cómo utilizar los

aparatos y comprender por qué es tan importante emplearlos de forma regular. 2. Es esencial la reposición regular de aparatos gastados o estropeados. 3. El personal que ajusta, reparte y sustituye los aparatos debe estar formado para ejecutar bien estas importantes tareas. 4. Los supervisores que imponen el uso correcto de los aparatos han de controlar meticulosamente su utilización.

Fase de control audiométrico

La fase de control audiométrico incluye la medición periódica de los umbrales de audición de los trabajadores expuestos al ruido y la evaluación de los resultados para: 1. Detectar los cambios auditivos que puedan indicar la necesidad de mayor protección contra el ruido. 2. Identificar a los trabajadores cuyas limitaciones auditivas preexistentes aconsejen consideraciones especiales respecto al puesto de trabajo o la selección de aparatos de protección auditiva apropiados. 3. Detectar las características auditivas o cambios auditivos que sugieran condiciones patológicas no relacionadas con la exposición al ruido. 4. Aportar información respecto a tendencias auditivas y nivel de protección para el total del grupo de trabajadores expuestos al ruido, tal y como determine el análisis de las bases de datos audiométricos 13 (descrito más adelante en este capítulo).

Como describe el Capítulo 19, se debe obtener un audiograma de referencia (línea base) para cada empleado antes de asignarle a un área de trabajo ruidosa. Los audiogramas anuales para controlar los cambios en la audición de los trabajadores deben realizarse durante el curso del turno de trabajo, no antes de que comience, de forma que los resultados muestren cualquier desplazamiento temporal del umbral producido por un uso inadecuado de los aparatos de protección auditiva. Si los diagramas anuales se realizan antes de la exposición diaria al ruido, podrían documentar simplemente la lenta progresión de la pérdida permanente y no podrían aplicarse las técnicas para el análisis de la base de datos audiométricos que evalúan la eficacia del programa. Después de cada examen audiométrico anual, todos los trabajadores han de recibir información acerca del estado de su audición, tanto verbal (inmediatamente después del audiograma), como por escrito posteriormente4 . 14 • Siempre que se identifique cualquier cambio significativo en la audición. habrá que volver a ajustar el aparato de protección auditiva del empleado y volver a entrenar a éste en su uso

22.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

correcto. Dar a los trabajadores esta información y la atención durante el seguimiento son medios muy eficaces para motivarles a aumentar su nivel de protección dentro y fuera del trabaj 0 7. La habilidad para detectar cambios individuales depende de la adecuada calibración del equipamiento de evaluación audiométrica y del empleo consistente, por parte de los técnicos audiométricos. de instrucciones para los trabajadores y técnicas de evaluación. Si los datos audiométricos son poco fiables carecen de valor, no sólo en la identificación de los desplazamientos del umbral individuales, sino en la evaluación de la eficacia de los distintos aspectos del programa de conservación de la audición mediante el análisis de la base de datos audiométricos1 3 .1 4 , como se ha descrito anteriormente.

CARACTERISTICAS DESEABLES DE LOS PROGRAMAS EFICACES DE CONSERVA CION DE LA AUDICION Las características deseables asociadas con los programas eficaces de conservación de la audición se muestran en la Figura 22.1.

l. La aplicación estricta del uso de los aparatos de protección auditiva tiene que ser una condición para empresarios y trabajadores con exposiciones sonoras peliRro,ms. La mejor forma de establecer este requisito es como parte del énfasis de la dirección en la protección adecuada de la seguridad y la salud para toda la compañía . ., Los aparatos de protección auditiva potencialmente eficaces en la prevención de las pérdidas aucliti\'{Js indl/cidas por el ruido durante el trabajo tienen que estar clisponih/es para todos los trabajadores. El objetivo es promover su utilización mediante la adaptación individual de un aparato que pueda usarse adecuadamente. durante el turno de trabajo. diariamente. La mayoría de los entornos industriales tienen niveles de presión sonora con ponderación A por debajo de 95 dB: por tanto. el ajuste y comodidad de los aparatos de protección auditiva. así como el que éstos resulten de utilidad práctica bajo las condiciones de trabajo. contribuyen más a su potencial eficacia que la capacidad de atenuación definida por el fabricante. Así. los valores de atenuación etiquetados para estos aparatos han de ser. en la mayoría de las ocasiones. secundarios para su aceptación por el usuario 12 . 3. Una persona clave, comprometida con el programa, debe estar presente para motivar el los demás a conceder prioridad a la conservación de la audición l -4 • En la situación ideal. la persona clave tiene la responsabilidad de coordinar todas las fases del programa de conservación auditiva. El puesto de esta persona puede ser muy distinto: podría ser. por ejemplo. ayudante técnico sanitario. técnico audiométrico. encargado de seguridad e higiene. o ingeniero. El currículum individual de la persona es menos importante que su interés sincero por la conservación de la audición y la capacidad para mantenerse en contacto directo con todos los aspectos del programa. La dirección debe dar a esta persona el entrenamiento. responsabilidad y apoyo necesarios para lograr un programa eficaz.

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.9

4. Tiene que existir una comunicación eficaz entre el personal implicado en todas las fases del programa de conservación de la audición. Con demasiada frecuencia, los programas fracasan debido a que las responsahilidades se reparten jerárquicamente, de arriba abajo, entre personas que nunca coordinan sus esfuerzos. Por ejemplo, la lista de aparatos de protección auditiva aprobada en las directrices de la política de la compañía puede no incluir aquellos que mejor se ajusten al entorno de trabajo local y que son. de hecho. usados en las áreas de producción. Para lograr un esfuerzo coordinado, hay que establecer un calendario de reuniones habituales para una comunicación abierta.

PERSONAL IMPLICADO EN EL PROGRAMA Como muestra la Figura 22.1, el personal implicado en el programa incluye, al menos en cierta medida, varios niveles de la jerarquía de la compañía. aunque no pasen una cantidad significativa de tiempo en áreas de ruido peligroso. Todos los ejecutivos han de estar informados de la normativa del programa de conservación de la audición, y sentirse motivados para demostrar su apoyo. Por ejemplo. los ejecutivos deben usar aparatos de protección auditiva siempre que entren en áreas de ruido elevado. El agente de compra de la compañía tiene que estar familiarizado con el programa de conservación auditiva de manera que no sustituya un determinado aparato más caro, que los usuarios encuentran más cóm~o y útil, por otro parecido más barato.

INFLUENCIAS EXTERNAS En la Figura 22.1 se muestra una lista de varios tipos de influencias que pueden afectar a la implantación o eficacia de los programas de conservación de la audición. El personal de éstos puede tener que educar a los consultores médicos o audiológicos acerca de los peligros del ruido de la planta y la política de la compañía al establecer un programa eficaz de conservación de la audición y satisfacer los requisitos normativos. Cuando las exposiciones al ruido fuera del trabajo amenacen la audición de los trahajadores, éstos pueden ofrecer entrenamiento acerca de aparatos de protección auditiva a grupos de ocio (por ejemplo. c1uhs de tiro al blanco o trabajos con madera) con el fin de mejorar el grado de protección de los trahajadores. La patronal no puede prevenir la pérdida auditiva inducida por el ruido mediante esfuerzos in situ si los trabajadores no se protegen a sí mismos contra las exposiciones potencialmente dañinas en la comunidad: por tanto, los trabajadores necesitan información acerca del grado de peligro de las fuentes de ruido ajenas al trabajo. tales como maquinaria de granjas o equipos para el cuidado del césped. Dado que los aparatos de protección auditiva no suelen estar fácilmente disponibles para adquisición de los consumidores individuales, la dirección puede proporcionarlos para su empleo en el hogar.

22.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

PROBLEMAS FRECUENTES EN LOS PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

En contraste con el programa ideal de conservación de la audición expuesto en la Figura 22.1, los programas reales exhiben a menudo las siguientes deficiencias 15 :

1. Comunicación y cooperación inadecuadas: En muchos programas de conservación de la audición existe una ruptura de la comunicación entre el personal de la planta local implicado en las distintas fases del mismo, así como entre el personal de la planta y el de la sede central de la empresa ubicada en otro sitio. Esta ruptura se produce cuando no hay nadie que supervise el programa completo de conservación auditiva y se permite que el personal de cada fase actúe de manera independiente. La solución requiere: (1) dar la responsabilidad global a una persona clave y (2) establecer un calendario de reuniones regulares donde el personal que aplica las fases del programa pueda intercambiar información y coordinar sus esfuerzos 7 . 2. Decisiones basadas sobre conocimiento insuficiente o información errónea. A menudo, el personal de los programas de conservación de la audición malinterpreta los requisitos normativos y o bien carece de la información básica, o bien malinterpreta los datos acerca de la protección de los trabajadores frente al daño auditivo inducido por el ruido. A menudo, confía en consultores externos, o incluso distribuidores de productos (como los vendedores de los equipos de seguridad), para recibir el único conocimiento que poseen acerca de la conservación auditiva. Por ejemplo, muchas personas creen las afirmaciones de los vendedores acerca de que ciertos aparatos de protección auditiva son protectores «de ajuste universal» que se adaptan a todas las personas. Cuando el personal de la compañía está mal informado. puede gastar fondos en aparatos protectores que no resultan prácticos o en controles del ruido que no reducen significativamente las exposiciones cotidianas. Puede contratar un control audiométrico realizado por servicios de evaluación móviles, sin planificar que un miembro del personal haga un seguimiento de los trabajadores que muestran cambios en los umbrales auditivos. Puede intentar satisfacer los requisitos de formación (sin lograr el deseado impacto) mediante la simple proyección de una película, sin presentar ningún ponente que narre los peligros de la pérdida de audición debida al ruido de la planta local, sin señalar la responsabilidad de los trabajadores en el programa de conservación auditiva o sin responder a sus preguntas respecto de los distintos aspectos del programa. Cuando se intenta reducir el ruido peligroso mediante controles técnicos, los especialistas han de determinar si la dirección precisa formación adicional o si previamente ha estado mal informada. Incluso los consultores de control del ruido pueden contribuir al problema de la desinformación. si existe negligencia a la hora de informar a la dirección acerca de las interpretaciones de la normativa actualizada (por ejemplo. directrices administrativas que limitan la obligatoriedad de los controles técnicos del ruido), si oscurecen la reducción de la exposición de los trabajadores que se obtiene a partir de los controles del ruido, o si presentan estimaciones infladas de la potencial amenaza de responsabilidades frente a las compensaciones de los trabajadores por pérdida de audición de origen laboral. El fallo de la dirección a

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.11

la hora de discernir la información falsa ha dado como resultado gastos innecesarios en actividades de control del ruido que no eran necesarias o adecuadas. 3. Excesiva confianza en los datos sobre atenuación del laboratorio al seleccionar los aparatos de protección auditiva: En muchas plantas, el personal de la compañía elige un aparato de protección auditiva en vez de otro porque su tasa de reducción del ruido (NRR) es 1 dB más alta. La atenuación estimada para aparatos en el uso cotidiano ni siquiera emplea la misma escala que la atenuación para datos de laboratorio con los mismos aparatos (Capítulo 21). Los aparatos de mayor atenuación no son necesarios en ambientes de ruido bajo y pueden resultar menos aceptables para los trabajadores, sobre todo para quienes tienen pérdida auditiva, que los aparatos de atenuación moderada. Cuando la dirección cree erróneamente que los datos de elevada atenuación en el laboratorio suministrados por el fabricante reflejan la actuación real de los aparatos de protección au~itiva en el lugar de trabajo, es menos probable que considere la implantación de opciones de control del ruido. 4. Selección inadecuada o inapropiada de los aparatos de protección auditiva: Muchas plantas de fabricación ofrecen tan pocas opciones en tipos y estilos de aparatos de protección auditiva que no pueden proveer adecuadamente a todos los trabajadores con la atenuación apropiada. la comodidad y utilización práctica en el entorno laboral. Debe haber disponibles. al menos, dos tipos de tapones y un tipo de amortiguador para los oídos; aunque son preferibles tres tapones, dos amortiguadores y un aparato de semiinserción l2 .

5. Entrenamiento inadecuado de quienes ajustan. reparten y utilizan los aparatos de protección auditiva: En muchos entornos industriales, los aparatos de protección auditiva son repartidos y sustituidos por personal, como supervisores laborales o ayudantes de los almacenes de herramientas, que no poseen entrenamiento en sanidad ni seguridad. Todo el personal implicado en la fase de protección auditiva precisa formación acerca de los factores que determinan si se está logrando la protección adecuada, así como entrenamiento para la correcta adaptación, uso, cuidado y sustitución regular de los aparatos de protección auditiva? 6. Uso inadecuado de los datos audiométricos: En la mayoría de los programas de conservación auditiva, los resultados de los audiogramas anuales de los trabajadores no se utilizan para motivarles a proteger su propia audición I4 . 15 . Todos los trabajadores debieran recibir anualmente los resultados de su audiograma e información sobre: (1) la comparación de su estado auditivo actual con la media de los demás trabajadores de la misma edad. sexo y raza. y (2) la comparación de los actuales umbrales de audición con los resultados de sus audiogramas previos. Si se felicita a los trabajadores con audición estable (si usan aparatos de protección auditiva) y se avisa a quienes comienzan a mostrar cambios en la audición, ambos grupos se sentirán motivados para participar activamente en la conservación de su propia audición.

22.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

IMPLICACIONES PARA LA IMPLANTACION DEL PROGRAMA 1. No existen directrices escritas aplicables a todos los programas de conservación auditiva. Los programas de conservación auditiva en distintas ubicaciones deben adaptarse para satisfacer las necesidades y características locales. Industrias con equipamiento y niveles sonoros muy parecidos pueden diferir en sus enfoques para reducir las exposiciones de los trabajadores debido a las actitudes del personal. En una planta, los trabajadores pueden preferir que las exposiciones sonoras sean limitadas mediante controles técnicos del ruido y cambios administrativos en los horarios laborales; en otra. los trabajadores se resisten a estas opciones y prefieren confiar en los aparatos de protección auditiva.

2. Ningún experto o profesional es superior en la administración de programas de conservación auditiva industrial. Los programas con éxito no precisan de la atención diaria de los especialistas en control del ruido, audiólogos, consultores, directores médicos, o personal de alto nivel de la compañía como son los altos directivos. Los programas de conservación auditiva con éxito se aplican mejor a través de personas clave de bajo nivel que están en contacto con los trabajadores en las operaciones cotidianas. Los consultores deben compartir su conocimiento con el personal afectado con el fin de mejorar sus capacidades, ya que el personal in situ es esencial para el éxito del programa. Los problemas de conservación de la audición no se resolverán si hay que llamar a un experto para todo tipo de situación. 3. FI personal del programa de conservación de audición debe emplear el sentido común y el enjuiciamiento razonable al evaluar los consejos. A menudo, al discutir la política y procedimientos de los programas de conservación de la audición. el personal responsable de las plantas debe llevar a cabo ciertas acciones, a pesar de sus recelos. basadas en las recomendaciones de los consultores o personal remoto de la propia compañía con mayor autoridad o experiencia. Sin embargo. el personal local con conocimiento de primera mano acerca de las condiciones de la planta suele estar mejor cualificado para juzgar si el consejo experto debe ser ignorado debido a que es incompatible con las limitaciones de las condiciones del lugar de trabajo. 4. La conservación auditiva requiere trahajo en equipo. Implantar un programa de conservación de la audición precisa del esfuerzo en equipo para lograr el éxito. Ninguna fase del programa puede manejarse aisladamente. Dado que las distintas fases son interdependientes. el personal del programa. los consultores y trabajadores afectados deben comunicarse y cooperar para establecer procedimientos prácticos que lograrán y mantendrán la protección adecuada frente al ruido peligroso. Por ejemplo. al planificar los controles técnicos del ruido. hay que obtener opiniones de todos los supervisores y operadores del departamento para crear un cuadro completo del problema del ruido. en lugar de basarse sobre una única fuente de información. Durante las encuestas técnicas sobre sonido y al planificar el diseño de las modificaciones que resulten prácticas en el uso diario. hay que buscar la ayuda de los operadores de maquinaria y del personal de mantenimiento con experiencia. Se comprueba si el diseño resulta práctico sobre una única máquina y se perfecciona sobre la base de los comentarios de los operadores. Antes de instalar el tratamiento mejorado sobre otras máquinas. se debe formar a todos los operadores y

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.13

mecánicos afectados, indicándoles cómo les beneficiará la solución al reducir sus exposiciones al ruido y explicándoles el uso correcto y el cuidado de las modificaciones. Se establece un calendario y financiación para el mantenimiento regular de los tratamientos de control del ruido y la medida sonora periódica que verifique la continuidad de su eficacia. La negligencia en el seguimiento de estos principios de comunicación y coordinación dará como resultado que los tratamientos de control del ruido sean ignorados o destruidos, malgastándose así fondos y causando que la dirección se muestre escéptica acerca de invertir en medidas de control del ruido.

EVALUACION DE LOS PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION Un enfoque para evaluar los programas de conservación de la audición es emplear una lista para asegurarse de que se han satisfecho todos los requisitos y se han logrado todas las cualidades deseadas 2•3 •11 • Uno de estos listados se incluye como Apéndice 22.1. Los listados resultan útiles para evaluar la totalidad de un programa, pero no pueden calibrar su eficacia en la prevención de la pérdida auditiva laboral. La única medida directa de la eficacia de un programa de conservación auditiva es el análisis de la base de datos audiométricos, que es la colección de todos los registros audiométricos de los trabajadores expuestos al ruido. Los resultados de los audiogramas anuales de estos trabajadores están disponibles y deben explotarse para determinar si son necesarias mejoras en el programa o si los trabajadores están siendo adecuadamente protegidos. El análisis de la base de datos audiométricos consiste en la aplicación de procedimientos estadísticos (descritos en el siguiente apartado) a los datos del umbral de audición de los trabajadores expuestos al ruido durante un período de tiempo definido, con el fin de evaluar las tendencias auditivas y la variación de las medidas de los umbrales como indicación de si el grado de protección que reciben los trabajadores es adecuadol1·I~. Un programa eficaz de conservación de la audición proporciona a los trabajadores la protección suficiente frente a las exposiciones al ruido durante el trahajo. de manera que los desplazamientos en los niveles de los umbrales auditivos a lo largo del tiempo no sean distintos a los encontrados en una población de control convenientemente asimilada I3 .1I'. La población de control adecuada tiene que tener todas las características relevantes y riesgos auditivos de la población de trabajadores expuesta al ruido. salvo en lo que respecta a la exposición durante el trabajo en sí I7 .IH .

Procedimientos para el análisis de la base de datos audiométricos

Existes varios procedimientos disponibles para el análisis de la base de datos audiométricosl 5 .1 9 basados en el grado de variabilidad de las medidas de los niveles del umbral de audición para comparaciones de pruebas secuenciales (comparar un audiograma anual con el siguiente). Para lograr un nivel de variabilidad bajo en los umbrales medidos en los sucesivos audiogramas anuales. el programa de conserva-

22.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ción auditiva debe aportar la protección adecuada frente al ruido. Estos procedimientos de análisis se basan en el uso de la variabilidad en los niveles de los umbrales auditivos para indicar no sólo desplazamientos permanentes en los umbrales inducidos por el ruido, sino también desplazamientos temporales en los umbrales; por tanto, pueden aplicarse sólo si la prueba audiométrica anual de los trabajadores se realiza durante sus turnos habituales de trabajo, no antes de la exposición diaria al ruido. Si los aparatos de protección auditiva o los controles técnicos y administrativos utilizados para proteger a los trabajadores son eficaces, la variabilidad de los niveles de los umbrales auditivos de la población expuesta al ruido debe ser equivalente a la del grupo de control no expuesto al ruido. Los procedimientos de análisis de la base de datos audiométricos de aplicación más simple son dos porcentajes que se derivan de las comparaciones de los audiogramas secuenciales anuales (tales como Prueba 1 a Prueba 2 y Prueba 2 a Prueba 3): l. Porcentaje de la peor secuencia: El porcentaje de trabajadores que muestran un desplazamiento en el umbral auditivo de 15 dB o más hacia una audición peor en cualquier frecuencia de prueba (de 500 a 6000 Hz), en cualquier oído, en una comparación entre dos audiogramas anuales secuenciales. 2. Porcentaje de la mejor o la peor secuencia: El porcentaje de trabajadores que muestran un desplazamiento en el umbral auditivo de 15 dB o más, ya sea hacia una audición mejor o hacia peor audición, en cualquier frecuencia de prueba (de 500 a 6000 Hz), en cualquier oído, en una comparación entre dos audiogramas anuales secuenciales.

Aplicación de procedimientos para el análisis de la base de datos audiométricos

Antes de aplicar los procedimientos de análisis de la base de datos audiométricos, ésta ha de limitarse a los registros de aquellos trabajadores que muestran el mismo número mínimo de audiogramas anuales y cuyo último audiograma fuera realizado durante el año cronológico más reciente (por ejemplo. todos los trabajadores que tienen al menos ocho audiogramas, siendo el último de 1992). Entonces, los ocho audiogramas más recientes de este grupo restringido son renumerados como Pruebas 1 a 8 para el análisis. Después de este proceso de selección de los registros, los procedimientos se aplican a la base de datos restringida de la siguiente manera: l. Porcentaje de la peor secuencia: Para cada comparación de pruebas secuenciales que se desee (tales como Prueba 1 a Prueba 2, o Prueba 5 a Prueba 6). se cuenta el número de trabajadores que muestran un desplazamiento del umbral auditivo de 15 dB o más hacia una audición peor, en cualquier frecuencia de la prueba audiométrica entre 500 y 6000 Hz, en cualquier oído. Se divide esta suma entre el número total de trabajadores de la base de datos restringida y se multiplica por 100 para obtener el porcentaje. 2. Porcentaje de la mejor o la peor secuencia: Para cada comparación de pruebas secuenciales que se desee (tales como Prueba 1 a Prueba 2, o Prueba 5 a Prueba 6), se cuenta el número de trabajadores que muestran un desplaza-

22.15

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

miento en el umbral auditivo de 15 dB o más hacia una audición mejor o peor, en cualquier frecuencia de la prueba audiométrica entre 500 y 6000 Hz. en cualquier oído. Se divide esta suma entre el número total de trabajadores de la base de datos restringida y se multiplica por lOO para obtener el porcentaje. Nótese que un trabajador puede mostrar desplazamientos del umbral por encima del criterio de 15 dB en una o más frecuencias, en uno o ambos oídos, pero a este trabajador sólo se le cuenta una vez para el porcentaje final. Una vez que se han obtenido los valores de los porcentajes para la mejor secuencia y para la mejor o peor secuencia, se juzga la eficacia del programa de conservación auditiva comparando los resultados con los especificados para el criterio presentado en la Tabla 22.1. Hay que destacar que el procedimiento del porcentaje para la mejor o la peor secuencia se usa para evaluar la eficacia del programa sólo para pruebas audiométricas posteriores a la prueba 4. Si los valores obtenidos para los procedimientos empleados se sitúan dentro del rango de un criterio (aceptable. marginal, o inaceptable) para todas las comparaciones de pruebas secuenciales disponibles, la eficacia del programa de conservación auditiva puede clasificarse claramente. Sin embargo, si los resultados de las distintas comparaciones de las pruebas secuenciales se sitúan dentro de los rangos de distintos criterios, habrá que juzgar que la eficacia del programa se extiende sobre los dos rangos implicados (de inaceptable a marginal, o de marginal a aceptable). Junto con la aplicación de los procedimientos para analizar la base de datos auditivos, se recomienda calcular y hacer gráficas de los niveles medios de los umbrales de audición para la población restringida de cada audiograma, con y sin una corrección de edad. Una población de referencia adecuada para usarla en la ponderación por edades es una base de datos no filtrada que se aproxime en cuanto a grado de exposición al ruido no ocupacional (militares y ocio) y con la misma incidencia de patología otológica y otros efectos contaminantes tal y como sucede en la población de trabajadores, pero sin la exposición al ruido durante el trabajo 17.1H. TABLA 22.1. Rangos de criterios para evaluar la eficacia de los programas de conservación auditiva Basado sobre los resultados de dos procedimientos para el análisis de la base de datos audiométricos: El procedimiento del porcentaje de la peor secuencia (% p.) aplicado a las comparaciones de las Pruebas 1-2, 2-3, 3-4 Y 5-6 o pruebas secuenciales posteriores; y el procedimiento del porcentaje de la mejor o peor secuencia (% MP.) aplicado a las comparaciones de las pruebas 5-6 o secuencias posteriores

Evaluadón del programa de conservadón auditiva

Aceptable Marginal Inaceptable

Compandones sec:uendales plll'll \as cuatro primeras pruebu (1-2, 2-3 Y 3-4)

Comparadones sec:uendales para III!i últimll!i pruebas (S-ti, 6-7, 7-8, etc.)

%P,

%P.

%MP.

<20

<17 17 a 27 >27

<26 26 a 40 >40

20 a 30

>30

22.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Si los resultados del análisis de la base de datos audiométricos indican que el programa de conservación de la audición es ineficaz, no implica necesariamente que los trabajadores estén desarrollando pérdidas auditivas inducidas por el ruido durante el trabajo. Los procedimientos audiométricos con controles deficientes (calibración, niveles de fondo, o métodos de evaluación) pueden producir una elevada variabilidad en los datos audiométricos. Estos problemas hacen que el programa aparezca como ineficaz porque los auténticos cambios en la audición de los trabajadores pueden no ser detectables, o pueden indicarse falsas pérdidas auditivas inducidas por el ruido, cuando, en realidad, datos audiométricos poco fiables son la fuente del problema!.l. Si los datos audiométricos son de escasa fiabilidad debido a deficiencias procedimentales, los problemas deben corregirse o explicarse antes de que los datos se empleen para comparar la protección lograda en los distintos departamentos, para evaluar los distintos componentes del programa, tales como la calificación de los distintos aparatos de protección, o para determinar la eficacia de las distintas aplicaciones de control del ruido. Cuando el personal de conservación de la audición no detecta problemas en la calibración audiométrica o procedimientos de evaluación y, a continuación, llevan a cabo acciones sobre la base de los desplazamientos auditivos erróneos, el programa de conservación de la audición pierde credibilidad.

Beneficios del análisis de la base de datos audiométricos

l. Jnformar a la dirección si son necesarias mejoras en el programa de conservación de la alldicián. En muchos casos, la dirección de la compañía asume que si se establece un programa de conservación de la audición que satisfaga todos los requisitos de la normativa vigente, los trabajadores estarán automáticamente protegidos frente al desarrollo de pérdidas auditivas laborales y la compañía quedará protegida de su responsabilidad de compensación a los trabajadores. Desafortunadamente, muchos programas que cumplen la normativa son ineficaces. Cuando un programa no previene la pérdida auditiva, la compañía incurre en una gasto significativo para implementar el programa sin obtener ninguno de los beneficios deseados. Sin embargo, a través del análisis de la base de datos audiométricos, la dirección puede determinar la eficacia del programa e implantar cambios si son necesarios para mejorar el nivel de protección de los trabajadores. Consideremos el caso del trabajador que es contratado y ubicado en el programa de conservación de la audición de la compañía. Si el personal del programa debe esperar hasta que el trabajador desarrolle cierta cantidad predefinida de desplazamiento persistente en el umbral auditivo antes de percibir ninguna indicación de ineficacia por parte del programa, será difícil justificar el coste de una audiometría que meramente documenta la progresión de la pérdida auditiva. Sin embargo, si los procedimientos de análisis de la base de datos audiométricos se emplean para detectar y corregir los problemas del programa tempranamente en el historial de exposición al ruido del trabajador. la fase de control audiométrico del programa de conservación de la audición se convierte en una poderosa herramienta en la prevención de pérdidas significativas de la audición inducidas por el ruido 'H'.

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.17

2. Seleccionar y evaluar los proyectos de control del ruido. La dirección puede utilizar la información generada por el análisis de la base de datos audiométricos para ayudar a establecer prioridades en los proyectos de control del ruido. Dado que los fondos para control del ruido suelen estar limitados, es importante llevar a cabo aquellos proyectos que aporten mayor reducción de los riesgos inducidos por el ruido. Si el análisis de la base de datos audiométricos para distintas áreas de trabajo indica un mayor riesgo de desarrollo de pérdidas auditivas entre los trabajadores de ciertas áreas, los proyectos de control del ruido para estas áreas aportarán mayores beneficios que aquéllos para áreas donde los trabajadores están adecuadamente protegidos. En los años que siguen al establecimiento de un programa de control del ruido, si la exposición al ruido ha sido reducida significativamente, los resultados de la base de datos audiométricos deben confirmar la reducción del riesgo de pérdidas auditivas. 3. Aportar contenidos para las actividades de formación y motivación. Cuando el análisis de la base de datos audiométricos incluye una comparación de los grupos de trabajadores clasificados por categorías laborales y/o áreas de producción, estos resultados pueden emplearse en las actividades formativas y de motivación de la compañía: (1) para premiar a los departamentos donde los trabajadores utilizan adecuadamente los aparatos de protección auditiva y los tratamientos de control del ruido, (2) para estimular un cumplimiento mejor en otros departamentos y (3) para evaluar la ejecución de los supervisores en la implantación de los requisitos del programa de conservación de la audición.

Toma de decisiones empleando los resultados del análisis de la base de datos audiométricos

El personal del programa de conservación a menudo pregunta si los tipos de aparatos de protección auditiva que usan los trabajadores proporcionan una atenuación adecuada en su uso real. En la Figura 22.2 se presentan los datos del mejor o peor porcentaje secuencial a lo largo de las tres comparaciones secuenciales más recientes para grupos de trabajadores en cuatro rangos distintos de exposición al ruido, indicados mediante sus exposiciones medias de 8 horas OSHA (TWAs). Sólo los trabajadores con TW A iguales o superiores a 90 dB(A) utilizaban aparatos de protección auditiva. Los valores del porcentaje de la secuencia mejor o peor aumentan a medida que lo hace la exposición al ruido para quienes no emplean los aparatos de protección de la audición, pero el grupo protegido con TW A iguales o superiores a 90 dB(A) [el TWA típico fue 97dB(A)] exhibe aproximadamente el mismo nivel de variabilidad que el grupo no expuesto al ruido. Por tanto, se juzga que los trabajadores con las exposiciones más elevadas al ruido de esta planta están adecuadamente protegidos, ya que los resultados del porcentaje de la secuencia mejor o peor para este grupo: (1) no están por encima de los del grupo no expuesto al ruido y (2) están dentro del rango aceptable presentado en la Tabla 22. J. Sin embargo, los resultados del porcentaje de la secuencia mejor o peor indican sólo una eficacia marginal para el grupo de trabajadores con TWA de 85 a 89 dB( A) que no utilizaron aparatos de protección auditiva. Estos resultados del análisis de la base

22.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

100 90 80 70 Inaceptable

.2

60

"tJ C1l

::2 50

a..'"

::2 ':!i: o

40 Marginal

30

..--~---~---

20

-----~

Acee!!ble

1--

1-- 1--

10 O ~

75

80-84

85-89

~

90

TWA,dB (Al

FIGURA 22.2. El valor del porcentaje medio de la mejor o peor secuencia (% MP.) para las comparaciones secuenciales de los audiogramas anuales 5-8 para subgrupos expuestos de una población industrial expuesta al ruido, muestra variabilidad creciente con el nivel de exposición al ruido salvo en el subgrupo con exposiciones medias al ruido con ponderación temporal (TWA) por encima de 90 dB(A), que utilizaron aparatos de protección auditiva.

de datos audiométricos confirmaron la adecuación de los aparatos en uso e indicaron que la dirección debía considerar mejorar la protección del grupo menos expuesto al ruido, imponiendo el uso de aparatos de protección auditiva para los trabajadores con TW A de 85 a 89 dB(A). Los datos presentados en la Figura 22.3 ilustran cómo los hallazgos del análisis de la base de datos audiométricos pueden discriminar el grado relativo de protección lograda por los trabajadores ~ue usan tres tipos distintos de aparatos de protección auditiva. En esta situación o, el empresario estaba preocupado por la adecuación de dos tipos de tapones para los oídos y unos auriculares utilizados por los trabajadores en un área de producción donde la exposición media al ruido con ponderación temporal OS HA (TW A) era de 107 dB(A). Los resultados del procedimiento de la mejor o peor secuencia durante las tres últimas comparaciones secuenciales para los tres grupos de usuarios indicaron una cIara ordenación de rangos de la atenuación lograda con los tres aparatos de protección auditiva. La jerarquía global relativa de la adecuación de los tres aparatos era la misma que la obtenida en un

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

100

22.19

.-----------------------------~--~

80

Inaceptable

.2 60 "O Q)

:::?!

'"

el.

:::?! 40

#20

O A

B

C

Aparato de protección auditiva

FIGURA 22.3. Una ordenación comparativa de la eficacia de tres aparatos de protección auditiva en una planta sobre la base de los valores del porcentaje de la mejor o peor secuencia (% MP.) promediados a través de las comparaciones secuenciales de los audiogramas más recientes para los trabajadores que utilizaban tres aparatos de protección auditiva.

laborioso estudio que midió la presencia y cantidad de desplazamientos temporales del umbral desarrollados en el curso de los turnos de trabajo de los trabajadores que utilizaban estos tres aparatos de protección de la audición. Otra aplicación del análisis de la base de datos audiométricos es la toma de decisiones prácticas que impliquen el establecimiento de prioridades en los proyectos de control del ruido. En la Figura 22.4 se muestran los resultados de los porcentajes de las secuencias mejor y peor sobre la comparación secuencial de las pruebas más recientes para distintos departamentos de una planta en que la dirección no estaba segura de dónde gastar los fondos destinados al control del ruido. Estos resultados indicaron que la compañía estaba logrando una protección adecuada frente al ruido en el Departamento A, que mostró menor variabilidad que el grupo de control no expuesto. Sin embargo, para los trabajadores en los Departamentos B y E la eficacia del programa de conservación de la audición era marginal, y resultaba inaceptable para los trabajadores en los Departamentos e y D. Sobre la base de esta información (igualados todos los demás factores), las actividades de control del ruido han de iniciarse en el Departamento D, donde la variabilidad audiométrica es mayor.

22.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

100 90 80 Inaceptable

o

70

Ql

60

:o ~ VJ

a..

~ :$? o

50

r--

40 Marainal

30

--

--

10 O

-

Sin ruido

n A

c-

B

-

1-

1-

-

1-

1-

-

1-

1-

-

-

,---

------_!

20

-f-

E

C

D

Grupo de trabajadores

FIGURA 22.4. Los resultados del porcentaje de la mejor o peor secuencia (% MPs ) para un departamento no expuesto al ruido y cinco departamentos expuestos al ruido en una planta, que se utilizaron para seleccionar el departamento en que los controles técnicos del ruido eran más necesarios.

BENEFICIOS DE UN PROGRAMA EFICAZ DE CONSERVACION DE LA AUDICION Los beneficios de un programa eficaz de conservación de la audición para el empresario incluyen: (1) reducción de la responsabilidad frente a demandas potenciales de compensaciones de los trabajadores por pérdidas auditivas laborales; (2) mejor ambiente de trabajo. que conduce a una reducción del absentismo y de los cambios de trabajadores. y (3) mayor versatilidad entre los trabajadores que mantienen buena audición y capacidad para la comunicación4 • Los beneficios de un programa eficaz de conservación de la audición para los trabajadores incluyen: (1) mejor calidad de vida como resultado de una audición y capacidades de comunicación normales: (2) formación acerca de los riesgos para la audición fuera del trabajo contra los cuales debe protegerse la persona. y (3) el valor de chequeo de la salud de las evaluaciones audiométricas al identificar problemas auditivos de causa médica que no están relacionados con la exposición al ruido. Por contra. si el programa de conservación de la audición se administra de manera poco eficaz. el empresario incurre en el mismo gasto o superior. pero no logra ninguno de los beneficios. salvo el del cumplimiento de las normas gubernamentales. La dirección por lo general implanta programas de conservación de la audición debido a los requisitos normativos comentados en el Capítulo 26. Dado que esta normativa no suele especificar criterios objetivos para determinar si el programa de conservación de la audición resulta eficaz en la prevención de pérdidas auditivas inducidas por el ruido durante el trabajo. los empresarios suelen naturalmente asumir

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.21

que satisfacer los requisitos de la legislación es equivalente a tener un programa de conservación de la audición eficaz. La dirección rara vez ejerce el esfuerzo necesario para lograr y mantener un programa eficaz de conservación de la audición, cuando no existe una responsabilidad objetiva acerca del impacto del programa o la eficacia alcanzada. Por tanto, la persona responsable del programa precisa de incentivos adicionales que puedan emplearse para animar a los empresarios a luchar y lograr un programa eficaz de conservación de la audición que prevenga la pérdida auditiva laboral. La siguiente información puede emplearse para justificar el desarrollo de un programa eficaz de conservación de la audición.

Reducción de los costes administrativos

Si se implanta un programa eficaz de conservación de la audición, los trabajadores no suelen desarrollar pérdidas auditivas laborales significativas. Por ello, el personal encargado de la conservación de la audición emplea menos tiempo: (1) solucionando los problemas de los trabajadores, tales como las dificultades para la comunicación cuando utilizan los aparatos de protección auditiva; (2) readaptando aparatos de protección auditiva y reentrenar a los trabajadores debido a desplazamientos de umbral significativos, y (3) en volver a evaluar a los trabajadores cuyos audiogramas muestran desplazamientos del umbral inaceptables. Dado que los trabajadores pierden menos tiempo de trabajo en estas actividades, el coste global administrativo del programa de conservación de la audición se reduce si es eficaz. Por ejemplo, en EE.UU. se requiere un seguimiento específico de los trabajadores que muestran un desplazamiento del umbral normalizado definido por la OSHA (un cambio de 10 dB o más a partir del valor de línea base en la media de los umbrales a 2000, 3000 Y4000 Hz). Debido a la variabilidad inherente de la medida ya las fluctuaciones normales del umbral, aproximadamente el3 o 4 por 100 de los trabajadores pueden superar este criterio todos los años, durante los primeros 8 años de evaluación. En programas de conservación auditiva menos eficaces, la tasa de desplazamiento del umbral normalizado OSHA puede superar el 20 por 100 anualmente. Dado que el coste y tiempo necesarios para hacer un seguimiento de cada trabajador con este desplazamiento son significativos, el establecimiento de un programa eficaz que prevenga estos cambios auditivos conduce a un ahorro a corto plazo en el presupuesto anual del empresario.

Reducción de los costes de compensación a los trabajadores

Establecer un programa eficaz de conservación de la audición proporciona un ahorro a largo plazo al reducir la responsabilidad futura del empresario frente a las reclamaciones de compensación de los trabajadores por la pérdida auditiva laboral. Cuando se inicia un programa eficaz de conservación auditiva, también se produce una reducción inmediata del valor monetario de las compensaciones a los trabajadores actualmente compensables. debido a la mejora de los resultados de las medidas de los umbrales de audición por «efecto de aprendizaje»: a lo largo de las primeras evaluaciones audiométricas de los trabajadores sin experiencia previa en la

22.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

realización de audiogramas, las medidas de los niveles medios de sus umbrales auditivos en muchos casos típicamente mejorarán l9 . En un programa eficaz de conservación de la audición en que se previene la pérdida auditiva inducida por el ruido, el efecto de aprendizaje suele dar como resultado una mejora media de 6 a 8 dB en los umbrales durante los primeros 4 a 6 audiogramas. Esta mejora puede reducir la potencial responsabilidad de compensación actual de la compañía hasta en un 60 por 100. Por contra, en programas de conservación de la audición menos eficaces,la población expuesta mostrará menos mejoras en los umbrales debidas al aprendizaje, o si los programas son ineficaces mostrará un empeoramiento de los umbrales auditivos desde el primer audiograma. La actual responsabilidad de compensación del empresario por las pérdidas auditivas laborales refleja la pérdida auditiva desarrollada por los trabajadores veteranos que han trabajado durante muchos años antes de que se establecieran los programas de conservación de la audición. Un análisis de las 25 bases de datos audiométricos industriales disponibles en el Grupo de Trabajo S12-12 del American National Standards lnstitute muestra que una media del 8,5 por 100 de los trabajadores incluidos en los programas de conservación de la audición eran potencialmente compensables de acuerdo con el método AAO-HNS (AMA 1979) para calcular el porcentaje de limitación auditiva biaural (véase Capítulo 19). Aunque el porcentaje actual de trabajadores potencialmente compensables es mucho mayor en algunas industrias, los programas de conservación de la audición eficaces deben limitar la responsabilidad del empresario a menos del3 por 100 de la mano de obra expuesta al ruido. El ahorro a largo plazo al establecer un programa eficaz es obviamente significativo.

Mejora del balance global de seguridad de la compañía

Después del inicio del programa de conservación de la audición, la incidencia de accidentes durante el trabajo y en los tiempos muertos decrece. En un estudi0 21 , el análisis de la base de datos audiométricos de una planta mostró que la mayor reducción en tasas de accidentes entre las mujeres que entre los hombres estaba correlacionada con el mayor grado de eficacia del programa de conservación auditiva en la protección de las mujeres empleadas. Por tanto, la mejora en el balance de seguridad está relacionada con la eficacia del programa de conservación auditiva. no sólo con su implantación.

Reducción del absentismo y renovación de los trabajadores

Crear un mejor ambiente de trabajo mediante la reducción del nivel de exposición sonora de los trabajadores puede conducir a un ahorro para el empresario en términos de la reducción del absentism022 . El ahorro por la reducción del absentismo puede ser mucho mayor que el ahorro por la reducción de los costes de las compensaciones a los trabajadores por las pérdidas auditivas inducidas por el ruido. La molestia inducida por el ruido (véase Capítulo 23) es un factor que contribuye significativamente al absentismo de los trabajadores. Algunos trabajadores recién

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.23

contratados asignados a tareas ruidosas cancelan su contrato después de un breve período de exposición porque encuentran inaceptables los altos niveles de ruido en el ambiente de trabajo; por tanto, reducir la exposición sonora puede reducir la tasa de renovación de los trabajadores. Además, los trabajadores son más capaces de realizar sus tareas actuales y seguir siendo candidatos para promociones futuras a puestos de más responsabilidad si la pérdida auditiva inducida por el ruido no limita su capacidad de comunicación.

REFERENCIAS 1. L. H. Royster, J. D. Royster y E. H. Berger, «Guidelines for developing an effective hea-

ring conservation program», Sound and Víbration, vol. 16, n.o 5, 1982, pp. 22-25. 2. L. H. Royster y J. D. Royster, «An overview of effective hearing conservation programs», Sound and Vibration, vol. 19, n. ° 2, 1985, pp. 20-23. 3. A. P. Stewart, «The comprehensive hearing conservation program», cap. 12 en D. M. Lipscomb (Ed.), Hearing conservation in industry, schools, and the military, College Hill Publications, Boston, 1988, pp. 203-230. 4. J. D. Royster y L. H. Royster, Hearing conservatíon programs: Practical guidelines Jor success, Lewis Publishers, Inc., Chelsea, Mich., 1990. 5. L. H. Royster, E. H. Berger y J. D. Royster, «Noise surveys and data analysis», cap. 4 en E. H. Berger y col. (Eds.), Noise & hearíng conservation manual, 4." ed., American Industrial Hygiene Association, Akron, Ohio, 1986, pp. 97-176. 6. «Council directive of 12 May 1986 on the protection of workers from the risks related to noise exposure at work», Offic. J. Eur. Commun., n.o L 137/28, Council of the European Communities, 1986, pp. 90-96. 7. L. H. Royster y J. D. Royster, «Education and motivation», cap. 4 en E. H. Berger y col. (Eds.), Noise & hearing conservation manual, 4." ed., American Industrial Hygiene Association, Akron, Ohio, 1986, pp. 383-416. 8. D. C. Gasaway, Hearing conservation: A practical manual and guide, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1985. 9. A. S. Feldman y C. T. Grimes, «Employee training programs in occupational hearing conservation», cap. 8 en A. S. Feldman y C. T. Grimes (Eds.), Hearíng conservation in industry, Williams & Wilkins, Baltimore, 1985, pp. 156-163. 10. E. H. Berger y col., «An earful of sound advice about hearing protection», E-A-R Division of Cabot Corporation, Indianapolis. 1988. 11. N. R. Day, Hearing conservation: A guide to preventing hearing IOH, Krames Communications. Daly City, Calif., 1983. 12. L. H. Royster y J. D. Royster, «Hearing protection devices», cap. 6 en A. S. Feldman y C. T. Grimes (Eds.), Hearing conservation in índustry. Williams & Wilkins, Baltimore, 1985, pp. 103-150. 13. L. H. Royster y J. D. Royster, «Getting started in audiometric data base analysis», Sem. ín Hearing, vol. 9, n.o 4,1988, pp. 325-338. 14. J. D. Royster, «Audiometric evaluations in industrial hearing conservation», Sound and Vibratíon, vol. 19, n.o 5.1985, pp. 24-29. 15. L. H. Royster y J. D. Royster, «Important elements and characteristics of hearing conservation programs and deterrnination of their effectiveness», Envir. Intern., vol. 16, 1990, pp. 339-352. 16. W. Me1nick, «Evaluation of industrial hearing conservation programs: A review and analysis». Amer. Ind. Hyg. Assoc. J., vol. 45. 1984, pp. 459-467.

22.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

17. L. H. Royster y W. G. Thomas. «Age effect hearing levels for a white nonindustrial noise exposed population (NINEP) and their use in evaluating industrial hearing conservation programs». Amer. Ind. Hyg. Assoc. J.. vol. 40. 1979. pp. 504-511. IS. L. H. Royster y col.. «Age cffect hearing le veis for a black nonindustrial noise exposed population (NINEP)>>. Amer. hui. HYE:- Assoc. 1.. vol. 41.1980. pp. 113-119. 19. J. D. Royster y L. H. Royster. «Audiometric data base analysis». cap. 9 en E. H. Berger y col. (Eds.). Noise & hearing conserva/ioll maflllal. 4" ed .. American Industrial Hygiene Association. Akron. Ohio. 19S6. pp. 293-317. 20. L. H. Royster. J. D. Royster y T. F. Cecich. «An evaluation of the effectiveness of three hcaring protection de vices at an industrial facility with a TW A of 107 dB»,J. Acoust. Soco (Ir Amer.. vol. 76. 19S4. pp. 485-497. 21. J. W. Schmidt. L. H. Roystcr y R. G. Pearson. «Impact of industrial hearing conservation program on occupational injuries». SOlllld ami Vibration. vol. 16. n° 5.1983, pp. 16-20. 22. N. A. Ashford. Econolllic impact o[ occlIpa/ioflallloise exposllre reglllations. Center for Policy Alternatives. Massachusetts Institute of Technology. Cambridge. Mass .. 1976.

APENDICE 22.1. AUDITIVA

PUNTOS DEL PROGRAMA DE CONSERVACION

Estos listados para evaluar la totalidad del programa de conservación auditiva están adaptados del libro Hearing conservation programs: Practical guidelines for success4 e impresos con el permiso de Lewis Puhlishers. Inc.

LISTA DE REVISION PARA EL DESARROLLO DE UN PROGRAMA DE CONSERVA CION AUDITIVA (PCA) - Las cinco fases del programa han sido implantadas. - Existe una persona clave encargada del equipo del peA. - Los aparatos de protección auditiva (APA) son potencialmente eficaces en su utilización real. - La utilización de los APA es ohligatoria. - Existe una comunicación activa entre los miemhros del equipo del peA y el personal a todos los niveles.

LISTA DE REVISION PARA FORMACION y MOTIVACION - Los miemhros del equipo n:cihen formación acerca de la pérdida y conservación de la audición para comprender los ohjetivos y la política del pe A. - Los miemhros del equipo del pe A recihen entrenamiento sobre cómo llevar a caho sus funciones (especialmente las relacionadas con la adaptación y utilización de los APA). - Los trahajadores acuden anualmente a programas de formación actualizada que se centran sohre cómo y por qué dehen proteger su propia audición dentro y fuera del trahajo.

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.25

- El personal del peA 10 mantiene vivo entre los trabajadores mediante reuniones informales, al menos, cuatrimestral mente. - La dirección apoya el peA mediante el ejemplo personal (utilizando APA). haciendo que se cumplan las normas y participando en los programas de formación. - Los miembros del personal son evaluados en cuanto a su participación en el peA durante las revisiones anuales del personal de la compañía.

LISTA DE REVISION PARA ENCUESTAS SONORAS - Se determinan las exposiciones al ruido representativas para todas las categorías laborales expuestas. - Se expone un mapa del ruido de la planta para mostrar: 1. Las áreas donde los trabajadores están incluidos en el peA. 2. Las áreas donde es precisa la utilización de APA. - Se ha informado a los trabajadores de la exposición típica al ruido de sus departamentos durante las sesiones de formación. - Se han entregado resúmenes de los resultados de las encuestas sonoras a los miembros del equipo del peA y a los supervisores de los departamentos. - Los TW A de los trabajadores aparecen en sus historiales audiométricos individuales. - Hay disponible para consulta un informe de los resultados de la encuesta sonora.

LISTA DE REVISION PARA CONTROLES DEL RUIDO - Se ha completado una encuesta técnica sobre control del ruido y se ha preparado un informe. - Se han identificado las fuentes principales de producción de ruido. - Se han identificado las piezas del equipamiento que contribuyen al ruido. - Se siguen las especificaciones acerca del ruido en la compra de equipamiento. - Existe un programa de mantenimiento de control del ruido. - El programa de formación cubre los controles técnicos. - La planificación de nuevas instalaciones incluye la consideración del control del ruido. - Se ha documentado la solución de los problemas de ruido simples.

LISTA DE REVISION PARA APARATOS DE PROTECCION AUDITIVA - Se impone. de forma estricta y consistente. la utilización de AP A en las áreas precisas. - Comodidad. utilización práctica y atenuación real (no la tasa de reducción

22.26

-

-

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

del ruido) son los principales criterios para elegir qué APA serán seleccionados. Se adaptan los APA individualmente, para cada empleado, y se les entrena en su adecuado uso y cuidado. Se comprueba el ajuste de todos los APA, incluidos los auriculares y los tapones de talla única para los oídos. Se dispone de un mínimo de dos tapones para los oídos (uno en tallas múltiples) y unos auriculares; preferiblemente, tres tapones, dos auriculares y una semiinserción. Los APA son reemplazados regularmente. El proveedor de APA distribuye sólo el tipo de APA adaptado a cada empleado; para cambiar tipos o tamaños, el empleado debe volver a la persona que los ajusta. Se vuelven a controlar los APA de cada empleado durante la evaluación audiométrica para comprobar el estado, ajuste y correcta colocación por parte del empleado. Se entregan APA a los trabajadores para que se los lleven y los usen durante sus exposiciones al ruido fuera del trabajo.

LISTA DE REVISION PARA EVALUACIONES AUDIOMETRICAS - Los audiómetros están en buenas condiciones de funcionamiento. - No se ajusta la calibración del audiómetro a menos que esté fuera de las tolerancias y, cuando se ajusta, siempre se recogen las lecturas pre y postajuste. - La calibración biológica (sujetos humanos) y los controles de escucha del funcionamiento del equipo se realizan, al menos, semanalmente durante períodos de evaluación regular. - Los técnicos audiométricos emplean métodos consistentes de evaluación bajo la supervisión de un profesional. - Los técnicos instruyen a los trabajadores para que escuchen cuidadosamente y respondan frente al tono más leve que puedan detectar. - La información del historial auditivo de los trabajadores se actualiza anualmente y se facilita al revisor del audiograma. - Los trabajadores reciben información verbal inmediata del técnico audiométrico acerca de los resultados del audiograma en relación con el uso de APA. - Los trabajadores reciben información escrita del revisor del audiograma acerca de: l. Estatus auditivo comparado con la norma para la edad. 2. Desplazamiento del umbral a lo largo del tiempo. 3. Recomendaciones para una mejor protección dentro y fuera del trabajo o para examen y tratamiento médico si fuera apropiado. - El revisor del audiograma busca desplazamientos significativos de umbral en cualquiera de las frecuencias de prueba, no sólo en las especificadas por la OS HA.

PROGRAMAS DE CONSERVACION DE LA AUDICION

22.27

- Los revisores de audiogramas buscan la línea base de los umbrales de referencia de los trabajadores para ver si existe mejora en los umbrales o un empeoramiento persistente. - El personal del peA continúa con una labor de consejería y reentrenamiento en APA para los trabajadores con desplazamientos en la audición.

LISTA DE REVISION PARA EVALUACION DEL PCA - Existe una persona clave supervisando todas las fases del peA. - Los miembros del equipo de peA comprueban que todas las tareas se realizan y documentan. - Los APA son potencialmente eficaces en su uso real. - Se obliga al empleo de AP A. - Se mantiene la comunicación activa entre los miembros del equipo del peA y con todo el personal de todos los niveles de la jerarquía de la compañía. - La dirección sostiene que el personal es responsable del resultado de su peA y concede elogios o críticas cuando son apropiados. - Se usa el análisis de la base de datos audiométricos para evaluar la eficacia del peA en la prevención de las pérdidas auditivas durante el trabajo.

Capítulo

23

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES Sanford Fidell David M. Green INTRODUCCION * La molestia inducida por el ruido se escapa de una definición sucinta. Es una actitud: un proceso mental encubierto con determinantes tanto acústicos como no acústicos. La molestia inducida por el ruido no es una conducta, como podría serlo una queja (que puede o no estar motivada por la molestia); tampoco es una sensación simple e inmediata como la sonoridad, totalmente libre de influencias cognitivas y emocionales. La molestia se diferencia de la sonoridad, que es la magnitud subjetiva del sonido, en varios aspectos: Mientras que la sonoridad de un sonido sostenido es insensible a la duración de la señal más allá de aproximadamente un cuarto de segundo, la molestia es directamente proporcional a su duración. Mientras que la sonoridad está directamente ligada a la exposición que se produce, la molestia por intrusiones múltiples de ruido crece y decrece durante períodos de semanas y meses. Mientras que la sonoridad aumenta monotónicamente con el nivel, la molestia no siempre es una función única del nivel absoluto aislado de una intrusión sonora. De hecho, la molestia generada por las intrusiones ruidosas de bajo nivel (grifos que gotean, rechinar de tiza, pasos en las casas, vehículos motorizados distantes en áreas de recreo exteriores, etc.) está más estrechamente asociada con la audibilidad (relación entre el ancho de banda corregido con el ruido) que con el nivel absoluto .

• Partes del texto de este capítulo recogen textos de las referencias 1-4.

23.1

23.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

La definición de la molestia inducida por el ruido tiende a ser o bien muy amplia, o bien demasiado específica como para resultar útil. La molestia se describe a menudo como una actitud generalizada adversa hacia la exposición al ruido, o, si se define en términos de conducta, se dice que un ruido es molesto si la persona intenta evitarlo. La definición convencional de ruido como «sonido no deseado» también resulta algo vaga, ya que no especifica por quién no es deseado el ruido y por qué razones. La molestia es un fenómeno más complicado que la sonoridad. Está influida por una variedad de factores acústicos y no acústicos. Los factores acústicos incluyen el nivel absoluto, la duración y distribución espectral de la energía sonora, así como sus fluctuaciones. Los factores no acústicos incluyen la adaptación (habituación o sensibilización), grado de implicación en las actividades que se realizan en el momento de la exposición al ruido, actitudes hacia las fuentes de ruido y sus operadores y la predictibilidad y necesidad aparente de las intrusiones ruidosas. Debido en gran medida a que la molestia tiene múltiples determinantes, es más útil describirla en términos probabilísticos. De hecho, la variabilidad es un aspecto tan intrínseco de la relación entre la exposición al ruido y la molestia que esta última sólo puede predecirse de una forma probabilística. Esta variabilidad característica se observa siempre que la molestia se considera en el contexto de intrusiones ruidosas individuales o acumulativas, exposición al ruido a largo plazo y si la molestia se considera como algo individual o como un fenómeno de grupo. El término respuesta de la comunidad (el malestar de grupos de personas expuestas a fuentes de ruido ambientales en zonas residenciales) también carece de un significado preciso. En su sentido más corriente (predominio de las molestias individuales dentro de un área geográfica), el término respuesta de la comunidad es un término equívoco, ya que lo que describe no son los procesos a nivel comunitario. Sin embargo. dado que el fenómeno social colectivamente denominado respuesta de la comunidad puede ser importante política y económicamente, se han adoptado significados amplios del término para su uso habitual. Por ejemplo, la Environmental Protection Agency6 federal se refiere a la respuesta de la comunidad como < puede ir desde absolutamente nada hasta quejas, protestas, debates políticos, litigar, retos normativos. legislación e incluso manifestaciones violentas; esta definición es inútilmente amplia. La aparición de las aeronaves a reacción dio impulso al estudio formal de las molestias inducidas por el ruido. Durante el tiempo transcurrido desde que se iniciaron estos estudios. fundamentalmente prácticos. se ha demostrado que las molestias no se pueden cuantificar directamente en unidades de ingeniería. Esta dificultad de tratamiento ha sido la que ha provocado. en algunos expedientes. la imputación de la molestia a las características físicas de la exposición al ruido. que pueden cuantificarse fácilmente en términos familiares. La ausencia de una teoría ha permitido una proliferación de procedimientos de evaluación dirigidos ostensiblemente a cuantificar la molestia 7 -9 . Muchas de las escalas e índices propuestos para la predicción de la molestia se han basado en poco más que la intuición o el análisis de regresión llevado a cabo sobre conjuntos de datos individuales. Tales medidas no son siempre de utilidad.

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.3

Este capítulo resume varios métodos para medir tanto los efectos inmediatos como a largo plazo de las intrusiones de ruido sobre los individuos y las comunidades. Se describe la métrica adecuada para cada procedimiento de evaluación. Por último, se describen dos métodos para predecir la molestia inducida por el ruido en las comunidades.

NATURALEZA DE LOS INFORMES SOBRE MOLESTIAS DE RESPUESTA DIRECTA Un informe sobre molestias de respuesta directa está compuesto de dos elementos lógicamente independientes: uno directamente unido a la exposición al ruido y otro asociado a la disposición individual a describirse a sí mismo como «molesto en cierta medida». A este último componente se le suele denominar sesgo de la respuesta. Los dos componentes se confunden en informes verbales del tipo «Estoy muy molesto por el sobrevuelo de los aviones», ya que, sobre la base única del informe directo, no hay forma de determinar las contribuciones de los factores relacionados acústicamente versus los componentes del sesgo de respuesta respecto del grado de molestia expresado. Por falta de medios adecuados para distinguir entre los dos componentes, la mayoría de las interpretaciones de los autoinformes sobre las molestias asumen de forma tácita que las contribuciones del sesgo de respuesta a la molestia son despreciables. Dado que los determinantes acústicos y no acústicos de los informes de respuesta directa se confunden en los informes individuales, se desprende que también se mezclan ambos factores en las respuestas de quienes, en un determinado vecindario. se describen a sí mismos como muy molestos por la exposición al ruido. Dos comunidades en las que el 20 por lOO de sus residentes responden sentirse muy molestos pueden, en realidad, soportar muy distintas exposiciones al ruido. Estas diferencias son atribuibles a los distintos sesgos de respuesta entre los residentes. Los grupos de acción ciudadana, la atención política o de los medios de comunicación y otros factores pueden hacer que sea más probable que los residentes de una comunidad silenciosa se describan a sí mismos como muy molestos, incluso con exposiciones relativamente bajas al ruido. Entre los muchos factores no acústicos que pueden afectar las molestias significativas inducidas por el ruido en las comunidades se encuentran: (1) las distintas actitudes hacia las fuentes de ruido y sus operadores (aprobación, miedo, desconfianza. etc.). (2) los niveles socioeconómicos de las personas y (3) la dependencia económica del funcionamiento de las fuentes de ruido. Todas estas influencias se reflejan en el sesgo de respuesta. Por ejemplo. muchas personas en comunidades cohesivas, estables y adineradas compuestas por poblaciones homogéneas, mayores, acaudaladas y bien educadas pueden estar más dispuestas a describirse a sí mismas como molestas por la exposición al ruido que las personas expuestas al mismo ruido en vecindarios con características complementarias a las descritas. En comunidades en las que el predominio de la molestia está fundamentalmente afectado por la exposición al ruido, se puede esperar que la reducción de la exposición conduzca a la reducción de las molestias. En comunidades en que la pre-

23.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ponderancia de la molestia está controlada por factores no acústicos, puede que la reducción del ruido se acompañe de poca o ninguna reducción de la molestia asociada. En algunos casos, la intensidad de la respuesta comunitaria a la exposición al ruido puede incluso ser esencialmente independiente de la exposición. En el caso de las respuestas comunitarias a acciones tales como ubicación de aeropuertos, se han encontrado fuertes reacciones frente a la mera amenaza de la exposición al ruido o frente a aumentos pequeños de la exposición.

EVALUACION DE LA MOLESTIA INMEDIATA DE INTRUSIONES INDIVIDUALES DE RUIDO El método más directo para establecer la molestia causada por una o más señales acústicas es empírico; o sea, pedir a los oyentes que reaccionen sistemáticamente a la presentación de una o más señales. La determinación de la molestia causada por un conjunto de señales acústicas se realiza más rigurosamente en un ambiente de laboratorio en condiciones de escucha de campo libre. Por lo general, se filtra audiométricamente a los sujetos de los estudios sobre molestias realizados en laboratorios hasta una tolerancia del cero audiométrico. También se realizan audiogramas rutinariamente después de terminar la evaluación como parte del proceso de consentimiento informado, requisito de los estudios financiados federalmente. Los procedimientos actuales para llevar a cabo estudios sobre las molestias están muy automatizados, con instrumentación autocalibradora computerizada que utiliza diseños experimentales adaptados y analiza los datos en tiempo real. Los métodos psicofísicos habituales para el establecimiento de la molestia causada por el ruido incluyen: (1) el método de los límites, (2) el método del ajuste y (3) el método de la comparación de pares. Otros métodos psicofísicos que se emplean ocasionalmente en la evaluación de las molestias incluyen la estimación de magnitudes, diferenciales semánticos y otras formas de enjuiciamientos categóricos. y emparejamiento entre modalidades (<
Método de los límites

En un experimento con el método de fas límites. se presentan al sujeto incrementos o descensos continuos de algún parámetro de la señal, por lo general, el nivel sonoro. Se dan instrucciones al sujeto para que se exprese acerca de si la señal ha alcanzado ya un criterio subjetivo que se puede describir en términos de molestia (p. ej .. «esta señal es moderadamente molesta»). El método de los límites es proclive a errores bien conocidos de habituación y anticipación que, a menudo. dan lugar a distintas respuestas. dependiendo de si los datos se obtienen de una secuencia de ensayos ascendente o descendente. Estos efectos se denominan de histéresis y pue-

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.5

den minimizarse mediante la presentación de señales para enjuiciamientos absolutos con niveles seleccionados al azar.

Método del ajuste

En un experimento mediante el método del ajuste, se permite que el sujeto tenga control directo sobre el parámetro de interés de la señal, y se le dan instrucciones para que ajuste su valor al de un criterio subjetivo. Este ajuste es a menudo de naturaleza absoluta, pero también puede lograrse con respecto a una señal de referencia fija. Por ejemplo, el sujeto puede recibir instrucciones de modificar el nivel de una señal de comparación hasta que crea que es tan molesta como un determinado ruido de banda de octava. Existen pocas diferencias entre los tipos de enjuiciamientos que se piden a los sujetos en los procedimientos de los métodos de los límites y del ajuste aparte del control del parámetro de interés de la señal. Ambos métodos suelen precisar del examen de los sujetos para comparar una señal observada con un criterio subjetivo absoluto. Ambos métodos llevan mucho tiempo si se efectúan con el tiempo suficiente como para obtener estimaciones estables del parámetro físico de la señal que es igual al criterio subjetivo; ambos son vulnerables a sesgos y errores bien conocidos y ninguno constituye una tarea particularmente interesante o demandada.

Método de la comparación de pares

En un experimento de comparación de pares, el sujeto hace enjuiciamientos relativos (en vez de absolutos) acerca de cuál de las dos señales posee más (o menos) de cierto atributo de interés. Pares de sonidos (a menudo, una señal de referencia con un nivel constante durante todas las pruebas, por ejemplo, un ruido de banda de octava de frecuencia 1 kHz y una señal de comparación que cambia de nivel durante las pruebas) se presentan durante períodos de observación fijos. Al finalizar el segundo sonido del par, se pide al sujeto que indique cuál de ambos era más (o menos) molesto. En los diseños experimentales de comparación fija de pares, el experimentador intenta elegir los pares de señales adecuadamente, de manera que los enjuiciamientos relativos de la persona sirvan como base para establecer una jerarquía de señales. Hay que tener cuidado al seleccionar las gamas de los niveles de presentación de las señales para evitar una serie de enjuiciamientos en que una señal se prefiera siempre. o nunca. a la otra. Los riesgos de recoger datos de poco interés se reducen notablemente mediante los diseños de comparación variable de pares. en donde el nivel de referencia o señal de comparación se ajusta de acuerdo con las respuestas del oyente. El método de la comparación de pares puede producir información fiable y no sesgada acerca de la molestia relativa producida por todo un conjunto de ruidos. Ofrece una validez que está ausente en los métodos absolutos, ya que los sujetos experimentales tienen la oportunidad de basar sus opiniones en la comparación directa entre sonidos en lugar de hacerlo sobre criterios internos. Los datos obtenidos por el método de comparación de pares suelen ser más consistentes entre distintos

23.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

sujetos experimentales que los producidos por otros métodos. Un error típico de la media de 1 dB o menos puede lograrse mediante la evaluación con comparaciones ajustadas de pares, tras unas 20 pruebas para 20 o 30 sujetos.

METRICA UT/L PARA PREDECIR LA MOLESTIA INMEDIATA DE INTRUSIONES INDIVIDUALES DE RUIDO La molestia relativa producida por un conjunto de ruidos no impulsivos de banda ancha puede predecirse bien sobre la base de sus niveles sonoros con ponderación A. Se han desarrollado muchas medidas para mejorar las correspondientes a una simple ponderación A. Estas medidas incorporan factores correctores de las características de la señal, tales como tonalidad, impulsividad, variación temporal y tasa rápida de inicio. En general, las medidas de nivel sonoro con ponderación A se correlacionan adecuadamente incluso con las medidas más complicadas. El empleo de medidas más elaboradas, tales como la familia métrica de ruido percibido (PNL, EPNL, etc., definidas en el Capítulo 2) desarrolladas con el fin de dar las certificaciones del ruido de aeronaves, sólo son aconsejables para aplicaciones en que las diferencias en décimas de decibelios tengan consecuencia económicas importantes. El nivel sonoro con ponderación A se adoptó inicialmente como un descriptor de las molestias causadas por las intrusiones de ruido individuales, sobre la premisa de que la única parte de la emisión de una fuente de ruido que molesta a la persona es aquella que puede oír. También se han propuesto otras redes de ponderación que se ajusten más estrechamente a la sonoridad de la exposición al ruido a distintos niveles sonoros absolutos. En último término, la ponderación A demostró ser la más simple y robusta, al menos para casos de ruido con un nivel relativamente alto y claramente audibles por encima del ruido ambiental en que se introducen. Para estos casos de ruido, pueden no ser necesarias medidas más elaboradas en la predicción de la molestia relativa de un conjunto de señales. Cuando los sucesos sonoros están dentro de un margen de unos 10 dB de la distribución del ruido ambiental, sin embargo, las predicciones precisas de su molestia requieren la consideración de la relación entre la anchura de banda corregida y la señal de ruido. Los procedimientos para calcular la audibilidad y la molestia de las intrusiones de ruido de bajo nivel se describen en la Referencia 10.

MEDIDA DE LA MOLESTIA A LARGO PLAZO DE LA EXPOSICION AL RUIDO DE UNA COMUNIDAD Aunque las molestias significativas en una comunidad no pueden medirse sin solicitar informes de respuesta directa de las personas acerca de estados mentales encubiertos, esto no implica que la medida de la molestia no pueda lograrse de una forma objetiva. El método habitual para determinar la molestia preponderante en comunidades expuestas al ruido es una encuesta sobre actitudes. Una encuesta social dirigida a solicitar información sobre actitudes acerca de los efectos de la exposición al ruido es una investigación sistemática de la opinión pública sobre la base

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.7

de los informes de respuesta directa de una muestra de los encuestados; por 10 general, con el fin de obtener información de interés duradero, se precisa determinar los porcentajes de la población que experimentan efectos específicos o mantienen ciertas actitudes, y debe acompañarse de un programa de medida de la exposición física. Las encuestas suelen diseñar los informes personales acerca de las molestias por medio de una o más preguntas de la forma «¿Cuán alterado o molesto ha estado usted por el ruido de (fuente de ruido) durante el último (período de tiempo)?». En entrevistas estructuradas, los encuestados están obligados a elegir una entre varias respuestas alternativas, que a menudo incluyen categorías tales como «nada molesto», «ligeramente molesto», «bastante molesto», «muy molesto», «extremadamente molesto». Otros medios empleados a veces para determinar el grado de molestia en los datos de una encuesta sobre actitudes (por ejemplo, mediante la interpretación de respuestas acerca de preguntas sobre interferencia en la actividad o mediante la construcción de elaborados índices compuestos) no suelen ser tan satisfactorios como el cuestionamiento directo. La normalización de las técnicas de encuesta social empleadas en los estudios de actitudes relacionadas con el ruido es escasa. Las encuestas difieren entre sí en (1) el método de entrevista (cara a cara, teléfono, correo), (2) la estrategia de muestreo (al azar, accidental, propositiva, estratificada, de cuadros, independiente, etc.), (3) la longitud y verbalización del cuestionario, (4) las escalas de respuesta, (5) la adecuación de las medidas acústicas, (6) la especificidad de las preguntas acerca del período de tiempo y las fuentes de ruido de interés y (7) el número de lugares de entrevista y de repetición de la misma. La mayoría de los diseños de encuestas sociales asumen implícitamente que la exposición comunitaria al ruido es estática y las actitudes hacia ella están totalmente desarrolladas y son estables en el momento de la entrevista. A pesar de las importantes diferencias procedimentales en la medida de las molestias inducidas por el ruido, el producto último de la evaluación es un conjunto de observaciones emparejadas de los valores medidos (o al menos, estimados) de la exposición al ruido y los porcentajes de los encuestados que se describen a sí mismos como molestos por la exposición en diversos grados. Muchas evaluaciones de la respuesta comunitaria frente a la exposición al ruido se realizan con motivo de proyectos de construcción o cambios operacionales de fuentes significativas de ruido. Por ejemplo, los estudios de impacto ambiental (Capítulo 54) para proyectos financiados por el gobierno que generan ruido (tales como medios de transporte) deben contener una evaluación de los efectos del ruido. De la misma manera, los cambios en la utilización de un aeropuerto que modifican los patrones de exposición de la vecindad próxima implican a menudo la evaluación de la respuesta de la comunidad. Con frecuencia, la controversia rodea las circunstancias de la exposición al ruido, hasta el extremo de que los aspectos políticos, éticos y económicos pueden tener tanto que ver en la decisión acerca de los niveles permisibles de la exposición al ruido como las estimaciones cuantitativas de esta exposición o de la respuesta que genera. Una encuesta social llevada a cabo adecuadamente puede aportar información detallada no sólo acerca de la molestia, sino también acerca de la interferencia en las actividades debida al ruido. La información que puede obtenerse incluye:

23.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

l. 2. 3. 4. 5.

El porcentaje de la comunidad que experimenta interferencia del habla. La interferencia del sueño y la molestia atribuible a ciertas fuentes de ruido. La importancia de tales efectos en distintas partes de la comunidad. Las horas del día en que se producen los efectos. El grado en que la exposición al ruido afecta a distintos segmentos de la comunidad. 6. El predominio de actitudes favorables y desfavorables hacia las fuentes de ruido. 7. Perspectiva sobre la magnitud relativa de los efectos producidos por distintas fuentes principales de ruido. 8. Dependencia económica de la comunidad de las fuentes de ruido. Las conclusiones extraídas de esta información pueden emplearse para apoyar las decisiones acerca de la localización y operación de las fuentes de ruido. Una encuesta social mal ejecutada puede ser inútil o contraproducente, ya que la información que se obtiene puede llevar a conclusiones falsas con costes significativos. Dado que las encuestas sociales que producen resultados interpretables y válidos pueden tener un diseño caro y difícil ejecución, es importante que sean cuidadosamente planeadas y ejecutadas.

Objetivos

Ya que los objetivos vagos tienden a producir conclusiones vagas, los objetivos de una encuesta social deben especificarse con un detalle considerable. Por ejemplo, «Debe llevarse a cabo una encuesta social para averiguar lo que piensa el público acerca del nuevo aeropuerto» es un objetivo demasiado general para que resulte útil. Ejemplos de objetivos más específicos son los siguientes: «El propósito de la encuesta social es: (1) determinar el porcentaje de residentes de ciertas calles que se verán muy afectados por la exposición al ruido del aeropuerto», (2) comparar la molestia así obtenida con la de un grupo de control en una comunidad próxima no expuesta y (3) identificar las fuentes de ruido existentes en el área y las cantidades de interferencia del habla producida por ellas.» En la fase inicial de la encuesta es importante identificar los recursos disponibles para llevarla a cabo, ya que su diseño estará fundamentalmente influido por su escala. Por ejemplo, el desarrollo de la selección de localizaciones y estrategias de entrevista depende del análisis de la magnitud relativa del coste por localización y por entrevista. Si los recursos disponibles son insuficientes. es preferible a veces confiar en la información existente que intentar recoger información parcial con una encuesta para la que falta financiación. Más aún. como muchos objetivos pueden ajustarse al presupuesto. una clara comprensión de los límites de éste obligará. por lo general. a concentrar el esfuerzo en los objetivos de mayor prioridad. Las preocupaciones presupuestarias afectan de muchas maneras a la forma en que la encuesta social se lleva a cabo. Los costes varían considerablemente según las distintas técnicas de entrevista. los distintos niveles de detalle en la medida del ruido. los diferentes esquemas de muestreo y los distintos tipos de análisis de datos.

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.9

Muestreo

Dos tipos de muestras suelen resultar de interés: una muestra propositiva y una muestra al azar. Una muestra propositiva consiste en individuos elegidos deliberadamente para la entrevista sobre la base de algún criterio relacionado con los objetivos de la encuesta social. Por ejemplo, si el objetivo específico fuera comparar las actitudes de los residentes más antiguos de un área particular impactada por el ruido con las de aquellos que se han mudado recientemente a la vecindad, podríamos decidir entrevistar a todas las personas que viven en ciertas calles desde hace menos de 6 meses o más de 5 años. Una muestra al azar es aquella en que cada miembro de la población objetivo tiene igual probabilidad de contribuir a los datos (igual oportunidad de ser entrevistado). Una muestra al azar es preferible cuando se desea generalizar las conclusiones a poblaciones distintas de aquélla en la que fueron elegidos los encuestados. La principal ventaja de una muestra al azar es que puede emplearse la fuerza de la teoría estadística para determinar los errores máximos de las estimaciones. Por ejemplo. sobre la base de unos pocos supuestos. es posible calcular el tamaño de la muestra al azar requerida para asegurar que la estimación del porcentaje de la comunidad muy molesta por la exposición al ruido sobre la base del número encuestado no difiere del verdadero porcentaje para toda la comunidad en más de una cantidad específica. Pocas veces son necesarias muestras mayores de unos pocos cientos de encuestados por localización en las encuestas sociales. Una vez decidido el tipo de muestra apropiada para un estudio, hay que identificar la población representada por la muestra. A menudo, esto implica la localización de submuestras en áreas geográficas separadas para distintos niveles de exposición al ruido. Entonces hay que encontrar medios sistemáticos y exhaustivos de seleccionar potenciales encuestados. Hay que considerar listas de registros de votantes, listines telefónicos. contratos de servicios y fuentes similares para lograr que sean completas y recientes.

Técnica de entrevista en la encuesta

La entrevista puede contemplarse como un ejercicio de economía en que el objetivo es comprar tanta información como sea posible de la mejor calidad a determinado precio. Así. existen varios estilos de entrevistar a los encuestados adecuados a los distintos objetivos y presupuestos. Por ejemplo. una forma barata de adquirir cantidades limitadas de información específica de un gran número de encuestados es mediante el envío por correo de un cuestionario simple y directo. Una buena forma de recoger información detallada de un número más modesto de encuestados es mediante una entrevista telefónica estructurada. Para recoger información muy detallada y amplia de un número relativamente pequeño de encuestados. es preferible la entrevista cara a cara. Cada técnica tiene. además de diferentes costes. ventajas y desventajas. Estas incluyen la tasa de respuesta. los sesgos de respuesta. los sesgos de muestreo. el grado de entrenamiento y supervisión del entrevistador y muchas otras. Estas son lo sufi-

23.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cientemente complejas como para que la selección de una técnica de entrevista deba realizarse sobre la base de cada caso individualmente, de acuerdo con los objetivos y presupuestos específicos. Afortunadamente, existen pocas razones para creer que el método de entrevista afecta a los resultados de las encuestas sociales relacionadas con el ruido.

Desarrollo del cuestionario

Sea cual sea el estilo de entrevista adoptado, hay que seleccionar un conjunto de preguntas a plantear. Para la mayoría de las encuestas sociales sobre respuesta comunitaria frente a la exposición al ruido, es definitivamente preferible un cuestionario con categorías fijas de respuesta (<
MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.11

Recogida de datos

El objetivo de la mayoría de las encuestas sociales sobre la reacción comunitaria frente al ruido es establecer una relación entre la exposición al ruido y las reacciones de grupos de personas. Dado que las imprecisiones de las medidas de la exposición al ruido o de la reacción pueden hacer que tales encuestas resulten inútiles, resulta claro que hay que prestar igual atención a ambos tipos de medida.

METRICA UTIL PARA PREDECIR LA MOLESTIA A LARGO PLAZO DE LA EXPOSICION COMUNITARIA AL RUIDO La publicación en 1974 del «documento de niveles»l1 de la U.S. Environmental Protecrion Agency (EPA) aportó una solución administrativa al problema de la cuantificación de la exposición al ruido ambiental para la predicción de la molestia comunitaria. En virtud de la autoridad concedida a la EPA por el Acta de Control del Ruido de 1972 para coordinar la política federal de control del ruido (véase Capítulo 51), la adopción por parte de la EPA de los niveles equivalentes como métrica sentó las bases de la práctica habitual para la evaluación de fuentes de ruido ambiental. Los índices utilizados incluyen el nivel sonoro continuo equivalente (símbolo: L eq ), el nivel sonoro corregido día-noche (símbolo: L dn ), Y nivel equivalente de ruido comunitario (abreviatura: CNEL). Estos distintos tipos de niveles, descritos en los Capítulos 2 y 11, utilizan la red de ponderación A de los sonómetros para dar cuenta de la sensibilidad humana al espectro del ruido y la suma energética para dar cuenta de los efectos de la duración. Dado que medidas tales como el nivel sonoro corregido día-noche, el nivel equivalente y el nivel de ruido equivalente comunitario sólo se diferencian en las constantes y pequeños términos de corrección, la correlación entre ellos es casi perfecta. La correlación entre las medidas del nivel sonoro integrado con ponderación A y otras variables dependientes, tales como el porcentaje de la comunidad muy molesta por la exposición al ruido comentada en la mayoría de los estudios, es por lo general considerablemente menor. Las correlaciones entre la exposición al ruido y el predominio de la molestia expresado en relaciones empíricas de dosificación-respuesta, tales como las sintetizadas para el ruido de los transportes y para el ruido impulsivo de alta energía, muestran por lo general correlaciones de aproximadamente sólo el 0,7. El uso de descriptores de energía equivalente (como el Ldn) como predictores de la molestia implica la validez de una hipótesis de igual energía: que las personas son indiferentes a la molestia creada por pocas intrusiones de ruido de alto nivel y a la molestia de un número compensadamente mayor de intrusiones de ruido de bajo nivel. Esta hipótesis apoya el uso de descriptores de energía equivalente como predictores de la molestia a lo largo de una gama de exposición de al menos 20 dB, desde aproximadamente Ldn = 55 dB a 75 dB. El uso de descriptores de energía equivalente para predecir la molestia asociada con la operación esporádica (es decir, infrecuente, intermitente e inesperada) de fuentes de ruido supone una mayor inseguridad en el planteamiento de esta hipótesis.

23.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

METODOS PARA PREDECIR LA MOLESTIA A LARGO PLAZO DE LA EXPOSICION COMUNITARIA AL RUIDO Las predicciones de la molestia inducida por el ruido en una comunidad pueden hacerse mediante (1) la extrapolación de la relación empírica dosificación-efecto o (2) una teoría que relacione la exposición al ruido y la molestia observada en las comunidades. El primer método es más simple, pero no necesariamente más preciso o amplio.

Relación entre molestia y nivel sonoro corregido día-noche

La molestia a largo plazo de la comunidad por la exposición al ruido puede expresarse como una función del nivel sonoro corregido día-noche, tal y como ilustra la Figura 23.1. La relación funcional se describe por la ecuación cuadrática que explica aproximadamente el45 por 100 de la varianza en el conjunto de datos: Porcentaje muy molesto

= O,036L d/

- 3,27 Ldll

+ 79,14

(23.1 )

Esta relación ( 1) sólo se ajusta dentro de la gama de niveles sonoros corregidos día-noche desde aproximadamente 45 a 85 dB, (2) asume que la molestia está gobernada exclusivamente por variables acústicas y (3) asume que las diferencias entre dos comunidades con la misma exposición no son sistemáticamente explicables.

Teoría probabilística

Una forma más amplia de predecir la molestia inducida por el ruido en las comunidades es mediante una teoría probabilística4 • en donde los informes de respuesta directa acerca de las molestias son divididos en (1) un componente asociado con la exposición al ruido y (2) un componente asociado con factores no físicos. Esta teoría asume que el nivel sonoro corregido día-noche aporta una descripción adecuada de la exposición al ruido producida por fuentes de ruido tales como el sobrevuelo de aviones y el tráfico de sl.perficie. Las reacciones de las personas en la comunidad frente a esta exposición al ruido se asumen exponencialmente distribuidas con un mlor medio 111 para la pohlacián. Se asume que el valor de m está relacionado con el nivel sonoro día-noche mediante 10 log m

=

(UL dll

(23.2)

Así. la exposición al ruido establece una distribución de reacciones dentro de una comunidad. con un valor medio que aumenta monotónicamente con el nivel de exposición al ruido. Las personas se describen a sí mismas como muy molestas si sus reacciones frente a la exposición al ruido superan una valor fijo de un valor criterio para informar de la molestia. representado por la letra A. Los informes de respuesta directa de molestias pueden. por tanto. ser tratados como resultado de un pro-

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.13

lOO 95 90 85 80 75 o tí 70 ~ o E 65 Vl

> ::J

E 60

Vl

o 55

"O lO

tí 50 III ::J

u

45

e

III III "O III

40

o§' 35 e

III

¡: 30 O el.

25 20

15

lO 5b;::::::::::::;::::::::~ O~~~~~~~~-L~~~~~~~L-~~~~~-L-L-L~-J

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

Nivel sonoro corregido día-noche. dB

FIGURA 23.1.

Relación entre exposición al ruido y porcentaje de la comunidad muy molesto. (Adaptado de la Referencia 3.1

ceso de toma de decisiones que está influido tanto por factores acústicos como no acústicos. El efecto neto de los factores no acústicos sobre el proceso de toma de decisiones puede contemplarse como una forma de sesgo de la respuesta. El porcentaje de la población que se describe a sí misma como muy molesta se predice de la siguiente manera. Supóngase que:

P

=

exp - (A/m)

(23.3 )

donde P es la probabilidad de estar muy molesto. m se define como en la ecuación (23.2) y A es el valor del criterio para informar de la molestia. El valor de A puede variar de un lugar de entrevista a otro por cualquiera de las razones no acústicas. Por ejemplo. el valor de este criterio puede ser distinto debido a que los residentes

23.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de un vecindario valoran más el comercio o la comodidad asociada a la operación de una fuente de ruido que los de otra vecindad, o porque se ha centrado más atención de los medios de comunicación o políticos sobre los problemas medioambientales en una zona que en otra, o porque los problemas no ambientales crean más presión sobre una comunidad que sobre otra, etc. Es la naturaleza prescriptiva de esta teoría la que permite que se hagan estimaciones independientes de la influencia relativa de los factores acústicos y no acústicos en el predominio aparente de las molestias inducidas por el ruido. Dado que se afirma que el componente determinado acústicamente de la reacción frente a la exposición al ruido crece a medida que lo hace la sonoridad, las desviaciones de esta tasa de crecimiento predecible pueden atribuirse a los efectos de los factores no acústicos en los informes de respuesta directa sobre las molestias. El valor del criterio para informar de molestias muy severas, D, viene dado por D = (1/0,3)10 log A

(23.4)

La ecuación (23.3) puede reescribirse como 10 log (-lnP)

=

0,3(D- L dn )

(23.5)

o como

P

=

exp (_10°.03(0

- Ldn)

(23.6)

El valor de D también puede depender de la fuente de la intrusión de ruido. Las personas parecen adoptar un criterio más estricto para informar de las molestias debidas al ruido del tráfico en superficie y un criterio menos estricto para informar de las molestias debidas a operaciones aéreas. Así, los niveles sonoros día-noche originados por los transportes aéreos y de superficie pueden diferir en 5 dB sin afectar al porcentaje de residentes que se describen a sí mismos como muy molestos. La ecuación (23.6) muestra que si L dn es 60 dB Y el criterio para la molestia, D, es 70 para ruido de aviones, entonces el 13,6 por 100 de la población expuesta al ruido aéreo informará de que está muy molesta. Si el valor de D es 75 para ruido del tráfico de superficie, sólo el6 por 100 de los residentes con exposición equivalente al ruido del tráfico se describirá a sí mismo como muy molesto.

CRITERIO PARA LA RESPUESTA DE LA COMUNIDAD Aunque muchas normativas ponen límites a ciertas fuentes principales de ruido en la comunidad. no existe un criterio absoluto acerca de la aceptabilidad de la exposición al ruido de una comunidad. En EE. UU. existen en lugar de ello «directrices». «prácticas recomendadas», normativas y similares, para distintas situaciones, como describen las Referencias de la 12 a la 15. Estos documentos fueron preparados originalmente con propósitos tan diversos como introducir políticas federales sobre préstamos y establecer instalaciones militares y no son totalmente consistentes en

MOLESTIAS INDUCIDAS POR EL RUIDO EN INDIVIDUOS Y COMUNIDADES

23.15

cuanto a sus conclusiones acerca de los niveles aceptables de exposición al ruido. Se llegó a los niveles de ruido caracterizados como aceptables en varios documentos mediante las interpretaciones negociadas de conjuntos relativamente pequeños de datos, con una ponderación distinta de las consideraciones políticas y económicas relevantes para la institución emisora. Una dependencia poco crítica de tales documentos puede conducir a una caracterización incompleta y a veces imprecisa de la respuesta de la comunidad, sobre todo cuando se aplican en circunstancias y con fines distintos a los contemplados originalmente. Entre los criterios, directrices, normativas y recomendaciones de este tipo más frecuentemente citados está la Inlormation on levels 01 environmental noise requisite to protect the public health and wellare with an adequate margin 01 saleti 1 de la Environmental Protection Agency de EE.UU. Estos niveles (a menudo mal construidos) son simplemente lo que el Acta de Control del Ruido de 1972 requería que fueran: niveles protectores establecidos sin la consideración de si eran técnica y económicamente factibles. No son fácilmente interpretables como objetivos de control del ruido pragmáticos o realistas a corto plazo. Pocas de las directrices anteriormente mencionadas poseen fuerza de ley, y ninguna prohíbe expresamente la construcción u operación de instalaciones sobre la base de los efectos de las emisiones de ruido previstas en las comunidades próximas. Por lo general, sólo se precisan evaluaciones formales de impacto ambiental para proyectos a gran escala y para los que implican financiación pública. Más aún, las evaluaciones de impacto ambiental no requieren más que la identificación precisa de los impactos y que sean expuestos en su totalidad, no que se ajusten a límites específicos. En el Capítulo 54 se presenta un método para evaluar los efectos de la exposición al ruido para los estudios de impacto ambiental.

REFERENCIAS 1. S. Fidell, «Community response lo noise», cap. 36 en C. Harris (Ed.), Handbook ofnoise control, 2" ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1976. 2. S. Fidell, T. Schultz y D. M. Green, «A theoretical inlerprelation of the prevalence rate of noise-induced annoyance in residential populations», J. Acoust. Soc. Am., vol. 84, n.O 6, diciembre 1988. 3. S. Fidell, D. Barber y T. Schultz, «Updating a dosage-effect relationship for the prevalence of annoyance due to general transportation noise», J. Acoust. Soc. Am., vol. 89, n.o 1, enero 1991. 4. D. M. Green y S. Fidell, «Variability in the criterion for reporting annoyance in community noise surveys». J. Acoust. Soco Am .. vol. 89, n.o 1. enero 1991. 5. S. Fidell. «Community response to noise», cap. 10 en D. M. Jones y A. J. Chapman (Eds.), Noise and society, John Wiley and Sonso Chichester, Inglaterra, 1984. 6. Public health and welfare criteria for noise, NCD 73.1, Environmental Protection Agency, Washington, D.C., julio 1973. 7. J. H. Botsford, «Using sound levels to gauge human response to noise», Sound and Vibration, vol. 3. n.o 10. 1969, pp. 16-28. 8. T. Schultz, Community noise ratings, Elsevier Science Publishing Co., Nueva York, NY 10017,1982.

23.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

9. K. S. Pearson y R. Bennett, Handbook of noise ratings, NASA CR-2376, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., 1974. 10. S. Fidell y col., «Predicting annoyance from detectability of low level sounds», 1. Acoust. Soco Am., vol. 66, n." 5,1979. pp. 1427-1434. 11. lnformation on leve/s of enviromental noise requisite to protect public health and welfare with an adeq/late margin of safety. NTIS 550/9-74-004. U.S. Environmental Protection Agency. Washington. D.C.. marzo 1974. 12. Noise abatement and control: Departmental policy, implementation, responsibility. and standards. Circular 1390.2. Department of Housing and Urban Development, Washington. D.C.. 1971. 13. loint services noise planning manllal. Depanment of Defense, Washington. D.C.. junio 1976. 14. «Guidelines for preparing environmental impact statements on noise». Report of Working Group 69, Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics, Assembly of Behavioral and Social Sciences. National Research Council. National Academy of Sciences. Washington. D.C.. 1977. 15. W. G. Galloway. «Assessment of community response to high energy impulsive sounds». Repon of Working Group 84. Committee on Hearing. Bioacustics and Biomechanics. Assemhly of Behavioral and Social Sciences. National Research Council, National Academy of Sciences. Washington, D.C.. 1984.

Capítulo

24

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO Dylan M. Jones Donald E. Broadbent

INTRODUCCION Los efectos del ruido sobre el rendimiento de las personas son distintos de los efectos de la molestia o los fisiológicos; existe escasa concordancia entre las medidas de estas diferentes respuestas. Incluso una reacción violenta frente al ruido puede no acompañarse de la correspondiente pérdida de eficacia en el desarrollo de las actividades, en tanto que pueden producirse cambios en la eficacia aunque la persona considere que el entorno es aceptable. Del mismo modo, los cambios fisiológicos inducidos por el ruido no se reflejan necesariamente en el rendimiento, aunque podría observarse una reducción del rendimiento sin cambios fisiológicos detectables. Este grado de independencia tiene importantes implicaciones para el estudio del ruido y el rendimiento, tanto para quienes creen que el ruido altera las funciones humanas, como para quienes creen que sus efectos son despreciahles o sólo admiten los efectos derivados de la propiedad de «enmascaramiento» del ruido. Específicamente, nos previene. por una parte, contra el estudio exclusivo de aquellos ambientes en los que hay evidencia de quejas y, por otra. contra el abandono del estudio de los ambientes en los que no existe evidencia de camhio en el rendimiento. El ruido produce una serie de efectos positivos y negativos sobre el rendimiento. El efecto depende crucial mente del tipo de ruido y de las exigencias de la tarea. Por ello, factores como el nivel de familiaridad de la persona con el trabajo. el grado en que la ejecución depende del uso de palabras, la medida en que las distintas partes de la tarea planteen exigencias contradictorias sobre la atención. el tiempo que se ha estado ejecutando la tarea y algunos otros determinan el grado de alteración. Muya menudo. la ineficacia es momentánea y no general. sobre todo si se requiere de la persona que responda continuamente. Otros agentes y factores que determinan la reactividad de la persona o el nivel de activación (tales como la pérdida de sueño o el estado de ánimo) modifican la respuesta normal frente al ruido. Esto se 24.1

24.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

manifiesta mediante la supresión del efecto habitual o haciendo que empeore el deterioro del rendimiento. Rara vez se llevan a cabo estudios industriales sobre los efectos del ruido en el rendimiento, posiblemente debido a las muchas dificultades para organizar los ensayos e interpretar los resultados. La principal dificultad en los estudios industriales es la falta de control de aspectos del trabajo que también pueden cambiar a medida que el nivel de ruido se modifica. Por lo general, los cambios del nivel de ruido están asociados con factores tales como un traslado de edificio o el tipo o magnitud del trabajo que se realiza. Los efectos también pueden ser menos específicos, tales como una mejora del estado de ánimo como resultado de que la patronal haya expresado su preocupación acerca del bienestar de los trabajadores. Esto puede suceder de forma inadvertida, por ejemplo, manifestando la intención de llevar a cabo una disminución del trabajo. De ahí que, en tales casos, la mejora temporal en el nivel de eficacia se corresponda sólo con el período de moral alta y la reducción en el nivel de ruido contribuya sólo indirectamente a la mejora del rendimiento. Esta distinción es importante en la práctica: la mejora del estado de ánimo puede lograrse de otras formas, posiblemente más fáciles de implementar y más duraderas que la reducción del ruido. Dada la probabilidad de todos estos factores complejos, los informes sobre los efectos benéficos de la reducción del ruido han de tomarse con cautela; hay que considerar la posibilidad de que algún factor extraño haya influido en el resultado. En los estudios de laboratorio, al igual que en los industriales, hay que tener cuidado de asegurarse de que la variación observada en el rendimiento puede atribuirse claramente al efecto del ruido. Las dificultades surgen de varias fuentes. En primer lugar, existe una considerable fluctuación de la ejecución de una tarea debida al azar: esta variación puede observarse entre diferentes personas y en la misma persona. Por tanto, es necesaria alguna estimación de esta variación debida al azar. que luego habrá de compararse con el efecto producido por el ruido. Una forma de manejar este problema es recoger datos representativos en cantidad suficiente. En segundo lugar, los efectos del ruido pueden cambiar debido a algún factor adicional, como el nivel de fatiga producido por la tarea, de manera que si se pide a la persona que ejecute la tarea en silencio e inmediatamente después con ruido, el efecto de éste se verá exagerado por la fatiga. Una manera de superar esta dificultad es asignar los sujetos experimentales a dos grupos separados, uno que sólo reciba ruido y otro que experimente silencio. Otra opción es que la misma persona reciba períodos alternativos de ruido y silencio. Pero si los períodos de alternancia son demasiado rápidos, la persona puede carecer del tiempo suficiente para adaptarse a cada condición y se obtendrá como resultado un nivel medio de rendimiento. También hay que tener cuidado para equilibrar el orden de presentaciones del ruido, de manera que. en el caso más sencillo, el estudio tenga tantas personas realizando la tarea con las condiciones de orden «silencio-ruido», como con «ruido-silencio». Por último. las condiciones que la persona encuentra en primer lugar pueden influir en la ejecución de la tarea en ocasiones posteriores, aunque el nivel de ruido haya cambiado. Este efecto ha sido encontrado muy a menudo con el ruido 1.2 y despierta dudas acerca de los estudios en que no ha sido contemplado. El control y la especificación del ruido en sí es. sin lugar a dudas, un problema en algunos estudios sobre rendimiento. Se ha empleado una gama muy amplia de

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.3

sonidos, de distintos niveles y composición espectral, a menudo sin describir especificaciones físicas precisas. Con frecuencia se investigan sólo los efectos de dos niveles de ruido y muy pocos estudios han realizado medidas sobre una gama amplia de intensidades. A la hora de aplicar algunos de los resultados de laboratorio a situaciones prácticas, existe un margen de error apreciable si la estimación de la probabilidad del efecto se basa sobre la interpolación entre dos valores extremos. Además, pocas veces se ofrece información espectral. De ahí que algunas de las discrepancias entre los resultados de las distintas investigaciones puedan atribuirse a los distintos tipos y niveles de ruido utilizados en ellas, aunque resulta difícil saber cuál de las muchas diferencias posibles entre estudios contribuye más significativamente al resultado. Dado lo expuesto, cualquier afirmación acerca de los efectos del ruido sobre el rendimiento humano debe ser analizada con suma cautela. Hay que prestar particular atención a las precauciones para evitar los sesgos, la representatividad de la muestra, el tipo, nivel y espectro del ruido, entre otros. En las secciones siguientes se describen algunos estudios experimentales y de campo específicos. En primer lugar, se considera el efecto de la familiaridad con los ruidos, comenzando por el caso más sencillo de cambios en el nivel de ruido y centrándose sobre sus efectos a corto plazo. A continuación, se considera el caso de los golpes de ruido, donde cortas elevaciones de la presión sonora, repentinas e inesperadas, también conllevan una alteración temporal del rendimiento. Después, se examina el caso más complejo del ruido intermitente, donde los efectos dependen en gran medida de la actitud del individuo. A continuación, una sección principal trata el caso de un ruido de banda ancha continuo, donde la respuesta es estratégica. Un ruido más complejo, el del habla irrelevante, es el objeto de la penúltima sección. Finalmente, se consideran los resultados de los estudios de campo.

CAMBIOS EN EL NIVEL SONORO Si el ruido es esperado y familiar, es improbable que produzca ningún deterioro del rendimiento. Esto resulta especialmente cierto si la tarea no es exigente: si la persona sólo tiene que reaccionar en determinados momentos definidos, recibe un aviso claro de la necesidad de reaccionar y un estímulo fácilmente visible, y el ruido no producirá efectos.

Cambios infrecuentes del nivel

Por lo general el rendimiento decae cuando un sonido se oye por primera vez. Aunque este efecto ha sido ampliamente establecido, los detalles de su operación son todavía dudosos. Sin embargo, el cambio de ruido a silencio o de silencio a ruido es suficiente como para provocar un deterioro temporal del rendimient04 • En un determinado estudio, los sujetos experimentales sumaron números que aparecían mezclados con una serie de letras durante períodos de ruido (una bocina fuerte de automóvil) y silencios. El ruido ralentizó la velocidad de suma, pero este efecto disminuyó después de las primeras sumas (véase Figura 24.1). Más aún, una ralenti-

24.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

45rlr--~--.---.---.---,

35L-__L -__L -_ _ RUIDO

~

_ _~ _ _~

RUIDO

FIGURA 24.1. Alteración temporal del rendimiento causada por la activación y desactivación del ruido. (Dibujada a partir de los datos de J. J. B. Morgan4 .)

zación similar seguida de una vuelta a la normalidad también se produce después del cambio a silencio. Por tanto, el cambio en el nivel sonoro, sea cual sea su dirección, es el factor determinante. La pérdida de eficacia es proporcional a la magnitud del cambio del nivel sonord'. Esto puede demostrarse pidiendo a los sujetos que trabajen durante cierto tiempo en la búsqueda de combinaciones particulares de letras escondidas en listas y observando, a continuación, el efecto del aumento y del descenso del nivel de ruido. Si después de que los sujetos son expuestos a ruido blanco a un nivel sonoro de aproximadamente 80 dB(C) el ruido se aumenta o reduce en 12 o 24 dB, el rendimiento empeora. Más aún, la ralentización de la ejecución es más pronunciada cuando el cambio del nivel sonoro es mayor. Además, se produce mayor deterioro con el descenso del nivel sonoro y, sin embargo, a veces se produce una mejora en la eficacia cuando el nivel sonoro aumenta 7 •

Golpes de ruido

Los golpes de ruido también alteran la eficacia; este efecto se circunscribe al período que sigue al inicio del golpe y puede durar hasta 30 segundos, pero por lo general es de 2 o 3 segundos. Las tareas que requieren la coordinación de mano y ojo parecen ser particularmente proclives a este efectoR, aunque algunos de los componentes de las tareas pueden ser más susceptibles a la alteración que otros. Por lo general, los golpes de ruido parecen tener más efecto cuando la persona está absorbiendo la información presentada visualmente que cuando procesa el material después de haberlo adquirido. Los golpes de ruido durante una tarea mental aritmética pueden llegar cuando la persona está inspeccionando la suma o durante una fase de cálculo mental posterior'l. Los efectos son proporcionales al cambio del nivel sonoro más que a su nivel absoluto lO , ya que una alteración muy similar se produce si los sujetos llevan aparatos protectores del oído (y el nivel absoluto desciende. pero no el cambio de nivel).

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.5

Ruido intermitente

Cuando el ruido es intermitente, los efectos de los golpes de ruido sobre el rendimiento dependen de: (1) el porcentaje de tiempo durante el cual el ruido está activado y (2) la duración de la tarea. Si se manipula la duración del ruido en un ciclo de 5 segundos, la velocidad con que los sujetos completan una tarea de búsqueda es una función creciente del ciclo ACTIVADO-DESACTIVADO durante los primeros minutos de ejecución de la tarea. Pero una vez que la tarea lleva en marcha cierto tiempo, se transforma en una función escalonada descendiente del tiempo ACfIV ADO. El ruido intermitente tiene dos efectos (Figura 24.2): (1) el efecto de distracción, manifestado en el efecto negativo de los golpes cortos al comienzo de la tarea, y (2) el efecto de alerta o activación de la persona a medida que la tarea avanza; ahora el tiempo ACTIVADO más corto mejora notablemente la ejecuciónó • El efecto de la regularidad de los golpes resulta más difícil de predecir anticipadamente. Si se compara el ruido continuo a lo largo de un determinado rango de niveles sonnros con un ruido intermitente, con un porcentaje del 50 por 100 de actividad del ruido, y ambos ruidos tienen intensidades similares, la ejecución es peor con ruido periódico y con ruido fuerte, pero el efecto de la periodicidad no depende del nivel del ruido l !. Los efectos del ruido intermitente sobre tareas que requieren que la persona detecte acontecimientos extraños, del tipo de los necesarios para los trabajos de inspección, son extremadamente complejos. Algunos factores (tales como la velocidad de respuesta) pueden mejorar, en tanto que otros (tales como la sensibilidad y la precisión) se deterioran en presencia del ruido!2. En otros casos, los efectos son pequeños o inconsistentes 13 . TIempo de exposición, min

28

O = 1,0 - 3,2 O = 4,0 - 6,2 D. =7,0-9,2

íñ

~ o

Á

= 10,0 - 12,2

26

."

'O Q)

::l

cr

:E'"

24

Q)

'O 'O ."

'O

'ü

o 22

~

20~--------L-------~

30

70

100

Porcentaje de tiempo del ruido activado

FIGURA 24.2. Efectos del grado de interrupción del ruido en la velocidad de respuesta tras varios tiempos de exposición. (De W. H. Teichner, E. Arees y R. Reilly".)

24.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ruido intermitente: el efecto sobre el control percibido

Durante un período corto después de que el ruido ha desaparecido, la eficacia sigue disminuyendo. Las observaciones del rendimiento durante el período posterior a la terminación del ruido intermitente muestran que una amplia gama de factores, que se aplican durante la exposición al ruido, influyen sobre el grado de alteración 14• Por lo general, el ruido aumenta el tiempo que lleva clasificar cartas o solucionar anagramas y reduce la persistencia en problemas irresolubles. Una amplia gama de condiciones puede aumentar o disminuir la magnitud de los efectos posteriores: 1. Los golpes de ruido irregulares e imprevisibles empeoran más el rendimiento

que los regulares y, por lo tanto, predecibles. 2. Activar una luz de aviso antes de cada golpe de ruido produce una mejor ejecución posterior que si no se activa. 3. El efecto posterior se reduce notablemente si se facilita al sujeto experimental un interruptor que, presionado, ponga fin al experimento, aunque nunca llegue a emplearlo. 4. Los ruidos que comienzan y terminan con independencia del sujeto producen efectos posteriores más notables que aquéllos sobre los cuales se informa al sujeto que cesarán como resultado de alguna acción que él active. 5. Los resultados obtenidos no dependen en gran medida del nivel sonoro; de hecho, la mera anticipación del ruido es suficiente para producir efectos posteriores, e incluso bajo estas circunstancias, la percepción de control tiene como consecuencia habitual la reducción del impacto del ruido sobre los efectos posteriores 15 . También se producen, en circunstancias parecidas a las que se acaban de describir. cambios en el estado de ánimo que implican indefensión o depresión J6; de hecho, puede producirse un cambio anímico sin que se produzca un efecto sobre el rendimiento 17 • Por ejemplo. un ruido breve e incontrolable influye sobre el tipo de palabras incluidas en una lista que se recuerdan. Habitualmente, se recuerdan más palabras negativas y depresivas 18 • Además, se observan efectos semejantes con ruido continuo, ya sea en estado estableJ'I o variable J6 . Los efectos posteriores no son una simple resaca de la estimulación nociva, sino un cambio de actitud por parte de la persona. La medida en que la persona siente que controla el ruido y que puede predecir o gobernar su comienzo parecen ser factores importantes en la determinación de la magnitud de los efectos posteriores.

RUIDO CONTINUO: TAREAS SIMPLES Son muchas las tareas insensibles al ruido continuo o familiar; habitualmente. son sencillas y poco exigentes. Los procesos sensoriales, como los que requieren agudeza visual. son inmunes a niveles de ruido y sonido por encima de 100 dB(C) y algunas respuestas visuales simples, tales como la velocidad de los movimientos ocu-

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.7

lares, cambian muy poco bajo niveles sonoros por encima de 100 dB(C)20. Sin embargo, existe cierta evidencia de que mejora la habilidad para detectar el parpadeo, una función que se considera sensible a los efectos de la activación (véase apartado siguiente ?I. Las tareas motrices sencillas son también inmunes a niveles sonoros por encima de 100 dB(C), como pueden ser el presionar un dinamómetro, mantener un puntero en un a~ujero sin tocar los bordes y montar y desmontar con destreza candados y cerrojos2 . Las tareas algo más complicadas, como aquellas que implican tiempos de reacción, en que el sujeto tiene que responder tan rápidamente como sea posible a una señal visual (que, y esto es importante, está precedida de una señal de aviso), tampoco se ven afectadas por el ruido fuerte 23 . Los efectos sobre los tiempos de reacción para señales visuales que no tienen aviso previo y frente a las que hay que realizar varias respuestas, son bastante diferentes (véase apartado siguiente). Las pruebas de papel y lápiz relacionadas con las funciones intelectuales, tales como tareas mentales aritméticas, raramente se ven afectadas por un ruido continuo fuerte. Una gran variedad de experimentos ha demostrado este punto, en su mayoría con niveles de presión sonora entre 80 y 100 dB(C)22.24. Como generalización, el tiempo medio de realización de una larga serie de operaciones intelectuales inconexas no se ve afectado por el ruido. Si las operaciones están conectadas entre sí de alguna manera y plantean una carga para la memoria de la persona, es probable que sean sensibles al ruido. Por ejemplo, el ruido deteriora la ejecución si la tarea es de búsqueda de números y el objetivo buscado depende del último elemento encontrado, o si el problema aritmético se presenta brevemente, desapareciendo de la vista antes de que el cálculo haya comenzado l . Estos resultados sugieren que si la tarea implica una carga cognitiva, ya sea porque las demandas que plantea son imprevisibles o porque hay que acumular evidencias o recogerlas de fuentes diversas, es probable que sea susceptible de alterarse por el ruido.

RUIDO CONTINUO Y ATENCION: TAREAS DIFICILES Detección de señales inesperadas

Consideremos una tarea en que la persona tenga que dirigir su atención a una o más fuentes de información durante largos e ininterrumpidos períodos de tiempo y buscar pequeños cambios en la información que le es presentada. Estas tareas de rastreo son análogas a algunos tipos de inspección industrial o mantenimiento de vigilancia. A niveles muy altos de ruido (con niveles de presión sonora por encima de 95 dB), puede producirse una caída del rendimiento. Los sujetos tienden a manifestar distintos grados de confianza acerca de la presencia de una señal. En algunas ocasiones se muestran muy seguros, pero en otras manifiestan dudas o inseguridad, se sienten ligeramente inclinados a creer que la señal se ha producido, o ligeramente en contra, pero no están totalmente seguros. La evidencia de este tipo de enjuiciamientos puede registrarse pidiendo a la persona que indique cuál de entre varias categorías, que van desde «seguro que sÍ» a «seguro que no», se aplica a cada caso

24.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

particular. El efecto del ruido fuerte es reducir la incidencia de los enjuiciamientos dudosos y aumentar la de los seguros.

Resultados con requisitos de respuesta sencillos. Este análisis también ha hecho más comprensibles los efectos del ruido en tareas en que sólo se requiere una respuesta de «sí» al detectar una señal. Los resultados sugieren que la presencia de ruido disminuye el número de informes acerca de las señales sólo en situaciones en que se anima a informar de cualquier señal, incluso de aquéllas sobre las que existan dudas considerables. El ruido no produce efectos en tareas en que en silencio la persona responde únicamente cuando está absolutamente segura de la presencia de la señal. Son pocas las respuestas de tipo dudoso o inseguras cuando las señales son improbables o muy evidentes y dado que el ruido conduce a un aumento de las respuestas a señales acerca de las cuales el observador está seguro, se produce como resultado un aumento en los informes de señales. Sean o no probables, las señales muy notables dan lugar a menudo a un aumento de los enjuiciamientos inseguros: aquí el ruido. al aumentar las respuestas dentro de la categoría «seguro», conduce a una reducción en los informes sobre señales. Por ejemplo, si se pide a la persona que controle tres luces destellantes en busca de la más brillante, que puede aparecer en cualquiera de las posiciones, el porcentaje de respuestas dudosas se reduce en el caso de un ruido de banda ancha a un nivel sonoro de 100 dB(Cf6. Un resultado parecido se obtiene con un nivel sonoro ligeramente inferior cuando la señal es un destello de duración ligeramente inferior a la norma 27 • Este efecto no es debido al enturbiamiento de las distinciones entre categorías mediante el efecto enmascarador del ruido: el efecto también se produce cuando el enjuiciamiento se realiza en silencio después de la exposición al ruid02H • Uno de los casos que sólo requería una respuesta de «sí» implicó la vigilancia de 10 manómetros de vapor. cualquiera de los cuales podía oscilar ocasionalmente hacia una posición peligrosa. Los indicadores en línea de visión directa son relativamente fáciles de ver y la detección de los estados de peligro no se ve afectada por niveles sonoros de 100 dB(C), pero en la periferia de la pantalla, el ruido aumenta el tiempo que se tarda en hacer una detección 29 • Incluso cuando los indicadores son sustituidos por lámparas más fáciles de ver. el ruido producirá el mismo patrón de respuesta. aunque el efecto medio se ve considerablemente reducido. Otra técnica emplea un reloj analógico que. ocasionalmente. realiza un salto doble y luego continúa moviéndose normalmente. El ruido a un nivel sonoro de 112 dB(C) no reduce el rendimient030 • pero cuando se aumenta a tres el número de indicadores, con una triplicación del total de las señales. un nivel parecido de ruido deteriora la ejecución. Estas dos situaciones pueden compararse en términos del nivel de seguridad predominante. En la versión sencilla. se producen pocos informes falsos. en tanto que en la versión complicada. se producen gran cantidad. lo cual significa un estado de menor confianza. El ruido reduce el número de informes asociados a señales con niveles bajos de seguridad. dando en conjunto la apariencia de una reducción en la tasa de detección. aunque esto sólo es posible en una tarea en que se incentive la respuesta arriesgada. Este resultado se confirma si se combina la misma tarea con el uso de juicios de confianza y se comparan: una fuente única con una tasa elevada de emisión de señales. tres fuentes de señales con la misma tasa de emisión y una fuente única con un tercio de la tasa total de emisión de señales. Sólo en los dos primeros

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.9

casos, donde las señales son muy probables, con ruido decrecerá la incidencia de respuestas «inseguro», conduciendo a una reducción de la tasa total de detección. El uso de juicios de confianza es un método útil para comprender los efectos del ruido. Sin embargo, la preferencia por las categorías de seguridad extremas no es un efecto que se limite a las tareas de rastreo; también se observará en situaciones tan distintas como el enjuiciamiento del carácter de otras personasJ2 y de la familiaridad de las palabras28 •

La técnica de observar la respuesta. El rasgo principal de este enfoque es que la persona indaga en el estado actual de una entre varias pantallas; el estado de la pantalla está disponible brevemente si el sujeto presiona el interruptor adecuado. El experimentador puede hacer una gráfica de la distribución de la atención de la persona, registrando la frecuencia con que observa cada lámpara. En un porcentaje significativo de ocasiones, las personas hacen dos observaciones antes de informar de una señal. como si no estuvieran seguras de su primer enjuiciamiento y necesitaran comprobar la evidencia. Los resultados de esta técnica también armonizan con la idea de que el ruido conlleva un cambio en el nivel de confianza. Con ruido fuerte a un nivel sonoro de 100 dB(A), se reduce la incidencia de la confirmación doble. que es sustituida por informes inmediatos seguros o por la comprobación de otras fuentes 33 . Este patrón de respuestas es análogo a la reducción de respuestas asociada con la certeza dudosa encontrada en las tareas de rastreo. Resultados con niveles inferiores de ruido. El ruido no siempre empeora el seguimiento de señales inesperadas cuando los niveles sonoros están por debajo o son iguales a 95 dB(C). Por ejemplo. el número de detecciones aumenta cuando se modifica el ruido de fondo a un nivel de presión sonora de 60 a 70 dB en vez de un zumbido estable continuo al mismo nivel 34 .35. Dado que el ruido no produce mejora si los acontecimientos de la tarea ocurren muy frecuentemente (véase Figura 24.3). parece que el efecto benéfico del ruido es debido al carácter relajante y un tanto soporífero de la tarea visual. A un nivel sonoro de 75 dB(A).la música (en lugar de un ruido estacionario estable) produce una mejora en la detección de señales visuales difíciles';!>. Vigilancia cognitiva. Las tareas de control de este tipo plantean fuertes exigencias a la memoria y a la atención sostenida y son. en muchos sentidos. prototipos del trabajo en los entornos industriales contemporáneos. Por ejemplo. se presentan dígitos aislados en una pantalla y la tarea de la persona consiste en detectar una secuencia particular. del estilo de tres dígitos impares seguidos. Este tipo de tarea es muy sensible a los efectos del ruido. mostrando pérdidas de eficacia a niveles sonoros de 80 u 85 dB(C). La naturaleza exacta del efecto no depende de la naturaleza de la tarea. Factores tales como el tipo de señal que se está buscando. la probahilidad de aparición de la señal J7 y el tipo de entrenamiento'X son cruciales para los resultados.

24.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

90 0---(

LENT • VARIE pAD

á----J

RAPIC O. RUIC pSLAN O RAPIC VARI DAD

~.

r.n 80 w

z

8u 70 •

lo.

tz - --1.

P ETEST

w

1-

~ 60 w

o !:!:l 50 ~

° 0,"

"-

t;

...

z

~ 40 a:

''0,

1° ...

,,

''O, '-...... -......> ...... ". v

O

4,

o..

30

20

•

POSTE T

,

,,

"- '\.- -"'" 'r, •• •• A •• •• t;

o

15 30 45 60 MINUTOS DE VIGILANCIA

FIGURA 24.3. Porcentaje de señales detectadas en función del tiempo de ejecución de una tarea de vigilancia visual bajo dos tasas diferentes de presentación de los estímulos y dos condiciones distintas de estimulación visual (n = 24). (De J. J. MeGratfi!5.)

Rendimiento continuo

La forma en que una persona mantiene la eficacia durante determinado peóodo de trabajo puede evaluarse mediante una prueba de reacción secuencial. El formato más habitual de la tarea incluye cinco bombillas y cinco discos de respuesta dispuestos en un pentágono. Cuando se oprime un disco, no necesariamente el correcto, se enciende una bombilla. Las bombillas se encienden siguiendo una secuencia impredecible, y como la respuesta ha de emitirse antes de que se ilumine la siguien· te bombilla, la persona que ejecuta la tarea es quien determina la tasa de trabajo. Por lo general, la persona tiene que trabajar continuamente durante unos 40 minutos. Siete estudios diferentes encontraron que los errores aumentan consistentemente con niveles sonoros de ruido iguales o por encima de 95 dB(A). Con los mismos niveles de ruido, tres estudios hallaron un aumento en el número de respuestas excepcionalmente lentas39 • El ruido continuo puede tener un efecto nocivo sobre esta tarea a niveles sonoros inferiores a 90 dB(C)40 y el ruido intermitente puede producir efectos sobre el tiempo medio de respuesta a niveles sonoros tan bajos como 80 dB(C)41. Los efectos de las probabilidades sesgadas. En el formato habitual de la tarea de reacción secuencial. todas las luces aparecen con igual probabilidad, pero es posible examinar el efecto de la aparición más probable de algunas de ellas42 . Con esta ver· sión de la tarea. los niveles sonoros moderados [85 dB(C)] aumentan el tiempo que los sujetos tardan en responder a las luces que aparecen menos frecuentemente y

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.11

reducen el tiempo de respuesta a las más frecuentes. Parece por tanto que el ruido altera la estrategia de distribución de la atención, alejándola de las fuentes de probabilidad baja hacia aquellas con probabilidad alta. Este es un rasgo general importante del efecto del ruido sobre la ejecución que puede aparecer de varias formas en distintas tareas. El ruido también hace a las personas inflexibles en la adopción de esta estrategia: siguen empleándola incluso cuando, de forma inesperada, las probabilidades de las señales vuelven a la normalidad. Por tanto, el efecto estratégico no es fugaz y el período durante el que persiste puede ser relativamente cort04J .44 o larg045 • El papel de las claves acústicas. Han existido afirmaciones acerca de que el efecto del ruido actúa a través del enmascaramiento de las claves acústicas aportadas por el tecleado de los discos de respuesta46 ,47. Sin embargo, cuando se toman precauciones para eliminar el efecto de las claves acústicas, se produce el habitual aumento de los errores a lo largo del tiempo. En una modificación especial de la tarea, en lugar de emplear discos de metal y un puntero, el sujeto responde en un tablero silencioso y el ruido se transmite a través de auriculares4H • Más evidencia adicional acerca de que el deterioro del rendimiento no se debe al enmascaramiento de las claves acústicas es que la ejecución sigue decayendo cuando el ruido se desconecta (véase Figura 24.4). Este deterioro continuo apoya la idea de que el ruido ha producido algún cambio en el estado de alerta o vigilancia (véase siguiente apartado para una discusión más detallada). Cuando la misma persona tiene que llevar a cabo varias tareas, pero una de ellas es dominante, el ruido aumenta el esfuerzo aplicado a esta tarea dominante a ex35

~ '" .)CFuerte

30

,1''''1.

Vl

Q)

g 25

/

w

I ,

20

1

/

1 1

,/

15

yICSilenCiO

~ ___ IC

2

3

1

4

Cuartos de tarea

FIGURA 24.4. Errores medios en reacción secuencial durante cuatro cuartos de tarea. La línea vertical muestra el punto en que el ruido fue desconectado y la ejecución continuó en silencio. (De D. M. Jones106 .1

24.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

pensas de las menos dominantes. Parece que el ruido produce mayor concentración sobre una parte del campo visual y menor sobre otras. En la tarea de observar la respuesta (descrita anteriormente), si una de las lámparas se enciende más frecuentemente que las otras, el observador tiende a controlarla más a menudo y a ser negligente con las demás fuentes. Esta tendencia a controlar la fuente de información más dominante se exagera con ruido blanco a un nivel sonoro de 100 dB(A) Y se hace más pronunciada al final del período de trabaj o49. Rendimiento continuo: rastreo y reacción a luces periféricas

Las tendencias que muestran los efectos del ruido sobre el rendimiento son parecidas a las descritas anteriormente, incluso cuando la tarea se compone de dos partes distintas que han de llevarse a cabo más o menos simultáneamente. En este caso, el componente dominante es una tarea de rastreo que requiere que el observador mantenga un puntero alineado con otro. Al mismo tiempo, tiene que responder a la iluminación breve de una de las seis fuentes de luz dispuestas en arco alrededor de la tarea de rastreo. Nunca se informa acerca de algunas luces y la probabilidad de perder una señal aumenta hacia la periferia. Con ruido a un nivel sonoro de 100 dB(A), el porcentaje de detecciones aumenta sobre todo en las luces periféricas, en tanto que mejora la ejecución frente a las luces centrales y en la tarea de rastreo (véase Figura 24.5). Hay varias formas de demostrar que esto no es una especie de «visión en túnel» que surge de la sensibilidad reducida a la visión periférica. En primer lugar. si las luces permanecen encendidas indefinidamente, la diferencia entre las centrales y las periféricas desaparece: el ruido aumenta el tiempo de res100 90

e ..

e

'o '0

,,,' ,

80

u

Q)

Qí

70

-o Q) -o 60 Q) .¡¡;

e Q)

".

\ \

\ Ruido \ \ \

50

~

o

a..

40 30 20 01

2

3

4

5

6

Localización de la fuente

FIGURA 24.5. Efectos del ruido sobre la ejecución en una tarea múltiple sobre la detección de las fuentes de luz y el seguimiento del rastreo. (De G. R. J. Hockeyl3.)

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.13

puesta a todas las luces, aunque el rastreo mejora. En segundo lugar, si se aumenta notablemente la probabilidad de que una luz aparezca en el centro, incluso con señales indefinidamente visibles, la eficacia de detección en la periferia desciende bruscamente, en tanto que la del centro mejora I7 •IR • Parece que el sujeto concentra su atención en aquellos lugares donde las señales son más probables y esta tendencia es más pronunciada con ruido fuerte. Si hay que llevar a cabo dos tareas al mismo tiempo, los efectos del ruido dependen de si las tareas se apoyan sobre recursos de procesamiento parecidos. Si una tarea que requiere detectar números repetidos se combina con otra que implica la estimación de proporciones, a medida que se modifique la dificultad o prioridad de las tareas, el efecto del ruido no aumentará. Si, sin embargo, la tarea de detección se empareja con otra que requiera enjuiciamientos complejos acerca de lo que hay que recordar, el grado de alteración producido por el ruido está determinado por las prioridades y dificultad de la tarea 50 .

RUIDO CONTINUO Y TAREAS VERBALES Memoria incidental e intencional

Una situación análoga a la de las tareas motoras descritas emplea dos tareas de memoria: el recuerdo de la tarea dominante depende de la repetición deliberada que el sujeto hace de los elementos, en tanto que la tarea secundaria requiere que la persona recuerde los rasgos incidentales del entorno, aunque habitualmente no se le den instrucciones específicas para que los atienda. Por ejemplo, pueden presentarse palabras en distintas esquinas de la pantalla, con instrucciones de memorizar las palabras, pero sin instrucciones específicas acerca de sus localizaciones. Cuando se comprueba el recuerdo de las palabras, la ejecución es en todo caso mejor con ruido, pero cuando de forma inesperada se pregunta a los sujetos que recuerden las localizaciones de las palabras, el ruido hace que el rendimiento empeore notablemente 51 • Otro enfoque es presentar una palabra en el centro de la pantalla con instrucciones de recordarla, en tanto que no se hace mención acerca de otras palabras visibles en la periferia. A niveles sonoros de 75, 85 o lOO dB(C), el recuerdo de la palabra central tiende a mejorar al aumentar el nivel sonoro. El recuerdo de las palabras periféricas sobre las que no se reciben instrucciones, comparado con la condición de «no ruido», sin embargo empeora a un nivel sonoro de lOO dB(C), con alguna evidencia de empeoramiento también a 85 dB(C)52. Este cambio en la prioridad de procesamiento de las fuentes de información no depende de si hay que recordar las localizaciones o las palabras, ya que aparece el mismo efecto de prioridad si el recuerdo de las palabras resulta secundario al recuerdo de los lugares. Tampoco depende el efecto del orden en que se recuerden los elementos, ya que es posible organizar la tarea de manera que el elemento de menor prioridad se recuerde en primer lugar; el ruido mejora el recuerdo del elemento de alta prioridad a expensas del elemento de menor prioridad53 . El efecto del ruido depende de la prioridad asignada a cada elemento. El ruido produce mejoras en la eficacia de algunos componentes, habitualmente aquellos sobre los que las instrucciones ponen

24.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

el énfasis, mientras el componente de menor importancia muestra un deterioro significativo.

La prueba de Stroop

La prueba Stroop es una tarea en que los componentes dominante y secundario están más íntimamente conectados que en la tarea que acabamos de considerar. Un conjunto de materiales de la tarea da lugar a la denominada interferencia Stroop: palabras de colores (p. ej., rojo, verde, azul) se imprimen en tintas de colores incompatibles (p. ej., la palabra rojo está escrita en verde). La tarea de la persona consiste en nombrar el color de la tinta y suprimir la tendencia a leer la palabra. La prueba de Stroop se muestra sensible al ruido a niveles sonoros tan bajos como 85 dB(C). En su forma completa, la prueba contiene tres subapartados: uno en el que hay que nombrar manchas de colores (C), otro en el que hay que leer palabras monocromas (P) y una condición de interferencia (CP) en que palabras de colores aparecen impresas con tintas de otro color. Esta última condición suele recibir el nombre de condición de interferencia Stroop. Las objetivos de C y P actúan como medida de la velocidad de lectura para los dos tipos de materiales. Si la prueba de Stroop se lleva a cabo sin las condiciones C y P como control, queda abierta la posibilidad de que la medida del efecto se debiera a cambios en la velocidad de lectura y no a cambios en la interferencia. Sin embargo, incluso con esta salvaguarda, la prueba Stroop suele mostrar efectos complejos54. Bajo ruido continuo, la eficacia empeora, pero esto sólo ocurre una vez que el sujeto ha estado sometido al ruido durante cierto tiempo. Posiblemente ésta es otra manifestación de que la tendencia a la verbalización se exagera con el ruido, haciendo que decrezca la tasa de trabajo (véase siguiente apartado).

Distintas operaciones sobre el mismo material

Existen varias situaciones en que sólo se ve un tipo de material sobre el que el sujeto tiene que aplicar dos tipos de análisis o reglas. Así, cuando un sujeto mira a una lista de letras, las instrucciones pueden alterar el equilibrio entre la búsqueda y la memorización. El ruido tiene el efecto de empeorar aquella faceta de la tarea que las instrucciones contemplan como menos importante55 . Como ejemplo adicional, las personas que leen un texto buscando errores tipográficos y gramaticales en una pantalla. con ruido a nivel sonoro de 70 dB(A) encuentran menos errores gramaticales que si trabajan en silencio [36 dB(C)]. en tanto que la detección de errores tipográficos no se ve afectada. De entre las dos tareas. la detección de errores gramaticales puede contemplarse como dominante, ya que surge casi naturalmente de los hábitos de lectura cotidiana. La detección de errores tipográficos requiere un examen del texto letra a letra, estrategia que es a la vez poco natural y, hasta cierto punto, incompatible con la extracción del significado. Así, una vez más se demuestra que la actividad natural dominante es inmune a los efectos del ruido; el deterioro sólo se hace evidente en actividades a las que se asigna (o que se asume) menor prioridad56 .

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.15

Estrategias para el aprendizaje de listas

La idea de que la atención se distribuye en función a las prioridades dentro de la tarea ya ha sido destacada en la discusión de las tareas con múltiples componentes. Que el ruido induce un cambio en la distribución de los recursos de procesamiento se demuestra claramente en tareas que implican recordar o procesar palabras. Incluso el material verbal relativamente simple puede procesarse de diversas maneras. Por ejemplo, al aprender una lista de palabras, una persona puede poner el énfasis sobre el recuerdo de los elementos en su orden original o puede recordarlas organizándolas en grupos de significado parecido. De forma alternativa, la persona puede recordar las palabras a través de medios no verbales, por ejemplo, creando una imagen de un objeto asociado con cada palabra. Todas son maneras adecuadas de recordar el material, pero cada una de ellas tiene distintas consecuencias sobre la cantidad y forma en que se recuerda el material. Cuando hay varias estrategias disponibles, el ruido parece sesgar a los sujetos hacia el tipo verbal, sobre todo aquellas que implican la repetición de una lista de elementos. Por ejemplo, si los sujetos tienen que verificar si una frase y un dibujo son compatibles, algunos prefieren emplear una estrategia espacial, transformando las palabras en una imagen mental visual, en tanto que otros prefieren emplear una estrategia verbal, transformando el dibujo en una descripción basada en palabras57 • El ruido no aumenta la tendencia a usar tales estrategias, sino que perjudica a quienes prefieren emplear la estrategia espacial, presumiblemente al promover una estrategia mixta (verbal/espacial). Por contra, la ejecución de quienes ya emplean la estrategia verbal se ve facilitada por el ruido, sugiriendo una vez más que con ruido se adoptan estrategias verbales, pero en esta ocasión con ventaja. Tendencias parecidas se observan si, en vez de permitir que se siga una adopción espontánea de estrategias, se dan instrucciones a la persona acerca de cuál emplear. Con ruido, mejora la eficacia si se pide a las personas que empleen una estrategia verbal. Por contra, el rendimiento se deteriora con el ruido si las instrucciones son de emplear una estrategia espacial58 • Esto se cumple mientras la estrategia verbal particular sea la óptima. Por ejemplo, la estrategia verbal de repetir el material una y otra vez es buena para mantener el orden de la información 59 • Esta parece ser una estrategia favorita con ruido, salvo que las instrucciones induzcan al empleo de una alternativa, en cuyo caso el ruido refuerza su empleo. Por lo general, el ruido parece exagerar los sesgos dominantes del momento. para hacer más deseada la adopción de la estrategia empleada durante el silencio. Si. debido a las instrucciones o a las circunstancias, la estrategia se modifica, la nueva estrategia estará sometida al mismo sesgo60. El efecto del ruido no se limita al procesamiento y repetición del material, sino que también modifica la forma en que su recuperación se lleva a cab061 • Esto ha sido demostrado en una tarea que implica memoria activa. En este tipo de tarea, se muestra una corriente de dígitos, y cuando ésta se para sin previo aviso, la persona tiene que recordar tantos números como sea posible del final de la lista. El efecto del ruido depende fundamentalmente de cuántos elementos tenga que recordar la persona: si son relativamente pocos, el ruido exagera la tendencia a recordar los primeros elementos en primer lugar. Pero si se pide al sujeto que recuerde hasta ocho elementos de la lista, el ruido aumenta la tendencia natural de la persona a recordar

24.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

los últimos elementos en primer lugar62 • En ambos casos, la tendencia dominante prevaleciente es reforzada. La elección de la estrategia puede estar gobernada por el efecto que el ruido tiene sobre las alternativas de riesgo y esfuerzo: tiende a disminuir el empleo de opciones que estén asociadas con una elevada probabilidad y gran esfuerzo63 • El nivel real de riesgo y esfuerzo dependería en gran medida de las demandas que prevalecen en la tarea y de la experiencia y actitud del sujeto. El ruido también puede ser perjudicial sólo durante las primeras fases de la ejecución, cuando las estrategias están siendo formuladas o elegidas. Una vez que se ha adoptado una estrategia, el ruido dejará de tener efecto64 •

EFECTOS DE LA ACTIVACION El hecho de que el estado general de alerta o reactividad de la persona se eleva mediante el ruido fuerte está bien establecido. Fundamentalmente, la razón para asumir que la activación es importante es que los efectos del ruido se modifican mediante otros estresantes cuya acción se sitúa sobre el estado corporal de la persona. Se pueden emplear dos formas para clasificar los estresante s en tipos semejantes: (1) se evalúa la acción individual del estresor para ver si muestra parecidos cualitativos con los efectos del ruido y (2) se controla la acción conjunta de los estresantes buscando evidencia de una efecto mayor que el puramente aditivo o sustractivo.

Hora del día como alertador

El estado de activación de la persona cambia a lo largo de la vigilia y se cree que depende de los ritmos bioquímicos corporales. La evidencia del mismo patrón de respuesta, tanto al ruido como a la hora del día, sería sugerente, pero no concluyente, de que poseyeran un tipo de acción similar. Experimentos independientes sobre el efecto del ruido a un nivel sonoro de 85 dB(C) Y la hora del día 65 muestran que los dos estresantes son independientes: el rendimiento matutino ayuda a los sujetos a llevar a cabo una estrategia de procesamiento más activa sean cuales sean las expectativas de examen. en tanto que el ruido hace que el sujeto adopte la estrategia prevaleciente de forma más vehemente. De forma complementaria, el efecto del ruido sobre la ejecución de cinco pruebas diferentes a tres horas distintas durante el día (9:00, 12:00 y 18:00 horas) no muestra evidencia de una interacción66 • Los efectos del trabajo nocturno y los del ruido parecen independientes: el ruido aumenta los errores en tareas que implican la detección de señales (ya sea en tareas de controlo de búsqueda). en tanto que las tareas sensorial-motrices (en pruebas de destreza manual y tiempo de reacción simple) muestran el efecto del trabajo nocturno. No toda variación a lo largo de un ciclo es inmune a los efectos interactivos del ruido; por ejemplo. el declive de la ejecución que sigue a una comida es eliminado por el ruid ol">7.

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.17

Pérdida de sueño

La pérdida de sueño tiene el efecto opuesto al ruido sobre el rendimiento, ya que cuando aparecen juntos, sus efectos aislados parecen contrarrestarse mutuamente 68 . La acción de la privación del sueño es reducir la activación y la del ruido aumentarla; el efecto combinado es reducir el número de errores en la ejecución de la tarea 69 (véase Figura 24.6). Los enjuiciamientos acerca de la confianza en las tareas de control también muestran efectos interactivos: el efecto habitual del ruido de reducir los enjuiciamientos de nivel intermedio de seguridad es suprimido por la pérdida de sueñ07o . Al igual que la hora del día y el efecto de algunas drogas, la privación de sueño parece alterar el estado general de activación o alerta de la persona 71.

Otros estresantes

Varios estresantes son independientes en cuanto a sus acciones; o sea, no tienen un efecto más allá de sustractivo o aditivo en los efectos del ruido sobre el rendimiento. En algunos casos, no ha habido suficiente investigación para justificar conclusiones firmes; sin embargo, existen bases para asumir que el efecto del calor es independiente del ruido72 •73 , a pesar de que induce un patrón de deterioro parecido sobre la ejecución de la tarea en la distribución de la atención en tareas con componentes múltiples74 • Además, el ruido y la vibración no interactúan; tampoco la iluminación y el ruid075 . Otro factor que influye sobre el nivel de alerta es la duración del tiempo durante el que la persona ha estado trabajando. Un método empleado para examinar estos efectos implica evaluar la eficacia de la persona en una tarea compleja que implique la elección entre varias rutas hacia el objetivo de la tarea"J. El nivel de alerta se sopesa en términos del riesgo de fracaso y la probabilidad de éxito y la cantidad de esfuerzo necesario para llevarla a cabo satisfactoriamente. Se encontró que el ruido tenía una acción similar durante el trabajo prolongado, produciendo un cambio de esfuerzo elevado y alternativas de bajo riesgo durante el silencio a esfuerzo bajo y alternativas de alto riesgo durante el ruido.

~

60
º~ ~I-

-O OS! S

40

/

~~ 30 Z

~UJ

oa::

a::

UJ

/¡(

OS! R

x ___XS!R ~

OU a:: a:: 20 Cl.~ Vl

o

=-_-<>----0 S ! S

10 O LJ....._--.l_ _- ' 1

2

3

PERIODOS DE 10 MINUTOS

FIGURA 24.6. Los efectos de las combinaciones de sueño (S) y privación del sueño (DS) sobre los errores proporcionales (errores como porcentaje del total de respuestas) en una tarea de reacción secuencial. (De R. T. Wilkinsorf9.)

24.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Diferencias individuales en activación

No sólo las preferencias entre los factores de costelbeneficio de la tarea son importantes en el modelado del efecto del ruido sobre el rendimiento, sino que también hay que tener en cuenta las preferencias de las persona por los niveles de ruido. Las diferencias individuales en activación son responsables del establecimiento de la tolerancia de la persona al nivel global de ruido y esto, a su vez, configura la naturaleza de sus efectos sobre el rendimiento. La dimensión de introversión de personalidad ha sido largamente identificada con el estado de activación de la persona: los extravertidos tienden a buscar y son capaces de tolerar niveles de estimulación más elevados que los introvertidos76 • Por ejemplo, si se permite que las personas ajusten el nivel de ruido hasta donde lo consideren óptimo, los extravertidos seleccionan niveles sonoros más elevados77 . Si, después de hacer este tipo de enjuiciamientos, los sujetos son expuestos a un ruido que esté por encima o debajo de su óptimo mientras llevan a cabo una tarea de aprendizaje, el rendimiento de los introvertidos sólo empeora si el nivel de ruido está por encima de su óptimo. Por contra, el rendimiento de los extravertidos declina si el nivel de ruido está por encima o por debajo de su óptimo. Cualquier divergencia del óptimo podría, pero no siempre, empeorar el rendimiento. El punto crucial es que el nivel óptimo es distinto para los dos grupos, pero en la práctica es difícil especificarlo por adelantado. Cuando se están aprendiendo materiales más complejos, la variable de personalidad más importante parece ser el neuroticismo más que la extraversión. A menudo se cree que el neuroticismo se refleja en pensamientos orientados hacia uno mismo, preocupación y ansiedad, todo lo cual empeora el aprendizaje 78 . El ruido perjudica el rendimiento de los neuróticos y mejora el de los individuos estables. Esto resulta particularmente cierto para tareas complejas. tales como recuperación de información de la memoria semántica 79 o aprendizaje de párrafos en prosa80. En los experimentos descritos anteriormente, sólo se ha considerado el efecto de los sonidos sin significado. Aunque estos sonidos son típicos de los procesos industriales, las tareas de oficina suelen acompañarse con más frecuencia de un conglomerado de sonidos: de máquinas de escribir. teléfonos y, más importante, del habla. El habla parece tener una capacidad especial para captar la atención del oyente y produce toda una gama de efectos perjudiciales sobre las ejecuciones mentales complejas.

SONIDO CON SIGNIFICADO Y TAREAS VERBALES: HABLA IRRELEVANTE

Si el sujeto oye el habla mientras lee o recuerda material verbal, el rendimiento declina drásticamente!H. Acerca de la acción del habla irrelevante pueden identificarse dos áreas principales aparentemente diferentes: efectos sobre la memoria y efectos sobre la lectura.

24.19

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

Efectos sobre la memoria

El ruido produce los siguientes efectos principalesH2 : 1. El nivel sonoro del habla no es importante; se producen deterioros parecidos de la ejecución a niveles sonoros de 55 dB(A) Y95 dB(A)!!H5. Este resultado tiene repercusiones importantes para la reducción de los sonidos del habla: una atenuación de la señal de aproximadamente 10 dB, que sería suficiente para eliminar los efectos de un ruido de banda ancha sobre el rendimiento, puede no ser suficiente para reducir los efectos del habla irrelevante sobre la eficacia. 2. El significado del contenido del habla no es importante (al menos en lo que respecta a la alteración del funcionamiento de la memoria a corto plazo). Por ejemplo, el habla en un idioma con que el oyente no está familiarizado produce un deterioro parecido de la ejecución al del habla en el idioma natiV081.84.85 (véase Figura 24.7). Otra forma de cambiar el significado del habla es emplear material sin significado!!6 o presentar el habla al revés. Una comparación muestra esto claramente: cuando se comparan los efectos del inglés (hacia delante o invertido), galés (sólo hacia delante) y ruido blanco con ni-

15 14 13

'"

12 Habla hacia

al

g 11 al al

"O

b delante

Habla al revés

10

o

:o

E

9

.~

z

8 7

6

5 4 2

3

4

5

6

7

Posición de presentación

FIGURA 24.7. Efectos de los distintos tipos de habla irrelevante sobre el recuerdo secuencial de siete consonantes. Los errores se muestran en relación con la posición de presentación de las consonantes. (De D. M. Jones, C. Miles y J. Pagt!'.)

24.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

veles sonoros similares o equivalentes, sólo el habla produce un deterioro del funcionamiento de la memoriaM • 3. Las tareas sin una carga apreciable de memoria verbal no se ven alteradas por el habla irrelevante. Esto es cierto para tareas en que sólo se requiere recordar la posición de los objetos en el espacid!7. También son inmunes tareas que suponen poco esfuerzo para la memoria, tales como la reacción secuencial. Bajo determinadas condiciones, el habla irrelevante tiene poco impacto sobre la eficaciallKK9 , pero en otras ocasiones sí se produce un declive de la misma'lo.

Características del filtro auditivo. Los sonidos no hablados rara vez alteran la memoria a corto plazo, lo cual sugiere que el sistema auditivo humano posee algún tipo de mecanismo de filtro responsable de controlar qué sonidos son atendidos y. por tanto, poseen la cualificación para acceder al sistema de memoria. Por ejemplo, el efecto de la música instrumental es mucho menos marcado que el de la música con contenido vocal'll , y una melodía tarareada en voz baja es menos disruptiva que si se entona o declama en voz alta92. Estos resultados sugieren que el factor responsable de la alteración de la memoria es algún rasgo del habla que se basa en las palabras y no simplemente en la voz. Generalidad del efecto. La susceptibilidad de la memoria a los efectos del habla irrelevante sugiere que también serán vulnerables a la alteración una amplia gama de tareas estrechamente conectadas con este tipo de memoria, tales como razonamiento. aritmética mental y solución de problemas&>. El procesamiento semántico (en este caso. comprobar si las frases tenían «sentido común») y el razonamiento sintáctico (comprobar si las afirmaciones tales como «A sigue a B-BA» eran correctas) son inmunes a la alteración por el ruido continuo sin significado, pero la ejecución en ambos tipos de tarea disminuye si el sujeto es expuesto a un conglomerado de ruido que contiene habla irre\evante 9J • El razonamiento verbal también se ha demostrado susceptible de alteración por el habla irrelevante, que a un nivel sonoro de 65 dB(A) es significativamente más perjudicial para este tipo de tarea que el ruido blanco a un nivel sonoro de 85 dB(A)94. Sin embargo, la tarea de contar mentalmente es inmune al efecto del habla irrelevante'ls. Efectos sobre la lectura. Una manera de realizar un examen detallado del efecto sobre la lectura es pedir a los sujetos que detecten cierto tipo de errores en una tarea de lectura de pruebas con habla irrelevante. Se pueden distinguir dos clases de errores: errores contextlla/es. que sólo pueden detectarse haciendo referencia al significado principal del texto. y errores 110 contextua/es. como los tipográficos, cuya detección no depende de la comprensión y puede lograrse mediante el análisis de los rasgos físicos de las palabras. Al igual que los resultados de los estudios de memoria. el efecto del habla irrelevante sobre la lectura de pruebas es independiente del nivel sonoro [al menos a niveles sonoros entre 50 y 70 dB(A)]. Sin embargo, en contra del efecto sobre la memoria, el habla con significado distrae más que el habla sin significado. Más aún, la pérdida de eficacia se concentra en los errores no contextua les. Inicialmente, los resultados parecen contrarios a nuestra intuición: el habla con significado contribuye

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.21

a la distracción, pero su efecto sólo se observa en la detección de errores que no se basan en el significado. Una forma de interpretar este resultado es darse cuenta de que, en este tipo de tarea, la persona se enfrenta con una combinación de tareas distintas y parcialmente incompatibles. La detección de errores tipográficos es un componente menos natural de la lectura y, por lo tanto, de prioridad menor cuando también hay que llevar a cabo la actividad más familiar de analizar el significado. Cuando el texto tiene menos significado, o impedimos que el lector extraiga su significado, el efecto del habla irrelevante disminuye. Si se evalúa la comprensión que la persona tiene del texto encontramos tendencias parecidas a la anterior96 • La comprensión se ve afectada por el habla, pero no por la música, lo cual sugiere que los sonidos no hablados no producen interferencia aunque sean complejos. Para que ejerza un efecto nocivo sobre la comprensión, el habla ha de tener significado, ya que tanto las no palabras como el habla en otro idioma (ruso) distraen menos que el habla narrativa o las listas de palabras.

Implicaciones prácticas. La falta de sensibilidad de la lectura y de la memoria a corto plazo al nivel sonoro del habla señala hacia el hecho de que habrá que lograr la atenuación de varias decenas de decibelios antes de recuperar la eficacia. Además, siempre que exista la posibilidad de que el habla acompañe a la lectura, es probable que se pierda eficacia. Son muchos los entornos de este tipo y es probable que aumenten a medida que más y más empleos se sitúen en oficinas. Los estudios de las molestias generadas por la gama de ruidos de oficina y otros factores físicos sugieren que la intrusividad de las conversaciones es uno de los factores más importantes'!7. La eficacia también se altera en estos ambientes. En muchos casos, el efecto sobre ésta es muy marcado y habría que tomar medidas acerca de su disminución. También existen grupos especiales, como niños aprendiendo a leer, para los que este aspecto puede resultar particularmente importante.

ESTUDIOS DE CAMPO EN FABRICAS La mayoría de las evidencias disponibles sobre los efectos del ruido fuerte en el rendimiento proviene de estudios de laboratorio en lugar de estudios de campo. La extrapolación resulta difícil, a pesar de que existen varias tendencias generales que pueden afirmarse con cierta confianza para predecir el tipo y grado de pérdida de rendimiento en un entorno particular usando como base los hallazgos del laboratorio. Las tareas sencillas, sobre todo si no tienen un componente verbal, son relativamente inmunes a los efectos del ruido. Las tareas complejas son más proclives al deterioro por el ruido, sobre todo si están compuestas de varias actividades que compiten por los recursos de procesamiento de la persona o si la misma tarea puede realizarse de varias maneras. Por tanto, el efecto no es el de un declive general en el rendimiento, sino más bien el de un cambio en el patrón de respuesta. Aunque esto puede demostrarse de forma inmediata en el laboratorio. es difícil predecir un resultado particular de antemano sin cierto conocimiento de las prioridades que la persona ha asignado a los distintos elementos de la tarea. En un ambiente determinado, una fábrica o escuela, y puede no haber oportunidad de hacer este tipo de

24.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

análisis, salvo de forma muy imprecisa. Por ello, las predicciones acerca de los efectos del ruido deben hacerse con cautela. Sin embargo, es posible predecir que deben esperarse efectos sobre el rendimiento cuando los niveles sonoros del ruido estén por encima de los 95 dB. Pero la habilidad de la persona, el tipo de ruido y factores tales como la actitud hacia el trabajo pueden alterar de forma considerable el efecto sobre el rendimiento. Investigaciones llevadas acabo en la industria han demostrado a menudo que el rendimiento es mejor en silencio que con ruido. Muchos de estos resultados tienen escaso valor científico; la mejora de la ejecución puede ser real, pero puede deberse a otros factores insospechados, tales como la sugestión, errores de muestreo u otros cambios que acompañan a la reducción del ruido. Por ejemplo, el momento del día en que más accidentes se producen puede ser también el momento del día en que el nivel de ruido es más alto. Pero este es también el momento de mayor productividad y también el momento en que tanto funcionarios administrativos como médicos están disponibles para registrar los accidentes. Sin embargo, existen los suficientes casos de aumento en los accidentes como para merecer preocupación, ya que algunos estudios han registrado aumentos del triple y del cuádruple98 • Una técnica para estudiar los accidentes es examinar los informes oficiales y asociarlos con una gama de variables, una de las cuales será el nivel de ruido. De las más de 40 variables correlacionadas de esta forma, el ruido en el lugar de trabajo ha demostrado ser el segundo mejor predictor de la frecuencia de accidentes, aunque el ruido no predice la gravedad de los accidentes99• Otro método es comparar el rendimiento en áreas ruidosas y tranquilas. Los accidentes tienden a ser más frecuentes en áreas ruidosas, en que el nivel sonoro es de 95 dB( A) o superior (véase Figura 24.8). Esta incidencia es particularmente elevada entre los trabajadores jóvenes y con menos experiencia en los ambientes ruidosos. quizá reflejando la susceptibilidad de los individuos poco entrenados, para quienes las demandas sobre la distribución de la atención son particularmente grandes. Si los trabajadores tienen aparatos protectores para los oídos, hay una reducción de accidentes subsecuente a su introducción 1OO- 102 , pero este efecto puede ser tan sólo transitorio. La productividad también puede declinar con el ruido. En un estudio de trabajadores en una fábrica textil, se examinó el rendimiento de los tejedores mientras usaban tapones para los oídos en semanas alternas durante 6 meses 103 . La eficacia de la producción del grupo sometido a estudio aumentó un 12 por 100 mientras usaban los aparatos protectores (aportaban una atenuación de unos 15 dB). Existe la posibilidad de que esta mejora en la productividad coincidiera con condiciones que fueran favorables para tejer. El estudio de seguimiento empleó la táctica de comparar dos grupos de trabajadores igualados en destreza. El grupo que empleó aparatos protectores mejoró su resultado en un 10 por 100 104 • Como en todos los estudios de este tipo. existe el peligro de contaminación por los efectos del estado de ánimo y de la sugestionabilidad. Sin embargo, el aumento en el resultado también se obtuvo entre trabajadores que no eran favorables al empleo de aparatos protectores del oído. También han surgido evidencias de que medidas de reducción del ruido en ellugar de trabajo dan como resultado una mejora de la productividad lO4 • Se compararon la tasa de trabajo y la incidencia de errores de operador en la tarea de perforar

24.23

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

100

Grupo con ruido alto (N =434) Grupo con ruido bajo (N =432)

90

80

.,"' (5

., "iij' ~.,

., ·S .,c: "C

~

o

•

1972-1973

••- - _ .

1969-1970 o- - - - ~ 1972-1973

0_-_0

\ \ \

70

\

"C

.Q

- - - ~

1969-1970

\

•

60

\

\ \

50

\ 40

\ \

c..

30

•, ",

20 10 OL-~~

1

2

4

__

...... ......

...... ......

~~~~~~-L~

6

8

10 12 14

__~-L-J__~

16 1B 20

22

24 mas de 24

Número de lesiones laborales, total 2 anos

FIGURA 24.8. Distribuciones de los porcentajes de frecuencias acumuladas para la exposición a ruido alto y bajo durante dos períodos de muestreo, Los puntos representan la proporción de trabajadores lesionados por encima del valor de la abscisa. (De A. Cohen'oo.)

películas de cine, Se comparó entre lugares con y sin tratamiento acústico. El tratamiento redujo efectivamente los niveles sonoros de cada lugar de 99 dB(C) a 89 dB(C)_ No se encontraron diferencias en la tasa de trabajo, pero el número de errores, sobre todo del tipo que implica ruptura de la película, se redujo significativamente en los lugares de trabajo con tratamiento acústicos. Por razones asociadas con el esquema de pagos, los operadores cambian periódicamente de lugar de trabajo, de ahí que el resultado no pueda atribuirse a un sesgo en el muestreo de mejores trabajadores. En algunos casos, el resultado puede ser complejo simplemente debido a que el ruido tiene efectos positivos sobre algunas tareas y negativos sobre otras. En una ocasión, se comparó el efecto del ruido sobre dos tareas diferentes: ensamblar carburadores y ensamblar acondicionadores de aire. El ruido mejoró la velocidad de ensamblaje de los acondicionadores de aire, pero redujo la del ensamblaje de carburadores lO5 _ Estos resultados no son sorprendentes a la luz de los efectos estratégicos del ruido y del patrón de respuesta en las tareas con componentes múltiples revisados anteriormente. Sin embargo, el conocimiento de estos efectos de laboratorio no está suficientemente desarrollado como para predecir con gran certeza la dirección precisa de la influencia en los entornos industriales.

24.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

DIRECTRICES SOBRE LOS EFECTOS DEL RUIDO

Las siguientes directrices pueden emplearse para determinar el nivel del ruido al cual se verá afectado el rendimiento humano: 1. Ruidos inesperados y desconocidos tienen efectos perjudiciales de corta du-

2. 3.

4. 5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

ración, habitualmente 2 o 3 segundos, aunque a veces pueden llegar a los 30 segundos. Activar y desactivar el ruido tiene un efecto que es proporcional al cambio en el nivel del sonido del ruido, siendo el cambio en el nivel de estimulación el factor importante. Los golpes de ruido deterioran la ejecución, sobre todo si coinciden con la adquisición de la información por parte de la persona, pero puede existir un pequeño efecto incluso cuando la información ya ha sido registrada y mantenida en la memoria. A medida que los golpes de ruido se hacen frecuentes, pueden tener un efecto distractor inicialmente, pero cuando la persona lleva un rato trabajando, pueden tener un efecto alertador. El grado en que la persona siente que controla el ruido marca la amplitud con que el rendimiento empeora y este empeoramiento aumenta una vez desactivado el ruido. Por ello, la actitud de la persona hacia el ruido así como el trabajo determinan su efecto sobre la ejecución. Muchas tareas sencillas, que requieran discriminaciones relativamente fáciles. o decisiones sin presión de tiempo, o respuestas de tipo predecible o en momentos predecibles. son inmunes a los efectos del ruido continuo. incluso cuando los niveles de ruido exceden los 100 dB(C). Cuando se detectan señales visuales inesperadas que son difíciles de discriminar. la persona se resiste a informar de acontecimientos a menos que esté plenamente segura [los efectos del ruido sobre el rendimiento pueden encontrarse a niveles de sonido tan bajos como 85 dB(C) si la tarea contiene algún elemento de comparación y recuerdo de señales). Cuando la persona tiene que responder continuamente, el rendimiento puede estar sometido a breves lapsos para niveles sonoros de 90 dB(C) o superiores. Esto resulta particularmente evidente si uno mismo marca la velocidad de trabajo. o sea, si el progreso de la tarea depende del ritmo de trabajo de la persona y no del ritmo impuesto por una máquina. El resultado habitual de la exposición al ruido son algunas respuestas muy lentas o errores. Si hay que realizar más de una tarea simultáneamente, el ruido sesgará la atención del trabajador hacia la tarea más dominante. La eficacia de un elemento de la ejecución puede mejorar con el ruido. pero a costa del de menor prioridad. al que o no se responderá o se hará lentamente. Si puede analizarse el mismo material en más de una forma, con ruido se adoptará la manera más dominante y evidente. Existen algunos métodos de respuesta que parecen adoptarse habitualmente durante el ruido: si la persona tiene que aprender una lista de elementos. se produce mayor tendencia a repetir las palabras una y otra vez. El habla irrelevante afecta al rendimiento. incluso con niveles sonoros tan

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

24.25

bajos como 55 dB(C). reduciendo la capacidad de procesamiento disponible para la lectura. El significado del habla es importante. de forma que si no es comprensible, no habrá distracción. 12. El recuerdo de los elementos de una lista también se ve alterado con bajas intensidades de habla irrelevante, pero en este caso no resulta importante el significado del habla. El deterioro de la ejecución es intrínseco y es improbable que disminuya por la actitud o el estado de ánimo de la persona. 13. El estado general de activación del individuo configura el grado de alteración producido por el ruido continuo; la cantidad de pérdida de sueño contrarresta el efecto habitual, y el estado de ánimo de la persona puede tener efectos positivos o negativos, pero la vibración y el calor no modifican la acción del ruido. En general, hay que proceder con cautela al extrapolar el caso de los estresantes únicos a los múltiples. 14. En la industria, si los trabajadores están expuestos al ruido. podría reducirse la productividad y aumentar los accidentes. pero sólo con niveles sonoros por encima de 95 dB(C). Sin embargo, puede resultar difícil discriminar este efecto en cualquier estudio sobre rendimiento en el lugar de trabajo; otros factores asociados con el estado de ánimo y la motivación de los trabajadores podrían enmascarar cualquier efecto de disminución.

REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 2\. 22.

D. E. Broadbent,J. Acoust. Soco Amer., vol. 30.1958. pp. 824-827. H. J. Jerison,J. Appl. Psychol.• vol. 43,1959. pp. 96-101. K. D. Kryter, Effects ofnoise on mano Academic Prcss. Nueva York, 1970. J. J. B. Margan. Arch. Psychol., n." 35.1916. A. Ford,Amer. J. Psychol.. voI.41, 1929. pp. 1-32. W. H. Teichner. E. Arees y R. Reilly. Ergonomics. vol. 6.1963. pp. 83-97. D. W. J. Corearan y col.. en R. Mackie (Ed.). Vigitance: Theory, operational performance and physiological correlates, Plenum. Nueva York. 1977. D.N.MayyC.G.Rice.J.ofSoundandVibration.vol. 15. 1971. pp. 197-202. M. M. Woodhead. Amer. J. Psychol.. vol. 77.1964. pp. 627-633. M. M. Woodhead. J. Acoust. Soc. Amer.. vol. 31. 1959. pp. 1329- 1331. J. A. Eschenbrenner. Human Factors. vol. 13. 1971. pp. 59-63. N. L. Carter y H. C. Beh,J. Acoust. Soc. Amer.. vol. 82. 1987. pp. 1334- 134\. H. S. Koelega y J. Brinkman. Human Factors. vol. 28. 1986. pp. 465-41-11. D. C. Glass y J. E. Singcr, Urban Stress: Experiments on /loise a/ld social Jtre.lsorJ. Academic Press. Nueva York. 1972. S. Cohen y S. Spacapan en D. M. Jones y A. J. Chapman (Eds.). Noise ami Jociety. John Wi1ey and Sonso Londres. 1984. pp. 221-246. J. Rotton y col.. J. of Appl. Psychol.. vol. 63. 1978. pp. 360-365. V. J. Gawron. Ergonomics. vol. 27. 1984. pp. 5-18. P. Willner y J. Neiva. Br. J. Clin. Psychol.. vol. 25.1986. pp. 23-HXJ. L. R. Hartley. J. of Exp. Psychol.. vol. 25. 1986. pp. 93-100. S. S. Stevens,J. Sound. Víb .. vol. 21. 1972. pp. 35-56. C. D. Frith. Brít. 1. Psychol.. vol. 58.1967. p. 127. C. S. Harris. Percep. Motor Skills. vol. 35. 1972. pp. 395-405.

24.26 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

H. Reiter, Percep. Motor Skills, vol. 17, 1963, p. 418. J. F. Park y M. C. Payne, J. Appl. Psychol., vol. 47, 1964, pp. 367·368. C. S. Harris, Percep. Motor Ski/Is, vol. 35,1972, pp. 627. D. E. Broadbent y M. H. P. Gregory, Brit. J. Psychol., vol. 54,1963, pp. 309-323. E. C. Poulton y R. S. Edwards, J. Exp. Psychol., vol. 102, 1974, pp. 621-626. D. M. Jones, J. R. Thomas y A. Harding, Curro Psychol. Res., vol. 2, 1982, pp. 33-34. D. E. Broadbent, Quarterly J. Exp. Psychol., vol. 6, 1954, pp. 1-5. H. J. Jerison,J. Acoust. Soco Amer., vol. 29,1957, pp. 1163-1166. H. J. Jerison y S. Wing, USAF WADC Tech. Report 57,1957, p. 14. A. J. Bull y col.,J. Soco Psychol., vol. 88, 1972, pp. 151-152. G. R. J. Hockey,J. Exp. Psychol., vol. 101, 1973, pp. 35-42. R. S. Kirk y E. Hecht, Percep. Motor Skills, vol. 16, 1963, p. 553. J. J. McGrath, en D. N. Buckner y J. J. Grath (Eds.), Vigi/ance: A Symposium, McGrawHill, Londres, 1963. D. R. Davies, L. Lang y V. J. Shackleton, BrilJ. Psychol., vol. 27,1972, pp. 193-194. D. M. Jones, A. P. Smith y D. E. Broadbent,J. Appl. Psychol., vol. 64, 1979, pp. 627-634. C. Miles, T. C. Auburn y D. M. Jones, Ergonomics, vol. 27,1984, pp. 855-862. D. R. Davies y D. M. Jones, en W. Tempest (Ed.), The noise handbook, Academic Press, Londres, 1984. D. M. Jones, en D. M. Jones y A. J. Chapman (Eds.), Noise and society, John Wiley and Sons, Chichester, Inglaterra, 1984, pp. 155-184. K. Lahtela y col., Scand 1. Psychol., vol. 27,1986, pp. 52-57. A. P. Smith, Brit. J. Psychol., vol. 76, 1985, pp. 89-95. S. Cohen, Psychol. Bull., vol. 88,1980, pp. 82-108. S. Dornic y S. E. Fernaus, Report N° 569, Department oC Psychology, University oC Stockholm, Suecia, 1981. A. P. Smith y D. E. Broadbent, Acta Psychol., vol. 47, 1981, pp. 129-142. D. E. Broadbent, Psychol. Bull., vol. 85, 1978, pp. 1052-1067. E. C. Poulton, Psychol. Rev., vol. 86, 1979, pp. 361-375. D. M. Jones, en G. R. J. Hockney (Ed.), Stress andfatigue in human performance, John Wiley and Sons, Chichester, Inglaterra, 1983. P. Hamilton,J. Exp. Psychol., vol. 82,1969, pp. 34-37. A. P. Smith, 1m. Arch. Occup. Environ. Hlth., vol. 60,1988, pp. 307-310. D. R. Davies y D. M. Jones, Brith. J. Psychol., vol. 66,1975, pp. 61-68. J. J. O'Malley y A. Poplawsky, Percep. Mot. Ski/Is, vol. 33, 1971, pp. 887-890. A. P. Smith, Acta Psychol., vol. 51,1982, pp. 245-255. A. P. Smith y D. E. Broadbent, Acta Psychol., vol. 58, 1985, pp. 275-285. M. M. Woodhead,J. Appl. Psychol., vol. 50, 1966, pp. 296-299. N. D. Weinstein, J. Appl. Psychol., vol. 59, 1974, pp. 548-554. L. Hartley y col. Ergonomics, vol. 29,1986, pp. 607-617. L. Hartley, B. Boultwood y M. Dune, Ergonomics, vol. 30,1987, pp. 503-509. P. Hamilton, G. R. J. Hockey y J. G. Quinn, Brit. J. Psychol., vol. 63,1972, pp. 181-189. J. Wilding, N. Mohindra y K. Breen-Lewis, Brit. J. Psychol., vol. 73,1982, pp. 479-486. A. P. Smith, D. M. Jones y D. E. Broadbent, Brit. J. Psychol., vol. 72,1981, pp. 299-316. A. P. Smith, Brit. J. Psychol., vol. 74, 1983, pp. 83-89. D. Holding, M. Loeb y M. A. Baker, Motiv. Emot., vol. 7,1983, pp. 331-343. K. G. Pollock y F. C. Bartlett, ~ I Psychological experiments on the effects of noise, HMSO, Londres, 1932, pp. 1-37. K. Breen-Lewis y J. Wilding, Brit. J. Psychol., vol. 75, 1984, pp. 51-63. A. P. Smith, en Proceedings ofthe Cognitive Testing Methodology Workshop, 1986, pp. 114-128.

RENDIMIENTO HUMANO Y RUIDO

67. 68. 69. 70. 71. 72. 73.

24.27

A. P. Smith y e. Miles, Work and Stress, vol. 1,1987, pp. 333-339. D. W. Corcoran, Quart. J. Exp. Psychol., vol. 14,1962, pp. 178-182. R. T. Wilkinson, J. Exp. Psycho/., vol. 66, 1963, pp. 332-337. L. Hartley y E. Shirley, Ergonomics, vol. 20, 1977, pp. 481-488. L. Hartley, J. Couper-Smartt y T. Henry, Psychopharmaco/., vol. 55, 1977, pp. 97-102. P. A. Hancock y J. O. Pierce, Am. Indust. Hyg. Assoc., vol. 46, 1985, pp. 555-566. A. Wyon, en O. Manninen (Ed.), Proceedings of the 3rd Internationa/ Conference on the Combined Effects of Environmenta/ Factors, International Society of Complex Environmental Studies, Tampere, Finlandia, 1988, pp. 73-85. 74. A. E. BursiU, Quart. J. Exp. Psychol., vol. lO, 1958, pp. 113-129. 75. K. Nakai, T. Hosokowa y K. Saito, en O. Manninen (Ed.), Proceedings ofthe 3rd Internationa/ Conference on the Combined Effects of Environmental Factors, International Society of Complex Environmental Studies, Tampere, Finlandia, 1988, pp. 359-373. 76. H. J. Eysenck, The biologica/ basis ofpersonality, Thomas, Springfield, Ill., 1967. 77. R. G. Green,J. Persono Soco Psychol., vol. 46,1984, pp. 1303-1312. 78. G. Mandler y S. B. Sarason, J. Abnorma/ and Soco Psychol., vol. 47, 1952, pp. 166-173. 79. J. von Wright y M. Vauras, Scand J. Psychol., vol. 21. 1980, pp. 97-101. 80. J.-E. Nurmi y J. von Wright, Human Learning, vol. 2, 1983, pp. 119-125. 81. H. A. CoUe y A. Welsh,J. Verbo Learn. and Verh. Behav., vol. 15, 1976, pp. 17-32. 82. D. M. Jones, Environ. Inter. (en prensa). 83. H. A. CoUe,J. Verbo Learn. and Verh. Behav., vol. 19, 1980, pp. 722-735. 84. D. M. Jones, e. Miles y J. Page, J. Appl. Cog. Psychol. (en prensa). 85. P. Salame y A. D. Baddeley, Ergonomics, vol. 30,1987, pp. 1185-1194. 86. P. Salame y A. D. Baddeley,J. Verbo Learn. and Verbo Behav., vol. 21,1982, pp. 150-164. 87. N. Morris, D. M. Jones y A. J. Quayle, en E. G. Megaw (Ed.), Contemporary Ergonomies, Taylor and Francis, Londres, 1989. 88. C. Miles, C. Madden y D. M. Jones, Perception and Psychophysics, vol. 45, n." 1,1989, pp. 77-81. 89. e. Miles y D. M. Jones, Perception and Psychophysics, vol. 45, n." 1, 1989, pp. 85-86. 90. N. Cowan y A. Barron, Perception and Psychophysics, vol. 41, 1987, pp. 393-401. 91. P. Salame y A. D. Baddeley, Quart. J. Exp. Psychol., vol. 41A, 1989, pp. 107-122. 92. N. Morris y D. M. Jones, Perception and Psychophysics, vol. 47, n." 3, 1990, pp. 291-297. 93. A. P. Smith, Psychol. Res., vol. 47, 1985, pp. 103- 108. 94. S. Dornic y col., Report N° 592, Department of Psychology, University of Stockholm, Suecia, 1982. 95. R. H. Logie y A. D. Baddeley, J. Exp. Psychol.: Learning, Memory and Cognition, vol. 13,1987, pp. 310-326. 96. R. e. Martin, M. S. Wogalter y J. G. Forlano, J. Mem. and Lang., vol. 27, 19HX. pp. 382-398. 97. M. J. Brookes, Appl. Ergo., vol. 3,1972, pp. 224-236. 98. M. Jessel, ponencia presentada en el 9th International Congress on Acoustics. Satellite Symposium on Hearing and Industrial Noise Environmcnt. Sevilla, 1977. 99. W. A. Kerr, J. App/. Psycho/., vol. 34.1950, pp. 167-170. 100. A. Cohen, en W. D. Ward (Ed.), Proceedings ofthe International Congress on Noise as a Pub/ic Health Prob/em, Dubrovnik, Yugoslavia, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.e., 1974, pp. 441-453. 101. A. Cohen,J. Safety Res., vol. 8,1976, pp. 146-162. 102. J. A. W. Schmidt, L. H. Royster y R. G. Pearson,J. Acoust. Soc. Amer., vol. 67, 1980. p.559. 103. H. e. Weston y S. Adams, Report N° 65. Medical research Council Industrial Health Research Board, HMSO, Londres, 1932, pp. 38-62.

24.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

104. D. E. Broadbent y F. A. J. Little. Occup. Psychol., vol. 34, 1960, pp. 133-140. 105. C. Levy-Leboyer y G. Moser, en B. Berglund y col. (Eds.), Proceedings ofthe 5th International Congress on Noise as a Public Health Problem, Swedish Council for Building Research, Estocolmo, 1988, pp. 43-48. 106. D. M. Jones, en G. Rossi (Ed.), Proceedings ofthe 5th International Congress on Noise as a Public Health Problem, Turin, Minerva, 1983, pp. 809-917.

Capítulo

25

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO Gerd Jansen

INTRODUCCION Este capítulo trata sobre las reacciones fisiológicas del cuerpo humano frente al ruido; los efectos sobre el mecanismo auditivo, las molestias inducidas por el ruido, el rendimiento humano y el ruido, y los criterios de exposición al ruido y a las vibraciones se describen en los Capítulos 18, 23, 24 Y 26, respectivamente. El conocimiento en este campo no ha estado a la altura de los avances en el conocimiento de la relación entre el ruido y la audición. Los estudios sobre los efectos fisiológicos contienen dificultades de observación e interpretación. Cuando se utilizan estudios de laboratorio con personas, la proyección a situaciones de la vida real puede inducir a error. Los estudios con mamíferos inferiores resultan complicados por las diferencias significativas entre estas especies y los humanos, y hay que considerar los efectos de la magnitud de los estímulos en los experimentos animales comparados con la probable exposición humana en la vida real. En los estudios de campo de las situaciones humanas reales, las condiciones de un control adecuado pueden resultar inalcanzables, de forma que los resultados derivados de algún otro factor del entorno total de los sujetos pueden ser incorrectamente atribuidos al ruido. Todas estas consideraciones exigen cautela en la aceptación de conclusiones de cualquier estudio en este campol-3. Este capítulo revisa los efectos fisiológicos del ruido que parecen deberse al ruido como tal, en contra de otros factores ambientales. La separación del ruido de factores coexistentes al realizar evaluaciones en ambientes reales suele ser difícil. Por ejemplo, la súbita aparición de una señal acústica de peligro (como una alarma de incendio) puede causar distintas respuestas, indicadoras de la alarma o el miedo. en los sistemas respiratorio, cardiovascular. de musculatura voluntaria y neuroendocrino. Sin embargo, no es justificable atribuir estos efectos a las propiedades acústicas de la señal. Así, la identificación de los posibles efectos intrínsecos del so25.1

25.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nido requiere que este último no tenga connotaciones alteradoras esenciales y, si se ha de lograr esto, es necesario eliminar aspectos tales como el miedo o la ansiedad. Esta complicación suele afectar a todo el ámbito de la investigación acerca de los efectos fisiológicos del ruido. Los efectos fisiológicos aquí descritos se subdividen en a corto y a largo plazo. Los efectos a corto plazo pueden sobrepasar apenas la duración del ruido o pueden persistir durantes períodos breves medibles en minutos. Los efectos a largo plazo pueden durar horas, días o incluso más tiempo. Algunos efectos a largo plazo se han atribuido al efecto acumulativo de la repetición de un estímulo que en sí mismo produce efectos a corto plazo. Mientras que los efectos a corto plazo suelen estar claros, como el parpadeo o los movimientos musculares del sobresalto causado por un ruido repentino, los efectos a largo plazo son mucho menos definidos. Por ejemplo, el ruido causa sin duda cierta reducción en el diámetro de los vasos sanguíneos pequeños durante un corto período. Sin embargo, las dudas surgen en la interpretación de los estudios en los que se postula que tales cambios circulatorios se hacen estables como parte de la reacción frente al estrés provocado por el ruido. Se han observado varias reacciones, incluido el aumento de la presión arterial y los cambios en las paredes arteriales, pudiendo ocurrir ataques cardíacos o infartos. La evaluación de estos posibles efectos de la exposición al ruido ocupacional es muy difícil. Debido a las diferencias entre especies, los experimentos animales han de interpretarse con gran cautela; las observaciones de los estudios industriales de campo deben tener en cuenta factores tales como la edad, motivación y estado de salud de la población. En cualquier caso, la ética pone un claro límite a la cantidad de información que se obtendrá de los estudios industriales de campo, ya que no se puede permitir la permanencia de las situaciones potencialmente dañinas. En la actualidad continúan publicándose resultados concluyentes de los estudios de laboratorio con animales y de los estudios industriales de campo de poblaciones expuestas al ruido. Muchos hallazgos se han presentado como evidencia en favor de los efectos adversos a largo plazo de diversos tipos de ruido, incluidos los cambios en el sistema circulatorio. Los problemas de separar los efectos originados exclusivamente por el ruido de aquellos atribuibles a otras características del entorno no han sido superados de forma convincente. Las reacciones de alerta de los sistemas nerviosos central y vegetativo juegan un papel importante en la investigación sobre los efectos fisiológicos del ruido4 • En primer lugar, estas reacciones son de naturaleza fisiológica y no patológica; no sobrepasan la gama de reacciones normales del organismo. Los patrones de reacción pueden parecerse a los efectos de cualquier carga estresante. La mayoría de los estudios que abordan este asunto se basan en trabajos de laboratorio; informan sobre la evaluación de reacciones periféricas y efectos bioquímicos, pero también incluyen alteraciones de las funciones psicofisiológicas o mentales. Claramente, la investigación en este campo ha abandonado los diseños experimentales monocausales en favor de los diseños multivariados, explicando la contribución del ruido al desarrollo de los cambios complejos en las funciones fisiológicas. Una variedad de mecanismos son la causa de efectos fisiológicos. La estimulación mecánica directa de los tejidos por las ondas sonoras a niveles sonoros muy altos puede producir efectos. Sin embargo, la modificación refleja del funcionamiento de varios sistemas fisiológicos, producida por las señales que llegan al cerebro a tra-

EFECTOS FISIOlOGICOS DEL RUIDO

25.3

vés de los nervios auditivos, es la causa más habitual de las respuestas fisiológicas. El elemento de salida de estos reflejos puede estar mediado por la transmisión nerviosa a los músculos voluntarios, por la transmisión nerviosa en el sistema visceral (autonómico) a las glándulas y la musculatura blanda y por la transmisión combinada hormonal y nerviosa del sistema denominado neuroendocrino.

EFECTOS A CORTO PLAZO La gama de efectos a corto plazo va desde aquellos que duran poco más que el estímulo (p. ej., un parpadeo producido por un sonido corto, explosivo), hasta aquellos que persisten durante minutos. Pueden producirse casos excepcionales en esta clasificación, por ejemplo, cuando efectos posteriores asociados tales como fatiga, dolor de cabeza u otros fenómenos residuales persisten, quizá durante horas. Por ello, un sistema de clasificación totalmente riguroso es imposible. Los efectos fisiológicos del ruido a corto plazo pueden describirse adecuadamente (salvo en algunos casos donde se comentan un grupo característico de efectos, tales como los del ruido intenso) en tres categorías de respuestas frente a ruido sin significado o no identificado: (1) respuesta de sobresalto, (2) reflejo de orientación 6 y (3) reflejo de defensa 6 • La respuesta de sobresalto es el resultado de un estímulo sonoro de suficiente intensidad y rapidez de aparición; el reflejo de orientación es la respuesta a un estímulo no familiar, que es por tanto evaluado como un daño potencial; y el reflejo defensivo está provocado por un estímulo sonoro intenso que se interpreta como dañino. La activación y otros órganos sensoriales pueden emitir estas respuestas. En general, las respuestas del reflejo de orientación son un instrumento de alerta para asegurar una respuesta adecuada del sistema nervioso; el reflejo de defensa supone una preparación para defensa, ataque o huida. Un estímulo que originalmente provocara un estímulo de defensa puede, por repetición, producir respuestas reflejas de defensa6 . Si el estímulo sonoro se repite y ya no requiere un reflejo de orientación o respuestas reflejas de defensa, éstas se inhiben rápidamente y disminuyen hasta que se produce la habituación. Si el estímulo se interpreta como dañino, se produce un reflejo de defensa. En este caso, la repetición fortalece la respuesta. No resulta sorprendente que, en estos ámbitos especulativos, las implicaciones de los términos varíen en los distintos escritos. Algunos aspectos de estos resultados han sido contestados7 , sobre todo por lo que respecta a la habituación, pero la evidencia no es inequívoca y la situación sigue siendo controvertida.

Efectos sobre la actividad muscular

La investigación específica confirma la capacidad de los estímulos sonoros para generar actividad nerviosa que evoca una respuesta refleja 5.K• La respuesta puede ser un obvio (incluso violento) movimiento que implique varios grupos musculares, como en el caso de la respuesta de sobresalto. Las respuestas mínimas pueden no ser visibles directamente, pero el estado de tensión muscular indicado por la acti-

25.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

vidad eléctrica del músculo puede afectar al movimiento voluntario. Es habitual la reducción de la respuesta con la continuación o repetición del estímulo. Las implicaciones prácticas no deseadas son la posible ocurrencia de movimientos involuntarios o la modificación de movimientos que se están realizando debido a los sonidos fuertes repentinos, que potencialmente interfieren con tareas motoras críticas.

Respuesta de sobresalto. La respuesta de sobresalt05 •9 •1O incluye un golpe de actividad extensa e integrada del músculo voluntario. El propósito general parece ser protector. La magnitud de la respuesta parece relacionada con la magnitud del estímulo y la tasa de inicio; esto ha sido verificado mediante el registro de los potenciales evocados de la acción muscular producidos por el disparo de una pistola. Se ha sugerido!! que el umbral de sobresalto acústico para un tono puro de 1000 Hz es un nivel de presión sonora de aproximadamente 93 dB, durante un período crítico de unos 11 milisegundos, pero las diferencias individuales limitan la utilidad de estas estimaciones. Obviamente, el peligro potencial de la respuesta de sobresalto es la alteración de la actividad motriz en un momento crítico. Respuesta de tensión muscular. En experimentos de laboratori08 , se presentaron a los sujetos tonos de corta duración (2 segundos) de 1000 Hz de frecuencia, a niveles de presión sonora de 70, 90 Y 120 dB, con instrucciones de que no hicieran nada al oírlos. Los resultados mostraron que mediante la electromiografía, que registra los potenciales eléctricos (potenciales de acción). que acompaña a la actividad muscular mediante electrodos sobre la piel o inyectados a modo de aguja en el músculo. se puede detectar la breve activación muscular de movimientos reales. Los registros indican el voltaje del potencial de acción en el músculo flexor y extensor del antebrazo (no se hace distinción anatómica) en estado de reposo en silencio y durante la estimulación con pulsos sonoros (Figura 25.1). En este estudio. z

124.62

a:

120.00

UJ

~

-

-

:lOO 115.38

ua

35

::Ea

110.77

a~ U::E

106.15

z>

120dB 90 dB 70 dB

ü!d
l!:Jg ..Jo ~o

u~

z

101.54 96.92

/ 92.31

r

UJ

1-

ao..

87.69

-'-..../

/

/'

'\---- ....... r--.... '--

,

\

-

---......, -..--'-

TIEMPO EN SEGUNDOS

FIGURA 25.1. Potencial medio de acción muscular (antebrazo izquierdo) en respuesta a un tono puro de 1000 Hz a tres niveles distintos de presión sonora. La línea horizontal indica la presentación y duración del estímulo. (R. C. Davis, A. M. Buchwald y R. W. Frankmarf.)

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.5

los brazos derecho e izquierdo mostraron pequeñas diferencias, pero se encontraron dos respuestas: un pico inicial del voltaje menos de 0,5 segundos después del inicio del tono (respuesta a) y una segunda respuesta menos de 2 segundos después (respuesta b). Esto se aplica a la respuesta de tensión muscular frente a un nivel de presión sonora de 120 dB; niveles inferiores de presión sonora producen resultados menos precisos. Las respuestas decaen durante unos 10 segundos después de cesar el tono. La magnitud de la respuesta se ve afectada por el nivel de presión sonora del estímulo. La respuesta a aumenta drásticamente entre los niveles estimulares de 90 y 120 dB, la respuesta b lo hace en menor medida. Estos resultados y sus interpretaciones fisiológicas hacen referencia a experimentos en los que, con el fin de intentar determinar su efecto intrínseco si lo hubiera, los sujetos reciben instrucciones de no adscribir significado al ruido. En estudios parecidos 12 , el estímulo acústico era ruido blanco con un nivel de presión sonora de 95 dB, acompañado o no de una tarea única del tipo de rastreo. Se emplearon tres grupos de sujetos. En el grupo A, el ruido indicaba que se había cometido un error en el rastreo; en el grupo B, también con tarea, el ruido indicaba que el rastreo estaba siendo correctamente ejecutado; y en el grupo e no había tarea, sólo ruido. La electromiografía mostró la mayor tensión muscular en el grupo A, niveles intermedios de tensión en el grupo B y menos en el grupo C. La misma situación se demuestra J3 para la tensión muscular (también para conductividad de la piel y tasa cardíaca, medida como el intervalo entre dos pulsaciones arteriales sucesivas); aquí las medidas fueron tomadas en presencia de (1) ruido (ruido al azar con un nivel de presión sonora de 110 dB), (2) ruido y una tarea de cálculo mental, (3) sólo la tarea. El menor efecto se produjo con el ruido a solas.

Reflejos respiratorios. El mecanismo respiratorio es un elaborado sistema de control reflejo diseñado para regular el contenido gaseoso de la sangre, incluyendo las presiones gaseosas parciales de dióxido de carbono y oxígeno, y para estabilizar varios aspectos de la química sanguínea. La respiración puede verse influida por un corto estímulo sonoro repentincl. Los experimentos con sujetos humanos muestran que después de pulsaciones cortas (2 segundos) de tonos con una frecuencia de 1000 Hz, a niveles de presión sonora de 70, 90 Y 120 dB, se producen movimientos respiratorios mayores y más lentos que, en algunos casos, alcanzan el máximo entre 15 y 20 segundos después del inicio del tono. La magnitud del efecto varía directamente con los niveles de presión sonora de los estímulos. Pueden producirse diferencias en detalles como la respuesta a los distintos niveles de los estímulos. La significación de estos efectos no está clara, salvo quizá que mejorar la respiración puede contemplarse como una adaptación precautoria, que para ser eficaz debe persistir el tiempo suficiente para permitir que el intercambio gaseoso tenga lugar.

25.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Respuestas del corazón y la circulación

Se ha postulado que algunas de las respuestas del corazón y de la circulación tienen efectos acumulativos a largo plazo, que se considerarán más adelante. Existe el consenso general, entre los estudios de los efectos a corto plazo con sujetos humanos, de que tales respuestas a sonidos sin significado específico incluyen: (1) cambios en la tasa cardíaca y (2) reducción del diámetro de los vasos sanguíneos (vasoconstricción) en las regiones periféricas, sobre todo en la piel.

Tasa cardíaca y presión sanguínea. Un ruido blanco de suficiente intensidad produce un aumento de la tasa cardíaca, que se habitúa rápidamente a la repetición del estímulo l 1.l4. La teoría clasifica ésta como respuesta de sobresalto. La media de estas respuestas ll (que puede o no acompañarse de contracciones del músculo flexor, dependiendo de las características del estímulo) muestra un pequeño aumento de la tasa cardíaca, respecto del valor previo a la estimulación, en respuesta a pulsaciones cortas de ruido blanco a un nivel de presión sonora de 85 dB. El aumento de la tasa es pequeño comparado con el logrado por otros estímulos fisiológicos. Para estímulos sonoros de ruido blanco, estos cambios en la tasa cardíaca muestran un patrón multifásico, consistente en un aumento inicial de la tasa cardíaca seguido de una vuelta ondulante a un nivel parecido al previo a la estimulación, en un intervalo de aproximadamente 20 segundos. Sin embargo, si en lugar del valor medio (de 10 presentaciones), se registra el curso de la habituación a la repetición del estímulo, se produce un marcado cambio, tal como muestra la Figura 25.2. A partir de un aumento inicial de la tasa cardíaca de unos 11 latidos por minuto, expresado como la respuesta media a las dos primeras presentaciones del ruido, la respuesta

Ruido blanco

- - Tono puro

-6

TB2

TB3

TB4

TB5

U-L-~~~~~~~~~-L~~~-U~-L~LJ-L~-L~~

O 4 8 121620 O 4 8 121620 O 4 8 121620 O 4 8 121620 O 4 8 121620 TIEMPO EN SEGUNDOS

FIGURA 25.2. Cambio en la tasa cardíaca media expresado en latidos por minuto, con respecto a la tasa preestimulación, medida a intervalos de 1 segundo después del inicio de un estímulo sonoro de 5 segundos (tono de 1000 Hz o ruido blanco con un nivel de presión sonora de 85 dB). Las respuestas a las 10 presentaciones de los estímulos sonoros se muestran en la secuencia en que se produjeron, en bloques de cinco ensayos. Se produce una marcada habituación. (F. K. Graham y D. A. Slaby".)

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.7

decrece después de 10 presentaciones hasta un aumento de unos 3 latidos por minuto, pero se mantiene la configuración multifásica. Las diferencias en tasa cardíaca a partir del nivel previo a la estimulación son muy pequeñas, de hecho, fisiológicamente triviales. En las estimulaciones repetidas, los últimos ensayos (Figura 25.2) muestran un aumento de la tasa cardíaca de tan sólo 3 latidos por minuto como resultado de la estimulación mediante ruido blanco; la recuperación de la condición previa a la estimulación se produce en todos los casos al cabo de 20 segundos. Así, en la exposición a una amplia gama de ruidos, que se extienden a lo largo de una gama de nivel sonoro con ponderación A de unos 90 dB(A), las apariciones repentinas parecen producir un moderado aumento de latencia corta de la tasa cardíaca, seguido de una vuelta multifásica al nivel previo a la estimulación en segundos. Algunas características de habituación parecen asociadas con las características de la frecuencia del estímulo. Algunos estudios han empleado estimulación con ruido de más duración, registrando la tasa cardíaca y la presión sanguínea arterial. Algunos de estos estudios indican que exposiciones de una hora de duración a ruido de banda ancha en niveles sonoros de moderados a elevados, reducen la tasa cardíaca 15 ,16 o tienen poco efecto sobre ella 17 •18• El ruido de una sierra circular con un nivel sonoro con ponderación B de 110 dB produjo pocos cambios en la tasa cardíaca o la presión sistólica (una medida de presión arterial máxima), pero la presión diastólica (una medida de presión arterial mínima) tendió a subir18 • Un estudio de laboratorio 19 ha examinado los efectos de los sobrevuelos de aviones militares a baja altitud. La emisión sonora estaba caracterizada por niveles máximos de hasta 125 dB (media de 108 dB respecto del 30 por 100 con niveles máximos por encima de 100 dB) Ydescenso de 10 dB en un intervalo de entre 1,4 a 4,3 segundos (duración total de 10 a 18 segundos). Además, los sonidos mostraban unos comienzos agudos de hasta 100 dB por segundo (media de 34 dB por segundo) y, a veces, segundos picos de hasta 111 dB. Las medidas de la tasa cardíaca revelaron un marcado aumento durante los primeros 30 segundos. Se observaron aumentos en la presión arterial y los niveles de cortisol; las catecolaminas no cambiaron significativamente. Cambios en la circulación periférica. Se emplean varios tipos de medidas relacionadas con el estado de los vasos periféricos menores. A veces se describen en términos que no son fisiológicamente precisos. Sin embargo, la descripción de los cambios en la circulación periférica no es de crucial importancia, siempre que quede clara la finalidad del experimento, que, por lo general, es detectar cambios en el diámetro de los vasos sanguíneos menores en respuesta a estímulos tales como el ruido. Con este fin, suele emplearse a menudo la circulación de los dedos, aportando principalmente una respuesta de los vasos sanguíneos en términos de: (I) un registro del volumen medio de la sangre en el dedo (VS) y (2) un registro indicando la magnitud de los cambios de volumen (VP) debidos a ondas de pulsaciones individuales en los vasos sanguíneos. La Figura 25.3 ilustra la disminución típica de la amplitud del pulso dactilar poco después del inicio de un ruido intenso. Los volúmenes VS y VP suelen estimarse a través de métodos indirectos, mediante transductores fotoeléctricos o electromecánicos. Los resultados de estimu-

25.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~

~

.~

'"o

"O lfJ

:; a. Qi

"O

e

'0

'ü u

~'"

Silencio ----+ 1.. Ruido I

o

I

I

234

5

6

I

I

7

8

9

10

11

•

12

Tiempo, 5e9.

FIGURA 25.3. Amplitud del pulso dactilar antes y después del comienzo de una estimulación consistente en un ruido de banda ancha con un nivel sonoro de 90 dB(A). (G. Jansen.)

laciones, tales como el ruido, en los parámetros de circulación de la sangre habitualmente empleados se expresan en términos no absolutos, incluso como lectura de los instrumentos. Así las medidas de la variación en el volumen de las pulsaciones, por ejemplo, puede designarse como amplitud del pulso y expresarse como porcentaje de la respuesta durante el silencio. Un porcentaje reducido implicaría. por tanto, vasoconstricción: no se espera necesariamente. ni es esencial. una precisión cuantitativa rigurosa en estos indicadores para poder establecer patrones de respuesta. La respuesta circulatoria normal a la estimulación sonora o visual es un descenso en el VS y el VP. que es consistente con una constricción de los vasos periféricos2o • También se registró la respuesta de resistencia de la piel (en este caso. una caída de la resistencia eléctrica de la piel que comienza entre l y 5 segundos después del inicio del estímulo). La disminución de estas respuestas con la repetición se muestra en la Figura 25.4. En el caso del volumen sanguíneo en el dedo. la habituación es menos completa. Estas respuestas circulatorias. sin embargo. todavía presentan rasgos confusos2 1.24 . La constricción de los vasos sanguíneos periféricos ocurre al presentarse sonidos sin mensaje o significado específico; con la repetición del estímulo. la magnitud de la respuesta tiende a reducirse al nivel preestimular. Así. el descenso del aporte sanguíneo a la periferia como resultado de la vasoconstricción puede ser un efecto transitorio de estos experimentos de laboratorio con breves duraciones de los estímulos. El interés práctico se centra en si esta vasoconstricción persiste o no durante la exposición continuada al ruido. Este tipo de experimento ha sido llevado a cabo en varias versiones, con duraciones de exposición al ruido de hasta 1 hora en toda una gama de estudios 7 .1 8 .25.32. La gama de enfoques experimentales y variaciones sobre el tema de las características de los estímulos (frecuencia. nivel sonoro y duración). presentación de los estímulos, medidas de la circulación periférica y otros índices circulatorios es tan amplia que sólo un resumen resulta apropiado aquí.

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.9

!;¡l5,O,-----------------, 0

9

5i ~ ~~ Q!i ;8 5:3

3,0

~

1,0

4,0

2,0

~

O ~~~ 30 ~Q~ 25 ~~~ .. 5~:3 20 ~ o 15 z~ 3,0

wg

Q:¡ 2,5

5]",

~~ 2,0 -~

~:3 5~

1.5 '--~-____..-~-_____.-______,r___l 1-3

4-6

7-9 10-1213-15

PRESENTACIONES DEL ESTIMULO

FIGURA 25.4. la respuesta de resistencia de la piel (RRP), volumen del pulso dactilar (VP) y volumen sanguíneo (VS) en el dedo en función del número de presentaciones de un tono puro con una frecuencia de 200 Hz o de una señal luminosa durante 300 milisegundos. Cada punto representa la media de tres presentaciones. los intervalos entre presentaciones son 37,5, 45 o 52,5 segundos, en orden aleatorio. (S. Ginsberg y J. J. Fured'¡o.)

En general, se produce constricción de los vasos cutáneos, pero varios aspectos, incluyendo la naturaleza de los acontecimientos fisiológicos subyacentes y la cuestión principal del posible daño de estos acontecimientos para la persona, siguen siendo en algunos aspectos poco claros. Aparentemente, existe una vasoconstricción cutánea de nivel moderado, que empieza a ser detectable, por ejemplo. durante presentaciones cortas (unos 20 segundos) de ruido de banda ancha a niveles de presión sonora de aproximadamente 70 dB en un fondo de silencio? La vasoconstricción alcanza reducciones de amplitud del pulso dactilar del 21 al 64 por 100 por debajo de la observada en condiciones de reposo. a niveles de presión sonora de aproximadamente 100 dB. Los tonos puros son relativamente poco eficaces en la inducción de estas respuestas, y la respuesta al ruido de banda ancha aumenta cuanto mayor es la anchura de banda. La duración de la recuperación en estas exposiciones a corto plazo está relacionada con la duración de la exposición y la magnitud del efecto 25 .29 . Estos resultados han de compararse con otros de naturaleza conflictiva 25 , en los que una variedad de ciclos de silencio y ruido de banda ancha (30 a 20.000 Hz) con ponderación B y nivel sonoro de 95 dB presentado en golpes de 30 segundos, produjo la misma reducción de la amplitud del pulso dactilar que la producida en sujetos sentados en silencio durante el mismo período (30 minutos). Este efecto puede estar relacionado con hallazgos como el de que la presión de las pulsaciones disminuye progresivamente durante el descanso sentado en silencio durante un período de aproximadamente hora y media.

25.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

En muchos de estos estudios, se emplean estímulos cortos, habitualmente de menos de 1 minuto de duración. Esto limita la aplicabilidad de estos datos a situaciones ocupacionales reales. Un aspecto de importancia es si el efecto de vasoconstricción persiste durante la estimulación con ruido. Incluso durante el curso de estímulos de corta duración, de 30 segundos o menos, en exposición a niveles sonoros altos, la reducción de la amplitud del pulso dactilar ha superado su máximo, y la recuperación se inicia después de un intervalo de 12 segundos o menos desde el inicio del estímulo. La recuperación en silencio continua en una progresión más o menos suave a partir de la amplitud al final del estímulo ruidoso. Cuando se han investigado los efectos de la estimulación prolongada, se pueden observar estados característicos de reacción y regulación33 . La Figura 25.5a muestra el curso medio de la reacción del pulso dactilar a la exposición a ruido de banda ancha con un nivel sonoro de 105 dB(A) durante 8 minutos. Como reacción inicial, la amplitud del pulso se reduce entre el 21 y el 64 por 100 desde cero, v. g., la línea base inmediatamente anterior al inicio de la estimulación ruidosa. Durante los siguientes minutos se produce una regulación; después del sexto minuto, en sujetos normales, la recuperación tiene que haber compensado al menos el 50 por 100 del descenso inicial (reacción tardía). Esta regulación puede conducir incluso a una compensación completa; v. g., el logro del nivel cero de la línea base, aunque el sujeto todavía esté expuesto al estímulo inmodificado a largo plazo. La Figura 25.5b ilustra esta relación comparando los valores integrados de la reacción del pulso dac~

~

1!!

1!!

'13

.~

-2~ "

~:~

ca

"o

~

::J

a.

Qi

e

'0

'0 o ca

40

-0,5

,

2

3

T3

' 4

5

6

7

ca

"o

~ ::J

a.

""

60 .~ 8min C.

E

al

a:

'fl ca

"o

«

%

~

1!!

%

~

1!! .;:;

O

o

ca

"

20

20

40

40

a.

"e

60

60

'0 o ca

"e

80

~

O

~

::J

a. Qi

'0

al

a:

(a)

Qi

80

::J

(b)

Qi

'0

'C:;

O

2

3 4 5 6 Tiempo, minutos

7

8

o

ca

al

a:

FIGURA 25.5. (a) Reacción de la amplitud del pulso dactilar inducida por un ruido de banda ancha con un nivel sonoro de 105 dB(A) durante 8 minutos. Tl marca el intervalo entre los segundos 18 y 30 después del comienzo del estímulo; T3, el intervalo entre los minutos quinto y séptimo. (b) Relación entre los valores integrados para Tl y T3 de la reacción del pulso dactilar. La línea de conexión entre Tl y T3 corta la línea del límite inferior de la recuperación normal del pulso dactilar. (G. Jansen, S. Rehm y E. Gros$33.)

25.11

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

tilar durante los primeros 30 segundos de estimulación con ruido (TI) con los valores integrados de los minutos quinto a séptimo de exposición (T3). Para un valor dado de TI, la línea de conexión entre T1 y T3 corta la línea del límite inferior (gama de confianza) para la reacción tardía de la amplitud del pulso dactilar que debe observarse en sujetos sanos. Por ejemplo, si la reacción inicial muestra un descenso del 40 por lOO, la regulación en T3 tiene que alcanzar al menos el 20 por 100 del valor de línea base. Grados menores de recuperación indican una regulación fisiológica dañada frente a la exposición al ruido. Después de 8 minutos, cuando el estímulo sonoro se desconecta, puede observarse una vasoconstricción como reacción de apagado y, nuevamente, una regulación o reacción restitucional. En la Figura 25.6, se compara el curso de la amplitud del pulso dactilar de 40 sujetos sanos con las curvas de grupos de sujetos con limitaciones auditivas y de sujetos con enfermedades cerebrovasculares en condiciones experimentales similares)). Las diferencias en las respuestas fisiológicas son evidentes. Ambos grupos de pacientes muestran una recuperación insuficiente de la reacción del pulso dactilar en la reacción tardía definida anteriormente. En comparación, el grupo de sujetos sanos no muestra una reacción de apagado o restitucional marcada, pero también las reacciones iniciales pueden alterarse en sujetos enfermos, tal y como se ha demostrado en algunos casos. En general, la importancia adscrita en la literatura a los cambios de la circulación periférica y las extrapolaciones a situaciones laborales deben contrastarse con el hecho de que las respuestas fisiológicas fuertes frente al calor, frío, emoción o ejercicio pueden oscurecer o impedir las debidas al ruido, tal y como muestra la Figura 25.7. Aquí, una breve exposición a un ruido de banda ancha (indicado por el sombreado) reduce la amplitud del pulso dactilar a una temperatura ambiente de 20 oC, pero virtualmente no hay respuesta a temperaturas ambientales de 30 oC y 40 oC, después de un efecto inicial de corta duración. El ejercicio muscularw·35 produce un aumento de la circulación periférica; este efecto puede demostrarse con los registros habituales de la amplitud del pulso dactilar. Es probable que el efecto se vea poderosamente influido por compensaciones #. 110

.

r - I f - r - - r - Ruido de banda ancha -,---~.,-.,--.,--,

j ......

~

..!!! 100 .~

¡v


"tl

o

90

",. -;...- ................ ,r'

.!!!

/ ........

::J

c. a;

80

"tl "tl

70

.......... L

\

.~

a. 60 E

~

O

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tiempo. minutos

FIGURA 25.6. Amplitud del pulso dactilar durante la exposición a un ruido de banda ancha con un nivel sonoro de 105 dB(A) para varios grupos de sujetos (línea de puntos: enfermedades cerebrovasculares; línea a trazos: limitaciones auditivas; línea continua: sanos). (G. Jansen, S. Rehm y E. Gros?)

25.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~~100 g;~ 80 ww

a:U Z a: 60 a:

C

42 ENSAYOS DE PRUEBA, 14 SUJETOS

30° C

39 ENSAYOS DE PRUEBA. 14 SUJETOS

200

00 un.

a:¡

:5 0100

¡::¡:¡

~a:¡ 80 O...J 0 00 (l)w 60 ...JO

c::::J RUIDO DE ESPECTRO

~~ ül ~100 0_

§~ 80

Z ii1- 8

::E

<

60

40° C

39 ENSAYOS DE PRUEBA. 13 SUJETOS

'--'--.L...L.-L---L---L--_ _ _~_'__'___'___'___'__'__'__'_____'_____'_____'_____'_____'_____'_____'

O

2

<

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

TIEMPO EN MINUTOS

FIGURA 25.7. Cambios en la circulación de la piel en el dedo frente al mismo ruido, con distintas temperaturas, indicado por la amplitud relativa del pulso frente al valor en silencio. (G. Jansen e /. Pinter'.)

establecidas por la tendencia de la temperatura corporal a aumentar durante el ejercicio. Puede demostrarse que esto afecta a la vasoconstricción debida al ruido, de forma que disminuye notablemente o incluso se cancela debido al ejercicio físico concurrente; p. ej., en el ergómetro de una bicicleta. Así, el efecto del ruido es vulnerable a otras influencias; la necesidad de una comparación con datos tomados bajo condiciones de «no ruido»36 en tales investigaciones es grande. La inferencia es que muchos ambientes de trabajo con ruido que poseen los rasgos adicionales del calor y el ejercicio muscular son aparentemente capaces de oponer, hasta la extinción virtual. la vasoconstricción periférica debida al ruido. Otras respuestas

Respuestas de la pupila ocular. El sonido produce la dilatación de la pupila7.37. Un ruido de banda ancha con un nivel de presión sonora de aproximadamente 75 dB es el nivel de ruido más bajo al que se observa la dilatación de la pupila, en tanto que con un nivel sonoro con ponderación B de 90 dB se describe una dilatación del diámetro pupilar del 5 por 100, durante estimulaciones de dos minutos de duración. Al cesar el ruido. se recupera rápidamente el diámetro pupilar previo (o al menos es la tendencia que aparece durante un período de control). La dilatación varía con el nivel sonoro, pero el efecto disminuye durante la estirnulación. Efectos vestibulares. Se han llevado a cabo muchas investigaciones cuantitativas de laboratorio sobre los efectos del ruido de alta intensidad sobre el equilibrio. Se ha observado que las tareas de equilibrio se ven alteradas por el ruido de banda ancha con niveles de presión sonora por encima de 100 dB (los oídos estaban protegidos y sometidos a niveles sonoros iguales). A niveles de presión sonora por debajo

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.13

de 100 dB, estos descensos se producen sólo para exposiciones con niveles desiguales en los dos oídos. Se ha sugerido que éstos son efectos directos del ruido de intensidad elevada sobre el sistema vestibular'8. Experimentos similares usando tonos puros o intermitentes llegaron a las mismas conclusiones39 •

Motilidad gastrointestinaL La evidencia sobre este aspecto no es total. En un estudio, se presentaron periódicamente tonos puros con frecuencias de 800 Hz, 10 segundos de duración y nivel de presión sonora de 80 dB, a dos grupos de sujetos40 que: (1) podían apagar el tono presionando un interruptor o (2) no tenían control sobre el tono. El grupo 1 mostró un aumento de la motilidad, en tanto que el grupo 2 «no mostró aumentos significativos en la motilidad intestinal». En este caso, el sonido no parece mostrar un efecto específico y meramente actúa como un estímulo aversivo. Las duraciones más largas de la exposición al ruido dan como resultado cambios más evidentes de la frecuencia y el peso de la defecación. Sujetos sanos que fueron expuestos a ruido de banda ancha con un nivel sonoro con ponderación A de 105 dB durante 50 minutos después de una comida estandarizada mostraron un aumento significativamente retrasado, pero prolongado, de la motilidad sigmoidea postprandial del colon. Estas alteraciones se parecen a la conocida disfunción del reflejo gastrocolónico en pacientes con el síndrome de colon irritable41 • Pulmones y tracto respiratorio superior.

El efecto de los niveles elevados de ruido sobre las funciones respiratorias fue examinado en dos grupos de sujetos42 : (1) un grupo experimental formado por personas empleadas en un lugar ruidoso y (2) un grupo de control formado por personas que trabajan en ambientes silenciosos. Los sujetos fueron expuestos a tres condiciones experimentales diferentes: (1) ruido impulsivo (1,3 milisegundos de disparo de pistola con un nivel máximo de presión sonora de 175 dB, 3 veces), (2) 8 minutos de ruido continuo con un nivel de presión sonora de 108 dB, (3) 2 minutos de una prueba de vuelo de una turbina de avión con un nivel de presión sonora entre 130 y 140 dB. Con estos niveles sonoros, y sobre todo con ruido discontinuo, se pueden detectar las siguientes reacciones de encendido/apagado de resistencia a la respiración: un aumento inicial de la resistencia indicando un reflejo constrictivo de los bronquios, seguido de un lento descenso como parte de un mecanismo regulador. Estas reacciones fueron más pronunciadas en el grupo de control, en tanto que el grupo experimental mostró valores más elevados de línea base en la resistencia a la respiración, y menores cambios de la función durante la exposición. Así, una larga historia de exposición al ruido ocupacional parece reducir la eficacia de los mecanismos de regulación respiratoria. Se demostró que fumar fortaleció esta tendencia dentro del grupo experimental.

Reacciones bioquímicas y endocrinológicas.

La estimulación del nervio auditivo activa simultáneamente el sistema límbico a través del tronco cerebral y la formación reticular. Como cualquier otra carga estresante, esta activación se propaga desde el sistema hipotalámico-hipofiseal al sistema nervioso autónomo y a las glándulas endocrinas. Sin embargo, los estudios de laboratorio que cuantifican los efectos del ruido sobre las reacciones hormonales no han arrojado resultados inequívocos

25.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

debido a la complejidad de los mecanismos implicados y las interacciones con otros factores 43 • En general, no existe evidencia clara de que el ruido por debajo de niveles sonoros peligrosos para la audición conduzca a hiperactividad del sistema hipofiseal-endocrino. Respecto a las catecolaminas, los resultados son más inequívocos acerca de que, en concreto, el efecto del vertido de adrenalina se ve significativamente aumentado por la exposición al ruido. Esta reacción de estrés hormonal produce un aumento en la permeabilidad de la membrana y un descenso en la concentración de gradientes en las membranas celulares44 • Se han demostrado las alteraciones de electrólitos inducidas por el estrés producido por el ruido. Por ejemplo, en comparación con un período de trabajo idéntico durante el que utilizaron protección auditiva, un grupo de 12 trabajadores perdió el5 por 100 del contenido de magnesio en sangre durante una semana de exposición al ruido en una sala en que el nivel sonoro continuo equivalente era de 95 dB 45 . En la literatura existen otros estudios de los efectos de la exposición al ruido sobre el metabolismo humano, por ejemplo, sobre los niveles de lípidos, glucosa, proteínas y transaminasas en sangre 43 •

EFECTOS DE LAS CARACTERISTICAS ESPECIALES DEL RUIDO Ruidos impulsivos

En un estudio de laboratorio acerca de los efectos fisiológicos de la exposición al estímulo sonoro intermitente46 , se varió sistemáticamente la duración del estímulo de ruido y de las pausas entre estímulos. La Figura 25.8 ilustra los resultados de la pre70

~----------------------------------,

ro

.,

,~

:o ro

'i5

65

ro

Ql

,S ::J

Cl

c:

ro

60

ti>

c: 'o '¡¡; Q)

ct 55

ms Nivel sonoro, dB

FIGURA 25.8. Presión sonora diastólica en la exposición a ruido impulsivo de distintos niveles sonoros y distintos ciclos de impulso (Di = duración del impulso, P = duración de la pausa). Con duraciones de 50 milisegundos para el impulso y la pausa, se observa un marcado descenso de la presión sanguínea diastólica. (G. Jansen06 .1

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.15

sión sanguínea diastólica en todas las condiciones experimentales. Con niveles de presión sonora de 90 0105 dB, los períodos más cortos del impulso de ruido (50 milisegundos ruido, 50 milisegundos pausa) producen un descenso drástico de la presión sanguínea diastólica. La presión sistólica no cambia de forma significativa. Respecto a la amplitud del pulso dactilar, se observa un patrón distinto de reacción a las variaciones en duración de los estímulos y las pausas. Sin embargo, con un nivel de presión sonora de 105 dB, las secuencias más cortas de impulsos de ruido producen la respuesta más prominente en el pulso dactilar.

Ruidos de intensidad elevada y golpes sónicos

Pueden producirse respuestas fisiológicas significativas a sucesos acústicos breves con niveles sonoros muy altos. Por ejemplo, pueden producir lesiones a las estructuras corporales; el clásico tipo de lesión es la ruptura de la membrana del tímpano. Los pulmones son, entre las estructuras corporales no auditivas, el órgano vulnerable. Una fonna de suceso acústico transitorio es el golpe sónico. Se ha estimado que el umbral para la lesión pulmonar como resultado de la exposición al golpe sónico es una sobrepresión de aproximadamente 1,0 x 103 pascales o 14,7 Ib/ft (aproximadamente 1 atmósfera). Esta es 15 veces mayor que la sobre presión cuya estimulación probablemente causaría ruptura del tímpano.

Ruidos de frecuencia alta y ultrasonidos

En el Capítulo 26 se consideran los efectos fisiológicos de la vibración de alta intensidad inducida directamente sobre el cuerpo. Los efectos del ruido de intensidad alta sobre personas sordas se describen a veces con términos como «cosquilleo», «vibración» o «ruido»48. Muchos tipos de procesos industriales, tales como limpieza, perforación, emulsificación, mezcla de líquidos y soldadura, producen energía acústica a frecuencias tan altas como 20.000 Hz. En el pasado, existieron dudas acerca de la interpretación de los efectos de los ultrasonidos sobre los humanos, debido a que muchos de los informes publicados no incluyeron infonnación adecuada acerca de la naturaleza y gama de frecuencias del estímul049 • La superficie del cuerpo humano aporta una transferencia ineficiente de la energía acústica del ultrasonido que se transmite por el aire a los tejidos corporales. Existe un calentamiento de la superficie -p. ej., fisuras en la piel- producido por el ultrasonido a niveles de presión sonora de 140 a 150 dB 50 ; el calentamiento leve de la superficie corporal puede producirse a 159 dB 51 ; mareos y pérdida del equilibrio pueden producirse entre 160 y 165 dB 52 . Contrariamente a esto, la cobertura peluda de los animales es un buen absorbente de la energía acústica. Por tanto, aporta una transferencia eficaz, de ahí que se produzca un calentamiento de la superficie debido a la absorción del sonido.

25.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ruidos de frecuencia baja e infrasonidos

Los efectos del sonido de baja frecuencia y muy alta intensidad e infrasonidos sobre los humanos han sido explorados en exposiciones experimentales a sujetos expertos en bioacústica; se obtuvieron datos cuantitativos53. 55 . Se han tomado medidas acerca del efecto de exposiciones de hasta 2 minutos de duración a ruido de banda ancha de baja frecuencia, ruido de banda estrecha y frecuencias discretas en la frecuencia baja o región infrasónica. Por lo general, pero no siempre, se utilizó protección auditiva. En la exposición a ruido de banda ancha con niveles muy altos de presión sonora, se observaron aumentos del 10 al 40 por lOO en el pulso respecto del nivel de reposo. Se produce una vibración leve de la pared del pecho, una leve vibración de la cavidad nasal o un ensanchamiento perceptible de la garganta. La exposición al ruido de banda estrecha no produjo efectos estadísticamente significativos en la ejecución de pruebas objetivas sencillas. Un efecto inusual se produjo sin protección auditiva: una acumulación de presión en el oído medio. Los tapones auditivos previnieron este efecto. A veces, sin protección auditiva, también se produjo una sensación de cosquilleo en la membrana del tímpano. Se observó vibración del tabique nasal. En la exposición a frecuencias discretas, las respuestas fueron de cualidades parecidas a las correspondientes al espectro de banda estrecha. Las sensaciones subjetivas aumentaron rápidamente con niveles de presión sonora por encima de 145 dB. Sobre la base de los datos existentes, el umbral para los efectos infrasónicos parece ser aproximadamente un nivel de presión sonora de 120 dB 56 • Los estudios con la exposición repetida o prolon~ada, sin embargo, indican una habituación rápida de los sujetos al infrasonido . Dentro de la gama de exposiciones a infrasonidos experimentados sobre todo en salas de máquinas, transporte público, etc., tales ondas sonoras actúan principalmente como un estresante no específico que produce una ligera tendencia al cansancio y un descenso de la frecuencia respiratoria. El infrasonido de nivel alto se acompaña habitualmente de ruido de baja frecuencia de alto nivel en el rango de 20 a lOO Hz, que muestra más efectos significativos sobre los humanos que los infrasonidos.

Efectos de baja intensidad, baja frecuencia. La exposición a sonido de baja frecuencia o infrasonido a niveles bajos de presión sonora altera notablemente a algunas personas, aunque otras apenas lo notan. En las personas presumiblemente sensibles, parece que puede producirse acumulación de la respuesta psicosomática, malestar agudo, molestia indefinida e incluso episodios de desmayos. La inestabilidad al andar se ha producido a niveles muy por debajo de los habitualmente asociados con los efectos vestibulares.

EFECTOS SOBRE EL SUEÑO En un estudio que investigó las bases fisiológicas de los efectos del ruido sobre el sueño, se realizaron registros poligráficos del sueño durante la eXfgOsición al ruido a varios niveles máximos y niveles sonoros continuos equivalentes 8. Incluso después de más de 5 años de exposición al ruido, se observaron reacciones cardíacas en per-

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.17

sonas que vivían junto a ejes principales del tráfico. La amplitud de la reacción cardíaca pareció aumentar ligeramente entre el principio y el final de la noche. En otro estudi059 , se registraron la tasa cardíaca y la amplitud del pulso dactilar. electroencefalogramas, electrooculogramas y electromiogramas en experimentos en los que los sujetos fueron expuestos a grabaciones de ruidos de avión. camión. tren y moto a niveles sonoros parecidos a los existentes en la realidad; estas pruebas se realizaron tanto durante el día como durante la noche. Los resultados mostraron una gran diferencia entre las respuestas durante las horas de sueño y de vigilia. Las amplitudes de las respuestas fueron significativamente mayores durante el sueño que durante la vigilia, a pesar del hecho de que el nivel sonoro del ruido se redujo en 15 dB(A) durante la noche. Los ruidos de los campos de entrenamiento militar pueden resultar molestos para las personas que viven y duermen en las proximidades. Los resultados de un estudio mostraron que las detonaciones de los disparos de los tanques producían reacciones corticales y cardíacas en los sujetos mientras dormían. Para ninguna de estas dos respuestas se encontró habituación durante las series de prueba. La amplitud de las reacciones fue significativamente mayor en sujetos que habían sido expuestos a ruido durante la mañana. Un estudio acerca de los efectos del ruido de tráfico pesado sobre el sueño de las personas mostró que no se producía habituación de las respuestas agudas al ruido generado por vehículos pesados. La exposición continuada a ruidos de niveles altos durante las horas diurnas tiene efectos posteriores sobre el sueño inalterado de la noche siguienté2 • Durante el día, los potenciales evocados en el electroencefalograma de la actividad espontánea inducida por el ruido del tráfico refleja vigilia tensa y fatiga intensificada. Los datos recogidos durante las noches posteriores muestran una influencia duradera sobre el sueño en términos de un proceso de recuperación de larga duración.

EFECTOS DEL RUIDO A LARGO PLAZO Los efectos a largo plazo se miden en unidades de horas, días o mayores, aunque existe cierto solapamiento con la definición de los efectos a corto plazo. En la categoría a largo plazo están respuestas tales como la alteración en la tasa de secreción en la corriente sanguínea de sustancias (hormonas), de manera que modifiquen su concentración durante horas. días, o más prolongadamente. con varias consecuencias funcionales reales o postuladas. Algunos efectos a largo plazo han sido atribuidos a la estimulación repetida que produce respuestas a corto plazo. que se asume tienen efectos acumulativos. La situación de los efectos a largo plazo está cargada de incertidumbre respecto a la especificidad del ruido que causa los efectos descritos y la importancia de los efectos realmente demostrados.

25.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Homeostasis y estrés

A veces se considera al estrés como la causa de los efectos fisiológicos del ruido. La tendencia a lograr la estabilidad, dentro de unos límites, de los distintos parámetros fisiológicos internos frente a las influencias, incluido el ambiente exterior, tendente a la producción de cambios, se denomina homeostasis. La homeostasis implica un gran número de funciones: estabilización de la temperatura corporal, equilibrio ácido/básico de la sangre y los tejidos, presión gaseosa parcial (p. ej., O 2 y CO 2 ), y las muchas sustancias encontradas en disolución en el plasma sanguíneo. Estos mecanismos de control tienen que operar continuamente, incluso durante períodos de sueño y descanso. Sin embargo, también existen patrones adicionales de respuesta para enfrentarse con perturbaciones periódicas de las condiciones del descanso y la vigilia que pueden producirse en los mamíferos. En animales salvajes, ocupados en la lucha precaria por la supervivencia, la necesidad de ofensa o defensa puede producirse con una urgencia crítica, de ahí la descripción fisiológica clásica de las reacciones de «lucha o huida»; de la misma manera, dolor, frío, miedo o ira también pueden evocar respuestas. En humanos y otros animales, además de las respuestas elementales, los componentes emocionales pueden estar asociados con acontecimientos pasados, actuales o anticipados, quizá dando como resultado ansiedad, resentimiento u otros trastornos psicológicos. Puede decirse que cualquiera de estas condiciones aplica algún tipo de estrés a los sistemas fisiológicos. Evaluación fisiológica de la sensibilidad al ruido

Con el fin de determinar los factores relevantes en la susceptibilidad al ruido, se midieron varios parámetros médicos, fisiológicos y psicológicos en 65 sujetos expuestos a distintas situaciones ruidosas63 • Mediante un método multifactorial, v.g., análisis de la determinación, se calcula la proporción de las sumas cuadráticas que explica cada parámetro. La curva de la amplitud del pulso dactilar (sobre todo la reacción restitucional después de la exposición) demostró ser el mejor predictor del total de las respuestas al ruido, pero se observó que otros parámetros, tales como presión sanguínea, umbral auditivo a 12.000 Hz y estimación subjetiva del estado general de salud, también eran predictores importantes. Exposición repetida al ruido

Los parámetros fisiológicos se registraron durante un estudio experimental de la exposición al ruido a lo largo de 5 años64 • Se emplearon dos grupos de sujetos: un grupo expuesto al ruido durante el trabajo y otro grupo no expuesto al ruido. Se detectaron claros cambios en la amplitud del pulso digital. Se producían retrasos en la función regulatoria normal, sobre todo durante los años cuarto y quinto: la reacción tardía (del quinto al séptimo minuto de exposición) y la reacción restitucional (después de terminar la exposición). Las respuestas de las personas expuestas al ruido en su trabajo diario diferían significativamente de las del grupo de control. Del tercer al quinto año, sus reacciones tempranas al comienzo del estímulo ruidoso son

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.19

más intensas y (sobre todo durante el cuarto año) su reacción restitucional fue significativamente más retrasada e incompleta. La tendencia hacia el deterioro de la función regulatoria en la circulación periférica puede estar especialmente determinada por la exposición continua al ruido en el área de trabajo.

POSIBLES IMPLICACIONES PARA LA SALUD DE LA EXPOSICION AL RUIDO En general, como factor de riesgo para enfermedades definidas, el ruido parece menos importante que fumar, la alimentación, el ejercicio físico y otros hábitos cotidianos. Todos estos factores pueden afectar a las salud después de varios años. En un estudio que investigó el estado de salud general y las condiciones de trabajo de 29 personas, los datos anamnésicos y un examen médico minucioso aportó información acerca del estado de salud. Los ruidos destacan como uno de los factores estresantes más relevantes en el lugar de trabajo. Sobre todo con respecto a los trastornos cardiovasculares, ambos aspectos del estrés del ruido -la medida objetiva de la exposici6n y la evaluación subjetiva de la molestia- predicen, en gran medida, la ocurrencia de quejas o enfermedades. Mediante este método, se obtiene evidencia indirecta acerca de las implicaciones para la salud de la exposición al ruido. Los resultados obtenidos en otros estudios apoyan la hipótesis de que el ruido ha de ser considerado como un factor de riesgo para la salud, conduciendo a la aparición de ciertos trastornos característicos, tales como hipertensión, enfermedades coronarias y cambios bioquímicos. Respecto a los trastornos cardiovasculares, los resultados experimentales que han demostrado los efectos a largo plazo de la exposición al ruido sobre la vasoconstricción periférica pueden conectarse con los hallazgos sobre el estado de salud en relación con el ruido. En un modelo de múltiples factores de riesgo, hay que diferenciar los factores de riesgo primarios y secundarios. Los factores primarios son somáticos (fisiológicamente describibles). Los factores secundarios, que incluyen los procesos del entorno social humano, influyen e incluso causan los factores primarios a través de los procesos emocionales reflejados en el sistema nervioso.

REFERENCIAS 1. W. Burns, Noise and man, 2" ed., Lippicott, Filadefia, y J. Murray. Londres. 1973. 2. R. W. Cantrell, "Physiological effects of noise», en M. A. Whitecomb (Ed.). Effects of long duration noise exposure on hearing and health. AGARD-CP-171. North Atlantic Treaty Organization. 1975. 3. D. Hattis y col., Sorne considerations in choosing an occupational noise exposure regularion, EPA 550 9-76-007, U.S. Environmental Protection Agency, Office of Noise Abatement and Control. Washington, D.C., 1976. 4. H. Bastenier, W. Klosterkotter y J. B. Large, Damage and annoyance caused by noise, Doc. N.O V1F12950n4e, Commission of the European Communities, Health Protection Directorate. Luxemburgo, 1975. 5. C. Landis y W. A. Hunt, The srartle pattern, Farrar and Rinehart. Nueva York, 1963.

25.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

6. E. N. Sokolov, Perception and the conditioned reflex, MacMilIan, Nueva York, 1963. 7. G. Jansen, «Extra-auditory effects of noise», en J. Tonndorf (Ed.), Trans/ations of the Be/tone Institute for Hearing Research, n.o 26, Beltone Institute for Hearing Research, Chicago, 1972, pp. 7-64. 8. R. e. Davis, A. M. Buchwald y R. W. Frankman, Psycho/. Monogr. 69, vol. 20, n.o 405, 1955, p. 1. 9. R. e. Davis y D. W. Van Liere, J. Exp. Psycho/., vol. 39, 1949, p. 114. 10. R. e. Davis,J. Exp. Psycho/., vol. 38,1948, p. 257. 11. F. K. Graham y D. A. Slaby, Psychophysi%gy, vol. 10, 1973, p. 347. 12. H. Homann, G. Manka y H. Gummlich, Psycho/. Forsch., vol. 33,1970, p. 289. 13. M. M. Helper, The effects of noise on work output and physi%gica/ activation, Report 270, U.S. Arrny Medical Research Lab., Fort Knox, Ky., 1957. 14. D. e. Raskin, H. Kotses y J. Bever,J. Exp. Psycho/., vol. 80, 1969, p. 423. 15. 1. 1. Ponomarenko, Labor Hyg. and Occup. Diseases, vol. 10, 1966, p. 32. 16. V. G. Terent'yev, E. E. Sheludyakov y E. S. Sviridova, Voennomed Zh. (Mi/. Med. J.), vol. 6,1969, p. 55. 17. G. Lehmann y J. Tamm, Int. Z. angew. Physio/., vol. 16,1956, p. 217. 18. G. Lehmann y J. Tamm, Die Beeinflussung vegetativer funktionen des menschen durch geriiusehe, Forsch.-Ber. Wirtsch.-u. Verkehrsmin, NRW Nr. 517, Koln-Opladen, 1958. 19. H. Ising y M. Spreng, «Effects of noise from military low-Ievel flights on humans», en B. Berglund y col. (Eds.), Proc. of the 5th Intern. Congo on Noise as a Public Hea/th Prob/em, Estocolmo, vol. 1: Abstraet Guide, Swedish Council for Building Research, Estocolmo, 1988, p. 84. 20. S. Ginsberg y J. J. Furedy, Psychophysi%gy, vol. 11, 1974, p. 35. 21. F. K. Graham, «Habituation and dishabituation of responses innervated by the autonomic nervous system», en H. Peeke y M. Herz (Eds.), Habituation, Academic Press, Nueva York, 1973. 22. J. J. Furedy y A. N. Doob,J. Exp. Psyeho/., vol. 89, 1971, p. 258. 23. J.1. Furedy y Y. Gagnon, J. Neurology, Neurosurgery and Psyehiatry, vol. 32, 1969, p. 197. 24. T. Uno y W. W. Grings, Psyehophysi%gy, vol. 1,1965, p. 311. 25. J. Meyer-Delius, Automobi/echn. z., vol. 59,1957, p. 293. 26. G. Oppliger y E. Grandjean, Helv. Physiol. Acta, vol. 17, 1959, p. 275. 27. L. Rossi, G. E. Oppliger y E. Grandjean, Med. Lavoro, vol. 50,1959, p. 332. 28. S. Matthias y G. Jansen,lnt. Z. angew. Physiol., vol. 19,1962, p. 201. 29. G. Jansen y P. Y. Rey,lnt. Z. angew. PhysioL, vol. 19, 1962, p. 209. 30. G. Jansen y H. Klensch,lnt. Z. angew. Physiol., vol. 20,1964, p. 258. 31. G. Jansen y!. Pinter (no publicado), en Ref. 7. 32. E. Grandjean, «Effects of noise on man», en W. D. Ward y J. E. Fricke (Eds.), Noise as a public health hazard, Report 4, American Speech and Hearing Association, Washington, D.e., 1969, p. 99. 33. G. Jansen, S. Rehm y E. Gross, Z. Liirmbekiimpf, vol. 27, 1980, p. 9. 34. K. D. Kryter, «Extraauditory effects of noise», en D. Henderson y col. (Eds.), Effeets of noise on hearing, Nueva York, Raven Press, 1976. 35. G. Jansen,lnt. Z. angew. Physiol., vol. 20,1964, p. 233. 36. K. B. Cartwright y R. N. Thompson, Amer. Ind. Hyg. Assoc. J., vol. 36, part 9, 1975, p. 653. 37. H. Damsky, G. Jansen y W. Kn6epke, Vortrag 5' Congres International d'Acoustique, Lieja, septiembre 1964. 38. e. S. Harris y H. E. von Gierke, The effects of high-intensity noise on human equilibrium, AMRL-TR-67-41, Aerospace Medical Research Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 1967. 39. e. S. Harris, Pereep. Motor Ski/Is, vol. 35, 1972, p. 395.

EFECTOS FISIOLOGICOS DEL RUIDO

25.21

40. R. e. Davis y T. Berry, Psyehol. Rep., vol. 12, 1963, p. 135. 41. J. F. Erckenbrecht y cols., Z. Lilrmbekilmpf, vol. 35, 1988, p. 74. 42. G. Jansen y A. Meyer-FaIcke, Untersuehungen mil Sehallschutzanzügen zur Vermeidung lungengilngiger Lilrmbelastungen, BMVg, Forschungsvorhaben InSan 1 0485-V-6387, Bonn, 1989. 43. R. Scheidt, R. Bartsch y Chr. Brückner, z. Lilrmbekilmpf, vol. 33, 1986, p. 151. 44. M. Spreng, «Noise effects on auditory and vegetative control systems», en Proe. InterNoise '85, vol. 2, Dortmund, 1985, p. 969. 45. H. Ising, e. Havestedt y H. Neus, «Health effects of electrolyte alterations in humans caused by noise stress», Proe. Inter-Noise '85, vol. 2, Dortmund, 1985. p. 973. 46. G. Jansen, Z. Lilrmbekilmpf, vol. 35,1988, p. 121. 47. E. von Gierke, J. Aeoust. Soe. of Amer., vol. 39, 1966, p. S43. 48. H. W. Ades y cols., Joint Report 5, University of Texas Southwestem Medical School. DalIas, and U.S. Naval School of Aviation Medicine, Pensacola, 1958. 49. W. 1. Acton, «The effects of airbome ultrasound and near ultrasound», Proe. of lhe Interno Congo on Noise as a Public Health Problem, Dubrovnik, U.S. Environmental Protection Agency, U.S. Govemment Printing Office, Washington, D.e., 1973, p. 349. SO. H. O. Parrack y E. Perret, «Effect on man of low frequency ultrasonics by aircraft», 1962, resumen en J. Cordell, Physiological effects of airbome ultrasound; a bibliography with abstraeL5, library Report n.o 4, Commonwea1th Acoustic Laboratories, Sydney, Australia, 1968. 51. H. O. Parrack, Proe. 2d Annual National Noise Abatement Symposium, Chicago, 1951 (resumen en CordelI, Ref. 50). 52. e. H. Allen, H. Frings e 1. Rudnick, J. Aeoust. Soc. of Amer., vol. 20, 1948, p. 62. 53. G. e. Mohr y cols., Aerosp. Med., vol. 36, 1965, p. 817. 54. e. W. Nixon, «Some effects of noise on man», Proe. Intersociety Energy Conversion Engineering Conferenee, Boston, agosto 1971. 55. C. W. Nixon y D. J. Johnson, «Infrasound and hearing», Proe. of the Intern. Cong. on Noise as a Public Health Problem, Dubrovnik, U.S. Environmental Protection Agency, U.S. Govemment Printing Office, Washington, D.e., 1973, p. 329. 56. N. Broner,J. Sound Vibr., vol. 58,1978, p. 483. 57. H. Ising y cols., Infrasehallwirkungen auf den Mensehen, VDI- Verlag, Dusseldorf, 1982. 58. A. A. Jurriens y cols., «An essay in european research collaboration: Common results from the project on traffic noise and sleep in home», en Proe. ofthe 4th Intern. Cong. on Noise as a Public Health Problem, Tunn, Italia, Milán, 1983. 59. A. Muzet, Comparaison de la réaetivité cardio-vaseulaire au bruil au eours de la veille et du sommeil, Comité Bruit et Vibration Convention, n.o 92 243, CEB/CNRS, Estrasburgo,1985. 60. B. Griefahn, Z. Lilrmbekilmpf, vol. 36, 1989, p. 61. 61. E. Ohrstrom, en B. Berglund y col. (Eds.), Proeeedings ofthe 5th International Congress on Noise as a Public Health Problem, vol. 1: Abstrael guide, Swedish Council for Building Research, Estocolmo, 1988, p. 121. 62. B. Fruhstorfer, en B. BergIund y col. (Eds.), Proeeedings of the 5th International Congress on Noise as a Publie Health Problem, vol. 1: Abstraet guide, Swedish Council for Building Research, Estocolmo, 1988, p. 123. 63. G. Jansen, EinfluB hoher Lilrmintensitilten auf den Mensehen unter besonderer Berücksiehtigung der extraauralen Sehallwirkungen, BMVg, Forschungsvorhaben InSan-0479V-5481, Bonn, 1983. 64. G. Jansen y S. Schwarze, Dokumentation Arbeitswissensehaft, vol. 17, 1988. p. 205.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Capítulo

26

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION Henning E. von Gierke w. Dixon Ward

INTRODUCCION Este capítulo describe los factores relacionados con el desarrollo de la pérdida de audición inducida por el ruido, comenta los criterios y límites aceptables de exposición al ruido y describe los límites de la misma para las ondas infrasónicas y ultrasónicas y las directrices para una exposición aceptable a la vibración. Este capítulo está estrechamente asociado con el Capítulo 12, sobre la medida de la exposición sonora y dosis de ruido, donde estos términos se definen y describen. Los términos criterio y /{mite se usan a veces de forma indistinta. En este capítulo, el término criterio se emplea, en su sentido original, para definir una norma o regla sobre la que puede basarse una decisión o enjuiciamiento. Así. denota una forma de decidir el establecimiento de un límite aceptable, de una restricción que ha de ser impuesta. Los criterios biológicos habitualmente describen las relaciones de causa-efecto para los distintos efectos sobre los que se basan los límites de exposición. La exposición al ruido puede dañar el mecanismo auditivo; este daño se manifiesta en forma de una pérdida de audición permanente. La extensión del daño depende de la cantidad de energía acústica absorbida por el oído. Hasta cierto punto. el efecto es acumulativo y la exposición al ruido que un oído ha recibido depende tanto del nivel sonoro como de la duración de la exposición. Sin embargo. incluso si se conoce la dosis de ruido, la extensión del daño (o grado de pérdida auditiva) no puede predecirse fácilmente porque: (1) el oído se recupera en cierta medida durante los períodos de silencio relativo entre las exposiciones al ruido; (2) factores físicos que rara vez pueden medirse con precisión afectan a la extensión del daño (por ejemplo, fluctuaciones en el nivel de ruido, intermitencia, variaciones en el nivel sonoro en lugares de trabajo concretos, «factor cresta»), y (3) el efecto de las diferencias individuales en la susceptibilidad, que puede a su vez variar con la edad, 26.1

26.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

no puede evaluarse por adelantado. Todos estos factores afectan a la precisión con que se predice la probabilidad de pérdida de audición en una población concreta, y la precisión con que puede estimarse la pérdida auditiva potencial de una persona para una exposición conocida. Un paso crucial para la reducción de la ocurrencia de desplazamientos de umbrales permanentes inducidos por el ruido en una población es el establecimiento de límites «seguros» o aceptables de la exposición. Sin embargo, el establecimiento de estos límites no es un problema sencillo. Parecería que sólo son necesarios dos pasos: (1) definir el grado de pérdida de audición que se considera que representa un riesgo aceptable (O necesario) para la persona implicada y para la sociedad, y (2) determinar aquellas exposiciones al ruido que, en valores medios, producen esta pérdida de audición. En la práctica, a menudo surgen dificultades que conducen al fracaso a la hora de obtener un acuerdo sobre cualquiera de los pasos anteriormente mencionados por las siguientes razones: 1. El establecimiento de los [{mites de exposición al ruido aceptables debe basarse, en último término, en decisiones sociales, económicas y políticas; no se puede decidir exclusivamente sobre la base de datos científicos y técnicos, aunque estos datos deben constituir la base del argumento en favor de un límite particular. Por esta razón. distintos grupos. en distintos países, con intereses diferentes, ya menudo opuestos. defienden distintos valores para los límites (basados sobre criterios diferentes). Sin embargo, en interés de la totalidad de la comunidad, es claramente deseable que se establezca un límite realista (v.g., uno que pueda imponerse). 2. La cuantificación de la exposición al ruido suele ser un problema complejo. Es precisa una escala única que exprese los efectos perjudiciales tanto de la exposición al ruido estable, como las exposiciones a una variedad de ruidos intermitentes. (Con este propósito, son útiles los medidores de exposición al ruido o dosímetros del ruido personales, que se llevan individualmente y que registran la exposición al ruido de la persona.) 3. La relación entre la exposición diaria al ruido (también denominada «dosis de ruido») y el daño al mecanismo auditivo (pérdida de audición), evaluada mediante experimentos con animales o mediante observación epidemiológica, a menudo no resulta concluyente, debido a que lesiones parecidas pueden estar causadas por gran variedad de agentes. además del ruido.

FACTORES RELACIONADOS CON EL DESARROLLO DE LA PERDIDA DE AUDICION INDUCIDA POR EL RUIDO Límites aceptables de exposición al ruido

Se han propuesto límites aceptables para la exposición basados sobre criterios de riesgo de lesión, que van desde los muy restrictivos. poco realistas, a los razonablemente laxos. Aunque la potencial amenaza a la audición puede expresarse en la forma «una pérdida de x dB para las frecuencias audiométricas 11. h. ... , In, que ocurre en el y por ciento de las personas expuestas durante un período de exposición de z

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

26.3

años», existe poco acuerdo sobre los números que deben asignarse a x, J, y y z. Por ejemplo, la Environmental Protection Agenci de los EE.UU. ha adoptado la posición de que si hay que prevenir el deterioro de la audición (por pequeño que sea), cualquier criterio tiene que incluir medidas de las frecuencias más sensibles (4000 Hz). Contrariamente a esto, otros han apoyado un criterio basado sobre una regla establecida por la American Academy oJ Otolaryngology - Head and Neck Surgery (AAO-HNSf [ver Ecuación (19.2»). De acuerdo con esta regla, una pérdida de audición es significativa sólo si el umbral de audición medio a 500, 1000, 2000 Y3000 Hz supera los 25 dB. Relación entre exposición al ruido y lesión del mecanismo auditivo

Al establecer un límite para las exposiciones al ruido aceptables, hay que considerar un equilibrio entre nivel sonoro y duración de la exposición. Este límite de la exposición se expresa en términos de: (1) el espectro del ruido; (2) su nivel, habitualmente en términos del nivel sonoro con ponderación A, y (3) su duración. Cuando la duración de la exposición se reduce a la mitad (o se dobla), ¿cuánto puede aumentarse (o reducirse) el nivel sonoro si hay que mantener el riesgo constante? La tasa de intercambio se define como el número de decibelios que tendría que aumentarse (o reducirse) el nivel sonoro de la exposición diaria al ruido para mantener una cierta medida del riesgo de pérdida auditiva elegida, cuando la duración de la exposición se reduce a la mitad (o se duplica). (Véase «Tasas de intercambio», Capítulo 12.) Las tasas de intercambio de 3 y 5 dB son ampliamente utilizadas en las normativas o estándares de varios países que limitan la duración de la exposición de los trabajadores al ruido. Regla de 3 dB (tasa de intercambio de 3 dB). La «regla de 3 dB» asume que la lesión es proporcional a la energía total con ponderación A absorbida por el oído, sea la exposición al ruido continua o intermitente. Un aumento de 3 dB duplica la energía. De acuerdo con esta regla, por tanto, un aumento de 3 dB en el nivel sonoro con ponderación A al que el trabajador está expuesto es equivalente a duplicar la duración de la exposición. Esta suposición ignora los poderes recuperadores del oído que actúan durante los intervalos de silencio relativo del ruido intermitente; estas interrupciones tienden a reducir la probabilidad de desarrollar lesiones sobre la base de la energía sonora total acumulada. Esta regla, apoyada por los datos epidemiológicos sobre poblaciones regularmente expuestas a ruido ocupacional continuo, se emplea en la normativa internacional, descrita a continuación, para estimar las limitaciones auditivas inducidas por el ruido. Regla de 5 dB (tasa de intercambio de 5 dB). Contrariamente a la relación anteriormente expuesta, los experimentos en laboratorio que utilizan los desplazamientos temporales del umbral inducidos por el ruido han indicado que la reducción a la mitad del tiempo de exposición, sobre todo cuando esto se logra mediante una exposición intermitente, permite un aumento medio de 5 dB en el nivel sonoro con ponderación A para un efecto constante, aunque el valor exacto depende de la duración específica y el nivel sonoro particula~. Esta tasa de intercambio de 5 dB ha

26.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

sido adoptada por el Department 01 Labor de los EE.UU. para el establecimiento de una dosis de ruido permisible4 •

Ruidos impulsivos. Los efectos de los ruidos impulsivos sobre la audición (tales como disparos o impactos de martillo en la forja) pueden estimarse sobre la base de cualquiera de las reglas anteriores. Otra regla para evaluar la aceptabilidad de ruidos impulsivos determina el límite del nivel sonoro pico instantáneo permitido; p. ej., un nivel de presión sonora de 140 dB, o un número de máximos a distintos niveles aceptables en una jornada de 8 horas. La validez de este criterio se basa sobre la suposición de que existe un «nivel crítico», un nivel de presión sonora por encima del cual existe un riesgo elevado, por corta que sea su duración. Relaciones empíricas dosis-efecto

Un método para establecer una relación empírica entre la dosis diaria D permisible [véase Ecuación (12.9)] y su efecto sobre la audición es comparar el estado de la audición de grupos de trabajadores industriales que han estado expuestos a niveles de ruido conocidos durante cierto número de años con el encontrado para grupos de control. Se iguala a estos últimos con los grupos industriales, tanto como sea posible, en todos los aspectos excepto el de la exposición al ruido industrial. Sin embargo, resulta difícil por las siguientes razones. La sensibilidad auditiva decrece con la edad, es decir, con el tiempo se produce una pérdida de la audición denominada presbiacusia (véase Figura 17.4), incluso en personas que nunca han sido expuestas al ruido industrial. Además, puede haber pérdidas debidas a enfermedades, accidentes o sustancias tóxicas (<
CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

26.5

sorprendente que se haya encontrado alguna consistencia entre los estudios sobre pérdidas auditivas entre las poblaciones industriales. Por ejemplo, una encuestaS de los datos recogidos por varios investigadores consideró los efectos de la exposición ocupacional a ruidos estables, 8 horas diarias, 5 días a la semana, durante muchos años. Pocos de los estudios incluidos en esta encuesta tenían grupos de control con los que comparar los grupos industriales; en otros estudios, los umbrales audiométricos para las frecuencias bajas eran imprecisos debido a la presencia de ruido enmascarador, que afecta a los valores del umbral medidos. Sin embargo, cuando los niveles auditivos de los trabajadores industriales fueron comparados con los hallados en la población general, emergieron tendencias razonablemente consistentes. La Figura 26.1 muestra los resultados de tales análisis a una frecuencia de 4000 Hz. Los círculos a trazo continuo indican las pérdidas de audición inducidas por el ruido industrial a 4000 Hz (niveles de audición reales menos una corrección por presbiacusia más socioacusia más nosoacusia) observadas para la mediana poblacional después de aproximadamente 10 años de exposición diaria a ruidos con los niveles sonoros con ponderación A dados en la abscisa. Los datos se ajustan mediante una línea recta que pasa a través de cero decibelios del desplazamiento de umbral inducido por el ruido industrial para un nivel sonoro con ponderación A de 81 dB. La precisión de la relación obtenida entre la exposición al ruido y la pérdida de audición está apoyada por los datos aportados por los dos puntos claros; representan los resultados de dos estudios consecutivos e independientes sobre los trabajadores empleados en un ambiente con niveles sonoros con ponderación A entre 80 y 90 dB. Un estudio encontró que los trabajadores textiles en un entorno de nivel sonoro con ponderación A de 83 dB mostraban desplazamientos en los umbrales de enz 50 00 .... -en zs¿o wo-:¡-' ~«w 40 ~w~ olZ a.. en o enwz ~~"'. 30 enID o o~g -':¡:¡ w cr: oen-, 20 «gw °wcr: «0 0 ~en~ .... w o 10 ffl!zg «wu zZ:¡ ««o O -~z 0cr:Ww ~a..

4000 HER 105

• •

• 80

90

100

NIVEL SONORO CON PONDERACION A EN dB(A)

FIGURA 26.1. El desplazamiento permanente del umbral inducido por el ruido a 4000 Hz para la mediana de la población después de aproximadamente 10 años de exposición diaria a los ruidos con niveles sonoros con ponderación A presentados sobre el eje horizontal. (Siguiendo la Referencia 5.) Los círculos claros representan datos posteriores8 •7 •

26.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

audición de unos 5 dB por encima de los del grupo de control de personas que trabajaban en ambientes con niveles sonoros con ponderación A de 70 dB o inferiores6 • El otro estudio determinó las pérdidas de audición de aproximadamente 11 dB en trabajadores que estaban diariamente expuestos a niveles sonoros con ponderación A de aproximadamente 87 dB 7 • La Figura 26.2 muestra un conjunto de curvas a distintas frecuencias basadas en los datos de la Referencia 5. Estas curvas relacionan la mediana de la pérdida de audición inducida por el ruido industrial con el nivel sonoro con ponderación A (8 horas al día de ruido estable, sólo interrumpido por los períodos normales de descanso durante las comidas, 5 días a la semana, durante 10 años o más). En vistas a una mayor claridad, sólo se presentan los valores de la mediana (percentiles 50), aunque están disponibles los datos para los demás percentiles. Sobre la base de esta y otra información adicional, parecen justificadas las siguientes aproximaciones iniciales: 1. A niveles sonoros con ponderación A por debajo de 80 dB no existen datos

reales indicando que la exposición diaria al ruido afecte la mediana individual. Algunos investigadores asumen que los desplazamientos permanentes de umbral inducidos por el ruido alcanzan un valor de cero decibelios a un nivel sonoro con ponderación A de aproximadamente 80 dB, tal como sugiere la extensión de la línea recta en la Figura 26.1. Otros argumentan que la línea de la Figura 26.1 se aplica sólo a la mediana y que también hay que evaluar

4000 3000

1000

OL---~~L-

75

80

__L-~~~~__~~__~____- L__~

85

90

95

100

105

110

NIVEL SONORO CON PONDERACION A EN dB(AI

FIGURA 26.2. Relación entre el valor de la mediana de las pérdidas auditivas inducidas por el ruido y el nivel sonoro con ponderación A al que los trabajadores están expuestos, 8 horas al día, 5 días a la semana, durante 10 años o más. (Siguiendo la Referencia 5.)

CRITERIOS DE EXPOSICION Al RUIDO Y LA VIBRACION

26.7

percentiles que pueden representar al segmento más susceptible de la población. Postulan, por tanto, que las exposiciones a niveles sonoros con ponderación A en el rango de los 70 a los 75 dB puede dar como resultado un desplazamiento pequeño, pero detectable, del umbral a 4000 Hz (la frecuencia más susceptible) en un número pequefio de personas, entre el 1 y el 10 por 100 de la población. 2. A un nivel sonoro con ponderación A de 80 dB, los cambios en la mediana del umbral para frecuencias de 3000, 4000 Y6000 Hz empiezan a aparecer. 3. A un nivel sonoro con ponderación A de 85 dB, para la mediana se producen cambios de aproximadamente 10 dB en los umbrales para frecuencias de 3000,4000 Y6000 Hz; se estima que aproximadamente en ellO por 100 de las personas expuestas el cambio alcanza de 15 a 20 dB. 4. A un nivel sonoro con ponderación A de 90 dB, los cambios en los umbrales para las frecuencias de 3000, 4000 Y6000 Hz (para la mediana de las personas expuestas) alcanza aproximadamente los 20 dB, pero a frecuencias de 500, 1000 Y2000 Hz, los umbrales no están afectados. 5. Por encima de niveles sonoros con ponderación A de 90 dB, la exposición al ruido a largo plazo produce cambios significativos en el umbral auditivo medio a 500, 1000, 2000 Y3000 Hz. Estas son las cuatro frecuencias empleadas para estimar las limitaciones auditivas de acuerdo con la definición del método AAO-HNS/197o/ [véase Ecuación (19.2)].

Estimación de la limitación auditiva inducida por el ruido (norma ISO 1999l. Esta norma incluye un método para calcular el desplazamiento permanente de umbral inducido por el ruido para frecuencias entre 500 y 6000 Hz, para una exposición sonora diaria con ponderación A entre 364 Pa 2 ·s y 1,15 X lOS Pa 2 ·s, para una jornada laboral de 8 horas (la exposici6n sonora es el valor de la presión sonora con ponderación A al cuadrado integrada en el tiempo, a lo largo de un período de tiempo especificado T, o para un suceso específico). Este rango corresponde a un nivel de presión sonora continuo equivalente con ponderación A, para una jornada laboral de 8 horas, entre 75 y 100 dB. No se ponen límites sobre los niveles de presión sonora instantáneos implicados, aunque se afirma que el uso de la norma para niveles de presión sonora por encima de los 140 dB en el oído (bajo un aparato de protección auditiva, si se emplea) «debe considerarse como una extrapolación». Las fórmulas de esta norma se aplican a períodos de exposición sonora entre O y 40 años. El método se aplica a ruidos estables, intermitentes, fluctuantes, irregulares o impulsivos y aporta las bases para calcular la limitación auditiva de acuerdo con las distintas fórmulas empleadas en diferentes países o por diversas organizaciones, cuando los niveles de los umbrales de audición a las frecuencias audiométricas superan ciertos valores. Aunque la norma no establece límites específicos para la exposición al ruido, aporta datos para la evaluación del riesgo en la formulación de normativas administrativas que están sometidas a consideraciones económicas, políticas y éticas.

26.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Normativas y límites para la exposición al ruido Los datos empíricos precedentes pueden emplearse para establecer límites a la exposición al ruido mediante la selección de un nivel sonoro estable (para 8 horas diarias de exposición) que se considere aceptable, y la determinación de la duración para otros niveles sonoros que produzcan exposiciones equivalentes.

Normativa OSHA. De acuerdo con la normativa de la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) de los EE.UU. 4 •9 , la dosis diaria de ruido D en porcentaje [véase Ecuación (12.10)] se da, en términos de niveles sonoros con ponderación A medidos con tiempo de respuesta lento (slow), mediante: (26.1)

donde C¡ es la duración de la exposición al ruido a un nivel sonoro con ponderación A constante y T¡ es la duración de referencia permitida para la exposición al ruido con nivel sonoro estable. No se permite una dosis diaria de ruido por encima del 100 por 100. Se permite, para una duración de 8 horas, la exposición al ruido con un nivel sonoro con ponderación A, medido con tiempos de respuesta lento (slow), de 90 dB. Por cada aumento del nivel sonoro de 5 dB(A) hasta 115 dB(A), la duración permitida se reduce a la mitad. Por ejemplo, se permite un nivel sonoro de 95 dB(A) durante 4 horas, de 100 dB(A) durante 2 horas, 105 dB(A) durante 1 hora, 110 db(A) durante 30 minutos, 115 dB(A) durante 15 minutos. Las secciones (a) y (b) de la norma de exposición al ruido del Departmentof Labor de los EE.UU. 4 , que indican cuándo debe exigirse protección contra los efectos de la exposición al ruido, no requieren que se considere la exposición con niveles sonoros con ponderación A, medidos con tiempo de respuesta lento (slow), por debajo de 90 dB al determinar la dosis de ruido D; no se permite la exposición a niveles sonoros por encima de los 115 dB(A). Más aún, para exposiciones a ruido con niveles sonoros con ponderación A, medidos con tiempo de respuesta lento (slow), de cualquier valor, el nivel de presión sonora pico instantáneo no debe superar los 140 dB.

Enmienda de conservación de la audición. La Hearing Conservation Amendmenf [secciones (c) y (d)] estipula un método más simple para calcular la dosis de ruido D: se integran todos los niveles sonoros con ponderación A, medidos con tiempo de respuesta lento (slow), entre 80 y 130 dB; la dosis de ruido de referencia es 90 dB(A), para una duración de 8 horas. No hay procedimientos adicionales o alternativos respecto de los niveles pico o los niveles de presión sonora de banda de octava. Si la dosis de ruido D es del 50 por 100 o superior, el trabajador debe entrar en un programa de conservación de la audición. Dado que una dosis de ruido D del 50 por 100 corresponde a una exposición estable a un nivel sonoro estable de 85 dB(A), para una duración de 8 horas, se dice que el trabajador está expuesto a un nivel sonoro medio promediado en el tiempo (TWA) de 85 dB(A). La tabla Al de

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

26.9

esta normativa muestra la relación entre la dosis de ruido D y el nivel sonoro medio promediado en el tiempo.

Exposiciones sonoras únicas. Sucesos aislados. Los límites descritos anteriormente se refieren a la exposición sonora que se repite día tras día, durante muchos años. No se aplican a sucesos únicos, aislados. Sonidos impulsivos de nivel muy alto, por ejemplo, impactos aislados o impulsos con una tasa de repetición lenta, pueden constituir un riesgo mayor que el indicado por la medida a largo plazo de la exposición sonora o dosis de ruido (véase Capítulo 18). Varias normativas nacionales y una norma internacional especifican un límite de la presión sonora pico instantánea permisible, o cantidad aproximada equivalente; véase Capítulo 12. La normativa de la Comunidad Europea lO requiere que la presión sonora instantánea máxima, sin ponderación de frecuencia, no supere 200 Pa durante una jornada laboral, es decir, un nivel de presión sonora máximo no superior a 140 dB cuando se mide con un sonómetro con respuesta en frecuencia plana, todas o «lineal» sin ponderación temporal exponencial. Es difícil medir con precisión el verdadero nivel pico de presión sonora porque la forma de onda de la señal puede estar distorsionada por la frecuencia y la respuesta de fase del micrófono y sistemas de medida asociados. Se observan diferencias significativas entre las medidas de presión sonora pico realizadas con distintos sonómetros o medidores personales de exposición al sonido para los mismos impulsos sonoros (p. ej., remachado), aunque los instrumentos cumplan los requisitos de la normativa aplicable para precisión. En EE.UU., la Occupational Noise Exposure Standard del Departamento de Trabajo l1 (en Nota 1 a la Tabla G-16) afirma que «la exposición a un nivel de ruido impulsivo o de impacto no debe superar el nivel de presión sonora pico de 140 dB». Sin embargo, la regla no define qué constituye un «impulso» o «impacto» sonoro, ni la anchura de banda de la frecuencia (o ponderación de frecuencia) del instrumento de medida, o si hay que realizar la medida del nivel pico de presión sonora con o sin normas de ponderación temporal exponencial.

CRITERIOS PARA LA EXPOSICION A RUIDO DE FRECUENCIAS INFRASONICAS y UL TRASONICAS Frecuencias infrasónicas12 •

El rendimiento humano y la función vestibular no se ven influidos por exposiciones de corta duración a ruido de frecuencias infrasónicas para niveles de presión sonora de incluso 140 a 155 dB. Bajo ciertas condiciones de estimulación, se han observado efectos auditivos y respiratorios. El sistema auditivo parece ser más sensible a los

• In¡rasonido: Ondas sonoras con una frecuencia inferior a la que produce la sensación habitual de audición en seres humanos. por lo general. por debajo de 16 Hz.

26.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

posibles efectos adversos de las ondas infrasónicas que otros sistemas corporales (salvo las posibles respuestas «de todo el cuerpo» a niveles muy altos de corta duración). De ahí que el criterio que protege el sistema auditivo también debiera aportar protección a otros sistemas menos susceptibles. El siguiente criterio orientativo para la exposición de larga duración a ruido de frecuencias infrasónicas se basa sobre la extrapolación de datos disponibles. Ellímite del nivel de presión sonora L limit, para la exposición a la frecuencia infrasónica f en herzios, para una duración de t minutos, viene dado por L limit = 10 10glO (tI8)

+ 10 10glO (fI20) + 141

dB

(26.2)

Se sugiere un nivel máximo de 150 dB, por corta que sea la duración. Por ejemplo, de acuerdo con la Ecuación (26.2), los niveles máximos permisibles para exposiciones de 1,8 Y24 horas de duración se presentan en la Tabla 26.1. Estos límites se establecen en función de la seguridad, interferencia con las funciones corporales generales y su preservación. No se consideran la molestia subjetiva ylo la comodidad e interferencia con la comunicación. Los tapones se recomiendan para todas las exposiciones infrasónicas intensas con el fin de minimizar las sensaciones subjetivas. Los auriculares aportan una atenuación insignificante en el rango de frecuencias infrasónicas.

Frecuencias ultrasónicas" Aunque la exposición a ruido de frecuencia ultrasónica (ultrasonido) aparentemente no produce pérdida de la audición, se ha propuesto que, para una jornada laboral de 8 horas, a 20.000 Hz o por encima, los niveles de presión sonora de un tercio de octava no deben superar 110 dB 13 • TABLA 26.1. Niveles t de presión sonora permisibles máximos en decibelios para exposiciones de larga duración a ruido de frecuencia infrasónica, para exposiciones con duraciones de 1,8 Y 24 horas

Frecuencia Duración, horas

5Hz

10Hz

20Hz

1

145

138

135

132

8

136 131

129 124

126

123

121

118

24 t

1 Hz

Estos valores están calculados a panir de la Ecuación (26.2) .

... Ultrasonido: Ondas sonoras que poseen una frecuencia superior a la que produce la sensación de audición en un sujeto humano normal, habitualmente por encima de 20.{)()() Hz.

CRITERIOS DE EXPOSICION Al RUIDO Y LA VIBRACION

26.11

CRITERIOS PARA NIVELES DE RUIDO EN LOCALES CERRADOS Los criterios para niveles de ruido en varios tipos de locales cerrados en un edificio se tratan en detalle en el Capítulo 43.

CRITERIOS DE TOLERANCIA HUMANA PARA EXPOSICION A LA VIBRACION,,15 Sólo pueden darse límites aproximados para la seguridad y el rendimiento humano bajo condiciones reales de exposición a la vibración, ya que la forma física exacta de acción del ambiente cambia con los movimientos y posiciones impredecibles de los seres humanos. Además las variaciones biológicas con respecto a las reacciones físicas, fisiológicas y psicológicas hacen que las respuestas humanas sean de naturaleza estadística. Las respuestas individuales pueden desviarse considerablemente de cualquier media. Por tanto, hay que emplear con cautela los criterios biológicos; éstos se resumen aquí como directrices aproximadas con propósitos técnicos. Los criterios de tolerancia, así como los ejemplos del ambiente del campo, sólo indican órdenes de magnitud, no límites rígidos. Para problemas críticos de seguridad, es indispensable un estudio detallado de la bibliografía o un consejo experto. La vibración puede inducir desórdenes que conducen a cambios artríticos en las articulaciones de las vértebras o en articulaciones como las de la mano, codo y hombro (p. ej., en operadores de taladradoras). Si estos cambios se producen en la región de la nuca, como ocurre a veces en los mineros, el flujo sanguíneo hacia la cabeza a través de las arterias vertebrales puede estar limitado. Estas arterias, que irrigan el oído interno, están entretejidas con las vértebras cervicales. Esta restricción del flujo sanguíneo puede dar como resultado mareos o sensaciones de inestabilidad, sobre todo con movimientos repentinos de la cabeza. Se han desarrollado muchos métodos para evaluar la reacción humana a la vibración de forma cuantitativa, pero la mayoría de ellos se basan sobre un número limitado de ensayos, tipos específicos o interpretaciones concretas de experimentos.

Exposición de todo el cuerpo

En ausencia de una enfermedad laboral inducida por la vibración claramente definida y debido a la gran variabilidad de los efectos de la vibración sobre el rendimiento humano, es difícil seleccionar procedimientos de evaluación que consideren todos los factores que influyen en el establecimiento de los criterios de tolerancia humana; por ejemplo, factores tales como magnitud de la vibración, frecuencia, forma de onda, duración de la exposición, intermitencia, dirección de la vibración y posición del cuerpo con respecto a la superficie que vibra. A pesar de estas dificultades, se ha desarrollado una guía para evaluar la exposición humana a la vibración en todo el cuerpo16.17. Esta guía aporta límites de exposición (tiempo) para la vibración de todo el cuerpo en el rango de frecuencias entre 1 y 80 Hz. Está recomendado para la evaluación de la vibración en ambientes industriales y vehículos de trans-

26.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

porte. Se presentan límites para los siguientes aspectos: (1) la preservación de la eficacia laboral, denominado lfmite de reducción de la capacidad por la fatiga, para tareas típicas, como conducir un tractor; (2) el mantenimiento de la salud o seguridad, denominados lfmites de exposición, que, sin justificación especial y conocimiento, no deben superar un riesgo potencial para la salud, y (3) el mantenimiento de la comodidad, denominado límite de reducción del confort. En los vehículos de transporte, este último está relacionado con funciones tales como leer, comer y escribir. Los tres límites anteriores dependen de la duración de la exposición diaria media. Todos son mayores para duraciones cortas (como un minuto al día) y menores para exposiciones de 24 horas (continuas). La Figura 26.3a muestra el límite de reducción de la capacidad por la fatiga para vibración longitudinal (pies a cabeza) en función de la frecuencia de vibración, con la duración de la exposición diaria como parámetro. La Figura 26.3b muestra datos parecidos para vibración transversal (de lado a lado o de pecho a espalda). La Figura 26.4 muestra estos mismos límites marcados en función de la duración de las exposiciones; en la Figura 26.4a se dan los datos para vibración longitudinal, y en la Figura 26.4b, para vibración transversal. Estos límites se definen en términos de amplitudes de aceleración de raíz cuadrática media (RMS) para vibraciones sinusoidales de frecuencia única o valores RMS para aceleración promediada temporalmente de tercios de octava. Para vibración de banda ancha, la amplitud de la aceleración RMS en cada banda de octava no debe superar los límites indicados; para vibración simultánea en más de una dirección, se aplican los límites correspondientes a los componentes en cada uno de los tres ejes. Estas directrices también permiten una evaluación mediante el valor global RMS para el rango de 1 a 80 Hz, empleando funciones con ponderación de frecuencia proporcionales a la inversa de las curvas que muestra la Figura 26.3. Los límites de reducción de la capacidad por la fatiga indican los rangos de exposición aproximada que potencialmente afectarían al rendimiento humano. La gravedad de esta interferencia en relación con el rendimiento depende de las tareas específicas (p. ej., visuales, motrices o de lectura), posición corporal y apoyo del sujeto (espalda, cabeza y brazo )15. Estos factores pueden cambiar la forma de las funciones ponderadas en frecuencia de las Figuras 26.3 y 26.4. Los ¡¡miles de exposición (tiempo) para salud y seguridad son el doble de altos que los que muestran las Figuras 26.3 y 26.4 (son 6 dB más altos). Los lfmites de reducción del confort son inferiores en un factor de 3,15 a los mostrados en las Figuras 26.3 y 26.4 (son 10 dB más bajos). Aceptabilidad de la vibración de edificios 18

La vibración producida en edificios por el sonido conducido por el aire (p. ej., explosión, estampido sónico o ruido de baja frecuencia de tráfico rodado o ferroviario) o la vibración que se transmite a través de la estructura del edificio pueden evaluarse en función de la aceptabilidad humana. La amplitud de aceleración RMS para el rango desde 1 a 80 Hz se mide o estima sobre tres ejes ortogonales, uno de los cuales es perpendicular a la superficie del edificio que se está evaluando. La amplitud de la aceleración RMS está ponderada para reflejar la variabilidad de la sensibilidad humana a la vibración en las direcciones x, y, z, como se comentó ante-

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

(/)i «

26.13

m/seg 2 5,0

O

~~ ID~

UJu

0 0

-~UJ

~o

(/)0 ~­

a:ii

0,5

ZUJ o~

-z

~=> a:UJ ~o UJ

u

« FRECUENCIA EN HERZIOS FRECUENCIA CENTRAL DE BANDA DE UN TERCIO DE OCTAVA (a)

~i o

10,0 . - - - - - - - , r - - - - - - r - -...........".".~_._._r__ m/seg 2 5,0

Z

~~ UJ;:!:

°u ~o

.UJ

",'O

-o

(/)-

~u

0,5

a:ffi z~

oz

ü=> «UJ a:o UJ UJ ~

~

FRECUENCIA EN HERZIOS FRECUENCIA CENTRAL DE BANDA DE UN TERCIO DE OCTAVA (b)

AGURA 26.3. Límite de reducción de la capacidad por la fatiga para varias duraciones de la exposición a la vibración en función de la frecuencia. Si estos límites se superan puede producirse fatiga y descenso en el rendimiento. (a) Para una aceleración longitudinal de todo el cuerpo; (b) para una aceleración transversal de todo el cuerpo. (De acuerdo con la Referencia 14.)

riormente. Dado que las personas expuestas a la vibración del edificio pueden estar de pie, sentadas o tumbadas y como la respuesta global humana a tal vibración probablemente integra todas estas exposiciones, se utiliza la misma curva de ponderación para las tres direcciones corporales en la evaluación de la vibración del edificio. La curva de ponderación aporta una atenuación proporcional a 10 log [1 + (175,6)2]

(26.3)

26.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

30~----.----.-----.----,------,

---

1.01-----+----+0,1

0,1

L-...l...-.L..-L-.L.1L-.L-JL.....JL.....JL.....l~----'"-7--:-___--'

1 1,62,54,06,3 10 16 25 40 63 100 --- min I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

0.250.40,63 1.01.6 2.5 4.0 6,3 10 16 24

TIEMPO DE EXPOSICION

-+ hr

(al 100~--r---.---.---r----'

xg

~i o z ~~ w~

°u :;to CQ';c~

-o

00~u

a:ffi zloz ü:J
1.01::---0,1

w ~ w

~

0,1

1 1,62,54,06,3 10 16 25 40 63 100 I I I I I I

-+ min I

I

I

I

I

0.25 0.40.63 1.01.6 2.5 4.0 6.3 10 18 24

TIEMPO DE EXPOSICION

--+ hr

(bl

FIGURA 26.4. Límite de reducción de la capacidad por la fatiga en función de la duración de la exposición, para varias frecuencias. Si estos límites se superan puede producirse fatiga y descenso en el rendimiento. (a) Para una aceleración de todo el cuerpo; (b) para una aceleración transversal de todo el cuerpo. (De acuerdo con la Referencia 14.)

donde fes la frecuencia en herzios. Habitualmente puede asumirse que la vibración del edificio no tiene una reacción adversa si las amplitudes de la aceleración RMS ponderada no superan 3,6 X 10- 3 m1segund02• Si se supera este valor de vibración continua, hay que evaluar la habitación o estructura sobre la base de su uso específico. La Tabla 26.2 y la Figura 26.5 pueden utilizarse como guía general. La pro-

26.15

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

TABLA 26.2.

Valores de aceleración máxima para ambientes con vibración aceptable

Tipo de lugar Areas críticas, como quirófanos de hospital Viviendas

Oficinas

Fábricas o talleres

Aceleración RMS de vibración continua o intermitente

Amplitud de aceleración máxima para la excitación de golpe impulsivo

Día

0,0036

0,005

Noche

0,0036

0,005

Día

0,072

0,1

Noche

0,005

0,01

Cualquier momento

0,14

0,2

JI

[n

Cualquier momento

0,28

0,4

JI

[n

Tiempo

JI

[n

Símbolos: 1= tiempo, hasta 100 segundos; para tiempos superiores a 100 segundos, use I como 100 segundos. n = mlmero de excitaciones de golpes discretos con duración igualo inferior a l segundo. Para un número de excitaciones superior a 100. use n = 100. Tiempo diurno. de 7:00 a.m. a 10:00 p.m.; el tiempo nocturno es de 10:00 p.m. a 7:00 a.m. Todos los valores están expresados en m1segundcr para el rango de frecuencia de 1 a 80 Hz.

babilidad de queja acerca de la excitación de los edificios por golpe impulsivo depende del máximo de los impulsos y del número de éstos por día. Los criterios anteriores se aplican cuando las personas están expuestas sólo a la vibración. Se ha postulado que si la vibración y el ruido se producen simultáneamente habrá un efecto sinérgico. Por ejemplo, las vibraciones de una casa y el repiqueteo de las ventanas producidos por ruido transportado en el aire pueden aumentar la respuesta de molestia al ruido o viceversa.

Efectos sobre edificios y estructuras. También hay que evaluar el golpe y la vibración de gran amplitud respecto de sus efectos potenciales sobre edificios y estructuras. Una velocidad RMS de 0,05 mlsegundo suele emplearse como un límite seguro para las estructuras, aunque a veces se han producido daños menores a 0,025 mlsegundo. Por lo tanto hay que discutir los movimientos estructurales de esta magnitud respecto a su impacto potencialmente adverso. (Pueden ser necesarios límites de seguridad inferiores para monumentos antiguos y otras estructuras extremadamente sensibles.) Cuando se miden con la función ponderada de la Ecuación (26.2), 2 estos límites corresponden a valores de aceleración de 0,5 mlsegund0 y 1 mlsegun2 d0 para frecuencias por encima de 3 Hz. En la Referencia 20 se presenta un análisis detallado del problema de la vibración de edificios.

26.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

10'

102

2,0 1,0

0,5 ~

0,2

z~

0,1

1 mI ge9 2

,

, YM1RAL DE ~~ESGO}~E DA~~ PAR_~ EST~~CTU~~S SE~~IBLE~~ _ 0,5 m/seg2

" , , , ,

~ 0,05 O

~

0,02

Ir

w

ül 0,01 u

e{

0,005 NUMERO DE IMPULSOS DIARIOS

10'

102

1C3

10'

105

DURACION DE LA EXPOSICION EN SEGUNDOS

FIGURA 26.5. Aceptabilidad de valores de aceleración RMS en edificios de viviendas; estos valores están restringidos al rango de frecuencias entre 1 y 80 Hz y están «ponderados" de acuerdo con la función presentada en la Ecuación (26.2). El porcentaje de «quejas n representa al porcentaje de residentes que se quejan sobre la exposición a la vibración. (De acuerdo con la Referencia 19.) Vibración en brazos y manos2 '-23

No existen límites generalmente aceptados sobre exposición para la protección contra la vibración transmitida a las manos por herramientas, como sierras mecánicas o neumáticas y herramientas eléctricas empleadas en industrias de fabricación y construcción. La Figura 26.6 presenta los límites para la duración de las exposiciones rutinarias diarias. Mantenerse dentro de estos límites reduce el riesgo de enfermedades debidas a las vibraciones laborales hasta unos niveles aceptables o inapreciables. Debido a las diferencias individuales, estas curvas no representan necesariamente los límites de una exposición segura para todas las personas o condiciones de trabajo. Los efectos biológicos de la vibración transmitida a la mano están muy influidos por la dirección de ésta, el método de trabajo, la destreza y las condiciones climáticas. No se deben superar los valores de aceleración de la Figura 26.6 en ninguna dirección de la superficie sobre la que se agarra la herramienta. El criterio de la norma recomendada sobre exposición laboral a vibración en manos y brazos del Nationallnstitute for Occupational Safety and Health (NIOSH) en Estados Unidos (publicado después de las normas ANSI e ISO) recomienda el uso de medidas de frecuencia no ponderadas de aceleración y el seguimiento de todos los trabajadores expuestos a vibración para identificar los primeros signos del síndrome de vibración de mano y brazo. Este control puede lograrse mediante la selección y/o rediseño de herramientas, cambio de las prácticas laborales y tiempos de exposición, seguimiento médico preventiv021 -23 y utilización de guantes protectores24 .

26.17

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VIBRACION

~ 10001r-------------------------------------------~ 6

u

Z

:J

w -,

!:!!

~ ~

u

o

w

o

o

U

a: w

50

~

Z

:J

w

o

~

z

« al

20 10

w

o

CIl

~

5

a: Z

o U « a:

2

w

~

w

~

8

16

31,5

63

125

250

500

1000

Frecuencia Hz

AGURA 26.6. Zonas de exposición de la vibración para evaluación de la vibración transmitida a la mano. Las zonas de tiempo de exposición diaria son para aceleraciones RMS de vibración de frecuencia discreta y para vibración de banda ancha o de banda fina analizada como aceleración RMS de un tercio de octava. Los valores son para la vibración dominante de eje único que genera la compresión de la musculatura de la mano, con exposiciones diarias regulares y buen acoplamiento de la mano a la fuente de vibración. (Según las Referencias 21 y 22.) Tipicos ambientes con vibración 14

La Figura 26.7 muestra los niveles de aceleración del rango de vibración para camiones, tractores y aviones. Las áreas indicadas para vibración de camión y tractor están dentro del rango de la aceleración máxima de la vibración respectiva y no representan los espectros; la mayoría de los vehículos tienen frecuencias naturales muy pronunciadas cuya excitación depende de las condiciones del suelo. Los tractores de granja con neumáticos de goma y los camiones tienen la máxima de sus aceleraciones verticales en el rango de frecuencia entre 2 y 6 Hz, mientras las excavadoras grandes con neumáticos tienen su máximo en el rango entre 1,5 y 3,5 Hz;

26.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

/ / VIBRACIONES DE MANO CON VIBRACIONES DE CUBIERTA DE BOMBARDERO EN VUELO

10

/

LJJADOIIIA

/ /

\

/

/e l e , INSTRUMENTO _"\N'ILI

VIBRACIONES DE VEHICUL'p

/-

ROTA11VO

/' --Jo --'-/0 él 8' /

Cl

Z

--

r--

-e

o

~

- -/ o / o 1::. ..!o o 1::.

a: w

...J W

U

oC(

....

\

-7e¿

10-'

-

o o

01::.0

01::.

o ,60 o cPts. 1::.

08 0

_ o

o

...

1::.

1::.

• o

10-2

AVION A HELlCE AVION JET HELlCOPTEROS

o

10-3L-________

o

~

10

________

~

__________L __ _ _ _ _ __ _

100

1.000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 26.7. Ambientes aproximados de vibración para automóviles (e), camiones (B), tractores (A) y aviones (indicados mediante los circulas, triángulos y cuadrados). Los valores máximos de la aceleración están registrados en función de la frecuencia. También se indican los valores de la vibración observada en las manos al operar varias herramientas. Muchos de estos niveles, que son muy dependientes del diseño de la herramienta y del tipo de operación, están dentro del rango de aceleración que puede producir lesiones crónicas en las manos. (Según Referencia 14.)

tractores del tipo oruga pueden tener sus máximos a frecuencias más altas, alrededor de 5 Hz. Los círculos, cuadrados y triángulos oscuros de la Figura 26.7 indican los niveles de vibración en emplazamientos de aviación que fueron considerados excesivos e indeseables en funcionamiento real. Las marcas claras indican condiciones aceptadas como tolerables. La línea divisoria entre vibración tolerable y excesiva es el criterio de tolerancia para vibración a largo plazo. que se empleó en la aviación militar antes de que hubiera otras normas disponibles.

CRITERIOS DE EXPOSICION AL RUIDO Y LA VI BRACIO N

26.19

Exposición combinada al ruido y a la vibración 25

La ocurrencia simultánea de los estímulos del ruido y la vibración da como resultado una interacción mínima en su efecto sobre la salud y la seguridad hasta los niveles de exposición de los criterios de sanidad recomendados para cada modalidad. Bajo tales circunstancias, la combinación afecta fundamentalmente a los enjuiciamientos de comodidad y molestia. Hay que consultar los criterios para el ambiente combinado (p. ej., calidad del viaje en trenes o aviones) para lograr un control efectivo del ruido y la vibración.

REFERENCIAS 1. «Inforrnation on levels of enviromental noise requisite to protect public health and wel-

2. 3. 4. 5. 6.

7. 8.

9. 10.

11.

12. 13. 14. 15.

16.

fare with an adequate margin of safety", 550/9-74-004, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.e., marzo 1974. «Guide for the evaluation of hearing impairrnent», J. Am. Med Assoc., vol. 241, 1979, p.2055. K. D. Kryter y col.,}. Acoust. Soco Am., vol. 39,1966, p. 451. «Department of labor occupational noise exposure standard,., Code of Federal Regulations, Title 29, Chapter XVII, Part 1910, Subpart G, 36 FR 10466,29 de mayo de 1971. W. Passchier-Verrneer, «Hearing loss due to exposure to steady-state broadband noise», Report 35, Institut voor Gezondheidstechniek, Delft, Países Bajos, 1968. D. W. Robinson, M. S. Shipton y L. S. Whittle, «Audiometry in industrial hearing conservation,., Acoustics Report Ac 71, National Physical Laboratory, Teddington, Reino Unido,1973. R. A. Yerg y cols., J. Occup. Med., vol. 20, 1978, p. 351. «Acoustics - Deterrnination of occupational noise exposure and estimation of noise-induced hearing impairrnent», ISO 1999:1990, Intemational Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1990. «Department of labor occupational noise exposure standard», Amended Code oC Federal Regulations, Title 29, Chapter XVII, Part 1910, 48FR9776-9785, 8 de marzo de 1983. «Council directive of 12 May 1986 on the protection of workers from the risks related to noise exposure at work (86/188/EEC),.,Journal ofthe European Communities, n° L137/ 28, 24 de mayo de 1986. «Occupational noise exposure standard,., U.S. Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration (OSHA), Code of Federal Regulations, Tille 29, Part 1910, Section 1910.95 [29 CFR 1910.95], Federal Register, 48,29687-29698,28 de junio de 1983. H. E. von Gierke y D. E. Parker, «Infrasound,., en W. D. Keidel y W. D. Neff (Eds.), Handbook ofsensory physiology, Springer, Nueva York, 1976. W.1. Acton y M. B. Carson, Brit. J. IndustrÚlI Medicine, vol. 24,1967, p. 297. H. E. von Gierke y D. E. Goldman, capítulo 44 en e. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3.· ed., McGraw-HiII, Nueva York, 1987. H. E. von Gierke y e. W. Nixon, «Vibration, noise and communication,., capítulo 10 en R. L. De Hart (Ed.), Fundamentals of aerospace medicine, Lea and Febiger, Filadelfia, 1985. Guide for the evaluation of human exposure to whole-body vibration, ANSI S3.18-1979, American National Standards Institute, Nueva York, 1979.

26.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

17. Cuide for the evaluation ofhuman exposure to whole-body vibration, ISO 2631-1978, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1978. 18. Cuide for the evaluation of human exposure to vibration in buildings, ANSI S3.29-1983, American National Standards Institute, Nueva York, 1983. 19. Cuidelines for preparing environmental impact statements on noise, National Research Council, National Academy of Sciences, Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics, Washington, D.e., 1977. 20. W. J. Hall, «Vibrations of structures induced by ground motion», capítulo 24, Parte 1, en e. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3.· ed., McGraw-HilI, Nueva York, 1987. 21. Cuide for the measurement and evaluation of human exposure to vibration transmitted lO the hand, ANSI S3.34-1986, American National Standards Institute, Nueva York, 1986. 22. Cuidelines for the measurement and the assessment of human exposure to hand-transmitted vibration, ISO 5349-1985, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20. Suiza. 1985. 23. Criteria for a recommended standard: Occupational exposure lO hand-arm vibration, publicación n.o 89-106, U.S. Department of Health and Human Services (NIOSH), Cincinnati.1989. 24. Cuide for the measurement and evaluation of gloves which are used to reduce exposure lO vibration transmitted to the hand. ANSI S3.4O-1989, American National Standards Institute. Nueva York. 1989. 25. H. E. von Gierke, «Exposure to combined noise and vibration environments», Proc. of 3rd Intern. Congo on Noise as a Public Health Problem, ASHA Report 10, American Speech and Hearing Association. Rockville, Md., 1980.

Capítulo

27

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION Cyril M. Harris

VIBRACION ESTABLE Y TRANSITORIA Un sistema mecánico oscilará (vibrará) si se mueve de su posición de descanso y luego se deja libre. El tiempo en segundos que tarda el sistema en realizar una oscilación completa se defme como su período. El número de veces que el sistema hace una oscilación completa en un segundo se denomina frecuencia de vibración; se expresa en herzios, abreviado Hz, o ciclos por segundo. La frecuencia es la recíproca del período. Por ejemplo, supongamos que un motor eléctrico, montado sobre muelles, es desplazado en dirección vertical y luego soltado; si la frecuencia de vibración es 14 Hz, el período es 71 milisegundos. El movimiento en función del tiempo de cualquier punto particular de un sistema lineal vibrante viene dado por

x =

Xo

sen 27Tft

(27.1 )

donde X o es la amplitud del desplazamiento del movimiento, fes la frecuencia de la vibración en herzios y 1 es el tiempo en segundos. La velocidad correspondiente v y la aceleración a son:

a

v = (27Tf)x o cos (27Tft)

(27.2)

= - (27TNx o sen (27Tft)

(27.3)

El desplazamiento f puede medirse en unidades de metros (pulgadas), v en metros por segundo (pulgadas por segundo) y a en metros por segundo al cuadrado (pulgadas por segundo al cuadrado). Pero a menudo estas cantidades son tan pequeñas que se expresan en términos de milímetros (mm) o micrometros (¡.a.m). Es habitual expresar la aceleración como un múltiplo de la aceleración de la gravedad, g (9,81 27.1

27.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

10

(/)

O

a:

1-

w

:E

z

w

~

oCl

Z

w ~

Z

:l

~~

C)

w

(J)

a:

~

(J)

oa:

a..

(/)

0,1

w

O

1-

w

::2:

zw

Cl oC(

Cl

ü

om

o-' w

>

zw Z

O

0,001

~

a: w

...J

W

U

< 0,0001 10

100

1k

FRECUENCIA EN HERZIOS (a)

FIGURA 27.1. Diagrama que muestra la relación entre desplazamiento. velocidad y amplitudes de aceleración y frecuencia. para el movimiento armónico simple. (a) Para unidades del sistema internacional.

m/segund0 2 o 386 pulgadas/segund02 ). Por ejemplo, una aceleración de 19,62 mlsegund0 2 puede describirse como 2g. La relación entre frecuencia, desplazamiento, velocidad y aceleración para un movimiento sinusoidal se muestra en la Figura 27.1. Por ejemplo. un punto con una amplitud máxima de 0,001 pulgadas a 100 Hz tiene una velocidad de vibración máxima de 0,63 pulgadas/segundo y una aceleración máxima de 1.02g. El movimiento descrito por la Ecuación (27.1) es sinusoidal y estable y no puede continuar a una amplitud constante a menos que la energía disipada por la fricción interna o amortiguamiento, o irradiada al aire como ruido. sea reemplazada continuamente. Las Figuras 27.20 y b muestran las curvas de amplitud en función del tiempo para vibración estable y vibración descendente de frecuencia única. La ma-

27.3

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION

en

,,'

'<:0'

<:)~

« o « (!) ....J

::::>

Il.

Z

W

oo

,,'.<:0'

I:P <:).

Z

::> C1 w

o 1Z

w

~

~

en

a:

o

Il.

11.

en

,,'.<:0'

«o «

~r;:,

en w o

~

C1

....J

::>

11.

Z

W

o «o

O>

"00

Ü

.9

o....J W

zw Z

o « ex:

U

>

w

....J W

U

«

FRECUENCIA EN HERZIOS (b)

FIGURA 27.1. (Continuación.) Diagrama que muestra la relación entre desplazamiento, velocidad y amplitudes de aceleración y frecuencia, para el movimiento armónico simple. (b) Para unidades anglosajonas.

yoría de los sistemas mecánicos vibran a más de una frecuencia, de ahí que el movimiento resultante sea más complejo. como en la Figura 27.2c.

SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD Habitualmente esta vibración es el resultado de una fuerza fluctuante actuando como un sistema mecánico elástico. El sistema vibratorio más simple es el representado esquemáticamente en la Figura 27.3. Este modelo idealizado consiste en un cuerpo rígido (masa) al que se permite el movimiento sólo en la dirección vertical, un muelle sin masa y un amortiguador sin masa. Este sistema se denomina de un

27.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I

~TIEMPO I (a)

-t~ I

_TIEMPO

(b)

~TIEMffi I

(e)

FIGURA 27.2. Ejemplos típicos de vibraciones estables y transitorias. (a) Vibración estable a una frecuencia única; (b) vibración transitoria amortiguada a una frecuencia única: (e) vibración irregular, transitoria no periódica.

único grado de libertad porque la posición de la masa en cualquier instante viene completamente definida por una coordenada única, el desplazamiento del cuerpo con respecto a un plano de referencia. El amortiguamiento resulta de cualquier mecanismo que disipe la energía mecánica. Sea cual sea el mecanismo real, resulta cómodo asumir un amortiguamiento viscoso, en que la fuerza de amortiguamiento es proporcional a la velocidad de desplazamiento y en dirección opuesta. Frecuencia natural. La frecuencia natural de un sistema mecánico es la frecuencia de oscilación del sistema después de su desplazamiento desde su posición de equilibrio cuando se le permite vibrar libremente. Un sistema vibrante tiene una frecuencia natural de vibración para cada grado de libertad. Por ejemplo, el sistema de un grado de libertad, ilustrado en la Figura 27.3, tiene una frecuencia natural de vibración que viene dada por

fn=~ ri 21T~ ;;

Hz

(27.40)

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION

27.5

CUERPO RIGIDO

MUELLE-A

AGURA 27.3.

AMORTIGUADOR VISCOSO

Sistema de un único grado de libertad con amortiguador viscoso.

donde k es la rigidez del muelle en newtons por metro y m es la masa del cuerpo rígido en kilogramos. En unidades anglosajonas

f, n

= _1 2-rr

[ki --.J W

(27.4b)

Hz

donde k es la rigidez del muelle en libras por pulgada, W = mg es el peso del cuerpo rígido en libras y g es la aceleración de la gravedad en pulgadas por segundo al cuadrado. Cuando la masa se coloca encima del muelle, lo comprime en una cantidad (denominada deflexión estática) mglk, donde g es la aceleración de la gravedad. Para este caso:

In

=

51Ft

= 3,13/¡S;

Hz

(27.5)

donde 81 es la deflexión estática en centímetros y 8:! es la deflexión estática en pulgadas. Esta relación se muestra gráficamente en la Figura 27.4. Por ejemplo, consideremos un automóvil que deflecta unos 15 cm (6 pulgadas) bajo su propio peso. De acuerdo con la ecuación (27.5), la frecuencia natural (en dirección vertical) es de aproximadamente 1,3 Hz.

Combinación de muelles. Esta simple relación entre deflexión y frecuencia natural puede emplearse para ilustrar el efecto de utilizar más de un muelle para el aislamiento de la vibración. Por ejemplo, si se cuelga una masa de un muelle de manera que éste se estira 5 mm (0,2 pulgadas), de acuerdo con la Ecuación (27.5), la frecuencia natural (en dirección vertical) es 7 Hz. Si en lugar de ello se apoya sobre cuatro muelles, todos con igual rigidez al anterior, cada uno de ellos sólo soporta un cuarto del peso. Su rigidez combinada es 4 veces mayor, de manera que la masa deflecta sólo un cuarto; la frecuencia natural es 14 Hz. 0, por ejemplo, si la masa está apoyada sobre alfombrillas de caucho con una rigidez que da una deflexión estática de 0,43 mm (0,017 pulgadas), la frecuencia natural es 24 Hz; pero si la misma masa está apoyada sobre alfombrillas de igual área pero doble espesor, tendrá el doble de de flexión estática y una frecuencia natural de 17 Hz.

27.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I

30

25

I

I

0,01

FRECUENCIA NATURAL EN HERZIOS 10 9 8 7 6 5

15

20 I

I

I

I

I

III

I

I

0,1

0,05

0,02

I

I

I

3

4

I

I

0,2

I

I

1.0

0,5

2.0

DEFLEXION ESTATICA EN PULGADAS

FRECUENCIA NATURAL EN HERZIOS

30

I

I I

0,2

15

20

25

0,5

I

10 9

I

I

2

I

I

8 I

I

I

5

5

6

7 I

I

I

I

I

3

4

I

I 10

20

I

50

DEFLEXION ESTATICA EN MILlMETROS

FIGURA 27.4. Relación entre frecuencia natural y deflexión estática para un sistema lineal de un único grado de libertad.

Efecto del amortiguamiento. Supongamos que un sistema mecánico tiene muy poco amortiguamiento (está ligeramente amortiguado) y supongamos que la fuerza de amortiguamiento es proporcional a la velocidad. El sistema se desplaza desde su posición de equilibrio y se le permite vibrar libremente. Entonces la amplitud de la vibración se reduce continuamente, como muestra la Figura 27.2b, y se acerca al cero asintótico. Sin embargo, si el amortiguamiento se hace suficientemente grande, el sistema no oscila, sino que se desliza gradualmente hacia la posición de equilibrio. El amortiguamiento crítico del sistema es el valor mínimo del coeficiente de amortiguamiento e que puede producir un deslizamiento gradual sin oscilación. El valor del amortiguamiento crítico depende del tamaño y frecuencia natural del sistema y viene dado por Ce = 4 -rrmfn, usando las definiciones de la Ecuación (27.4). Es conveniente especificar el amortiguamiento como un porcentaje del amortiguamiento crítico. El valor (dc e ) suele estar entre 0,01 y 0,10 para la mayoría de las estructuras, salvo que estén amortiguadas con medios especiales. La relación de amortiguamiento puede hallarse midiendo la tasa con que la amplitud de la vibración libre decae con el tiempo. El descenso logarítmico ~ es el logaritmo natural de la razón entre las amplitudes de dos máximos sucesivos cualesquiera (x, y X'+l) y está relacionada con (dc e ) mediante (27.6) En un sistema mecánico con poco amortiguamiento, la razón de amplitud se aproxima a la unidad y es difícil de medir. En ese caso, la razón puede tomarse para muchas oscilaciones y la Ecuación (19.6) se transforma en ~ =

1 -In (x,lx,+n)

n

(27.7)

Vibración forzada. Un sistema con un grado de libertad puede forzarse a un movimiento sinusoidal estable mediante una fuerza oscilatoria actuando sobre la masa

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION

o mediante la oscilación de la base. Para una fuerza F de la vibración es

=

27.7

Fu cos (21Tft), la amplitud

(27.8) donde Fo se expresa en newtons, K en newtons por metro y x() en metros [o donde Fo es en libras, K en libras por pulgada y X o en pulgadas]. La relación amplitud-desplazamiento de la razón de amplitud se muestra gráficamente en la Figura 27.5 en función de ([ffn) para varios valores de (dcc)' La amplitud de la vibración es a menudo menos interesante que la fuerza transmitida. Hay una fuerza sinusoidal debida al muelle y otra debida al amortiguador. La relación de la fuerza total transmitida es: (27.9) La relación de transmisibilidad de la fuerza se muestra gráficamente en la Figura 27.6 en función de ([ffn) para varios valores de (dcc)' Las Ecuaciones (27.8) y (27.9) se derivan de un sistema ideal de un grado de libertad, como el que muestra la Figura 27.3.

Movimiento de la base. Si a la base sobre la que el anterior sistema de un grado de libertad está montado se le da un movimiento u = u() cos (21Tft), como en la Figura 27.7, la masa se pone en movimiento mediante una fuerza transmitida a través del muelle y el amortiguador en paralelo. La transmisibilidad del movimiento T = = (x)u o ), en este caso, es la misma función de fy (dc c ) que la transmisibilidad de la fuerza para el caso de excitación por fuerza; también viene dada por la Ecuación (27.9) y la Figura 27.6. Salvo para valores muy altos de (dcc ), el valor máximo de la transrnisibilidad T es a la frecuencia natural y es Tmax = (ccf2c). A veces, el valor Tmo.x se denomina la Q del sistema. Un sistema con poco amortiguamiento tiene una Q alta. Mecanismos de amortiguamiento. Las aplicaciones de los mecanismos de amortiguamiento y su tratamiento se describen en el Capítulo 28; un análisis teórico se presenta en el Capítulo 37 de Shock and Vibration Handbook l •

Excitación no sinusoidal

El movimiento de los sistemas reales suele ser más complicado que el que muestran las Figuras 27a o b. En lugar de ello. se parece más al que muestra la Figura 27.2c. El control de la vibración depende de la relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia natural y del amortiguamiento. La frecuencia a la que el sistema vibra bajo condiciones estables es la misma que la frecuencia de excitación; puede medirse mediante un filtro de banda fina o un analizador de espectro que esté conectado

27.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lO

-°l~ -

x _o

oo

~ a:

ono o (/) ono a: w

:::>

u

..J

W

~c/C e

6

0,05

5

4

I

-

1-

0,10

,

3

1

2 w 1Z w

DE

.,r

A ,A DI

0,20

,~.F[~~!~N - 1-

..J

~

5

oW

o u<

z o ~ U 1< a:

(/)

:>

O

m

.......

8

w

1,O~~m~ t:= ¡;¡o;: 0,50 l=t:~~~

0,8

I----+--+-+-+. . .~H+,I_\_\_\\L\.+_+-_+-+_+_+_H_H

'" \ \1 0,6 J.---+-+--+-+-I~W-f--~\'"~-+_..l.--1-+-I-+++i 0,5 t---+-+-1-Hr-t-H~_~~f-1,O ~f--HI-+++-I

'-

z

,\\

X ~ ..J w

W

o u.. w o o :::>

1-

::¡

no

~

<

z

O

U

~ w a:

0,1 r_ 0,08 1----I--+----i--I-+-H-+-+------,...--+.lI.It-If-+-+-+-I'+-I .

...

~

~

0,05 .....---+--+-+-41--+-+-H+---+--~~.... ,-4-+-H-I

0,04

I----+---I---+-.f..--,......,..++-+-----+--+--+-~~-+--,~+-I

..

..

0,03 ~--~-~I-+-+-+++_l+---+--+-I-.f-lII~ ~-+,+i-i

~~ ~

0,01 0,1

0,5

0,2

RELACION

2

3

5

lO

FRECUENCIA DE EXCITACION ( f ) FRECUENCIA NATURAL NO AMORTIGUADA --,;;-

FIGURA 27.5. Curvas que muestran la relación amplitud de la vibración-deflexión estática equivalente, en función de la relación frecuencia de excitación-frecuencia natural no amortiguada. Las curvas se aplican al sistema con amortiguamiento viscoso de un único grado de libertad, que muestra la Figura 27.3, cuando es excitado por una fuerza F = Fo cos (21Ttt) [cos (21Ttt)) aplicada a la masa rígida.

a una salida eléctrica del acelerómetro que está conectado a la masa. Todas las frecuencias de interés pueden tratarse por separado. En la mayoría de los casos, las frecuencias más altas son de escaso interés porque la transmisibilidad es pequeña,

27.9

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION

O~==~==~~~~ 8~----~----~-r-+-+-r-4 I 6

e/Ce

=

O~--+--+--f-~-+-I

0,05 ~--+--+--+-+---H

:

5~----~---I~-+--+-+-+--I-

,lO

4~-----+---+--+-4-4-~~1 REGION 1-

j

3 u I AMPLlFICACION-f-

0,20 0,50 1,0 ; I

1,01---.....- ...•

E

o

~

::::; iii

¡¡; ~

(/)

Z


a::

f-

~::::~:::::::::t~CW~~\~~======~~~~~'~~~~~ " ~ \. 1\. "-, "0,06 I---+--+--+---H>-<'. . . ,f----+--~"',,~,,\~,I\-+-N~ 0,1 0,08 1-

0,051---+--+--+-----lH-¡'-,"-;---+---':>'",,~~~ \.H-l~", 0,04

1---~I---+---+-------++....-----+--~IrtJ\'\~~'i\~

0,03 t----r---+-f---<-...-~-----+---_+~\Hf-\"""''\~, 0,02 ~-------i-----~-r--++~-----+-----i-t--;\H'lt-1 '~

0,01

I

I

¡I

I

I

j

~

l......____---I._--I'----'---L.--L....l....-.......I----------....I..---"-'--.......................

0,01

0,2

0,3

0,5

2

3

5

RELACION _ _--.:F...:.R:!:E.:::.cU~E:.:N:.:C~IA~DE::....::..:EX~C:::..IT:.:..A.:.::C:.:..:IO::.:.N:..__ FRECUENCIA NATURAL NO AMORTIGUADA

10

(fn-)

FIGURA 27.6. Curvas de transmisibilidad de fuerza y de desplazamiento para un sistema de un único grado de libertad con amortiguamiento viscoso. En referencia a la Figura 27.3, la transmisibilidad de la fuerza es la relación entre la fuerza máxima transmitida y la fuerza máxima aplicada F~ la transmisibilidad del desplazamiento es la relación entre la amplitud del desplazamiento X o y la amplitud del desplazamiento aplicado.

como ilustra la Figura 27.6. Como resultado, al elegir sistemas para el control de la vibración, suele ser necesario ocuparse sólo de una o pocas frecuencias excítatorías.

27.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

CUERPO RIGIDO

AMORTIGUADOR VISCOSO A

MUELLE~ _

.......~_~_---.Ju

FIGURA 27.7. Sistema de un grado de libertad con amortiguador viscoso, excitado por el movimiento de la base.

Rigidez no lineal

Los muelles enrollados que se utilizan para el aislamiento de la vibración mantienen una relación lineal entre la fuerza y la deflexión estática. Por otro lado, los aislantes de caucho mantienen a menudo una relación no lineal, de manera que la frecuencia natural no puede hallarse a partir de la deflexión estática. Por ejemplo, en la Ecuación (27.4), la rigidez k es la pendiente de la curva de la fuerza en función de la deflexión. La rigidez k es una constante allí donde la curva de la fuerza en función de la deflexión es la línea recta a en la Figura 27.8. La línea b es la curva de la fuerza en función de la de flexión del típico aislante de caucho para vibración; una masa mI con un peso W I = mlg aplicado sobre el aislante produce entonces una de flexión XI' Si el sistema vibra con una amplitud relativamente pequeña, la vibración se corresponde con la de un punto que oscila a lo largo de la curva de fuerza - deflexión a poca distancia y a ambos lados de una línea vertical XI. Dado que ninguna otra parte de la curva está implicada en esta vibración, la frecuencia natural del sistema se determina por sus características en la región de deflexión XI' Entonces, la pendiente k l de una línea recta tangente a la curva en la deflexión XI y el peso mI pueden sus-

125 1---+-J<---+----I,....--+--+-4 Ul ~

o::

~100r--~-_+--~-1-~~ ..J

z

W

u:

75

r---I+-_+--~-+1L-~

~

w 50 t-t-t--r:-l-...+---7''t----i

::J u.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

DEFLEXION (x) EN PULGADAS

FIGURA 27.8. Curvas de fuerza-deflexión para un sistema: (a) lineal y

(b) no lineal.

PRINCIPIOS DE CONTROL DE LA VIBRACION

27.11

~ 25

ri!w J:

zw

\

20

,a \ \

~

r--.

~

10

-

,

~

20 3040 60

100 150

CARGA SOPORTADA POR EL MUELLE (W) EN LIBRAS

FIGURA 27.9. Curvas que muestran la relación entre la frecuencia natural y la carga soportada para las curvas fuerza-deflexión (a) lineal y (b) no lineal que muestra la Figura 27.8.

tituirse en la Ecuación (27.4) para obtener la frecuencia natural. Aunque la curva de fuerza-deflexión es en sí misma no lineal, si la amplitud de la vibración es pequeña, la rigidez eficaz sólo depende de la pendiente local. La mayoría de las vibraciones de interés en los problemas de control de las mismas tienen una amplitud suficientemente pequeña como para que esta aproximación sea válida. Si el valor de la carga m en la Ecuación (27.4) aumenta, mientras el valor de k permanece constante, como indica la curva a en la Figura 27.9,la frecuencia natural del sistema decrece. Los resultados son parecidos para cargas relativamente pequeñas aplicadas al sistema b de la Figura 27.8. Para cargas muy grandes, la rigidez aumenta más deprisa que la proporcional a la carga y, como indica la curva b de la Figura 27.9, la frecuencia natural aumenta con cada incremento de la carga. La ordenada del fondo del valle de la curva b es la frecuencia natural más baja en un sistema cuya curva de fuerza-deflexión posea las características que muestra la Figura 27.8b. Algunos aislantes de la vibración están diseñados para poseer curvas de fuerza-deflexión similares a las de la Figura 27.8b, de manera que para cambios grandes de carga la frecuencia natural no cambiará de forma apreciable. Al determinar la frecuencia natural de un sistema no lineal, es importante observar si la deflexión procede exclusivamente del peso muerto de un cuerpo de masa. Si la carga m] representa la masa del cuerpo soportado, la Ecuación (27.4) es válida para el cálculo de frecuenci~s naturales para amplitudes pequeñas. El peso de la carga puede ser sólo W o , como se indica en la Figura 27.8 (la carga incremental entre W o y W] puede resultar, por ejemplo, de la sujeción que tira). Dado que XI es la deflexión,la rigidez apropiada es la pendiente k l • Sin embargo, la única carga de masa en el sistema está representada por mo = W jg. En la Ecuación (27.4), el valor mo ha de sustituir a m y el valor de ka a k.

27.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

SISTEMAS CON VARIOS GRADOS DE LIBERTAD (MULTIGRADOSJ

Para muchos sistemas mecánicos, el modelo esquemático preciso es más complicado que el presentado anteriormente para un sistema de un único grado de libertad. Como resultado, el análisis matemático correspondiente es considerablemente más difícil. Los detalles se describen en el Capítulo 2 de Shock and Vibralion Handbook 1• Allí se muestra que cualquier sistema real tiene un gran número de frecuencias naturales, cada una de ellas correspondiente a una distribución espacial concreta de amplitudes de vibración o forma. REFERENCIA 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and Vibration Handbook, 3. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1988.

Capítulo

28

TECNICASDECONTROLDE LA VIBRACION Eric E. Ungar Douglas H. Sturz

INTRODUCCION El control de la vibración, o sea, mantener las vibraciones dentro de unos límites aceptables, se suele tener en cuenta para: (1) proteger el equipamiento, las estructuras y el personal de las vibraciones excesivas y (2) limitar el sonido irradiado por las superficies estructurales vibrantes. Este capítulo considera los métodos para el control de la vibración que son fácilmente aplicables y útiles en una variedad de situaciones prácticas. Aporta un marco de referencia para considerar los problemas de control de la vibración. presenta una visión general de los enfoques sobre el mismo y comenta los medios más frecuentemente utilizados para el control de la vibración, el aislamiento y el amortiguamiento. Este capítulo no describe las técnicas de reducción de la vibración especializadas que sólo resultan útiles en manos de expertos o que precisan de medidas y análisis detallados. Estas técnicas especializadas se comentan en la Referencia 1. Suele resultar útil contemplar un problema de control de la vibración en términos de los tres elementos que muestra esquemáticamente la Figura 28.1 a: una fuente. que genera fuerzas o movimientos vibratorios; un receptor, que está afectado por las vibraciones o irradia un sonido no deseado; y una vEa. a lo largo de la cual las vibraciones se transmiten entre la fuente y el receptor. Estos elementos se ilustran en la Figura 28.lb, que muestra: (1) una fuente, que produce una vibración como resultado de las fuerzas de inercia asociadas a una masa guiada por una leva; (2) una vEa, representada por una placa que se mantiene rígida mediante anclajes, y (3) un receptor, consistente en un marco al que están conectados varios sistemas de masamuelle, representando componentes de la máquina que tienen características de respuesta dependientes de la frecuencia (y/o radiación de sonido). No es fundamen28.1

28.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Fuente

Vía

Receptor

Produce vibración

Transmite vibración

Está afectado por la vibración

(a)

Radiador de sonido vibratorio

Masa guiada por una leva Bastidor (marco)

Componentes internos Bastidor . . . . ....-Conexión J :::;::::;:::==:::;::;::-:::J El '41

. . . . . . . . ._~- Conexión

C::

Fuente

J

Vía

d

Receptor

(b)

FIGURA 28.1. ilustrativos.

Esquema fuente, vía, receptor. (a) Diagrama de flujo; (b) ejemplos

tal que la línea divisoria se elija entre la fuente y la vía o entre la vía y el receptor; p. ej., las conexiones (sean rígidas o flexibles) entre las máquinas que producen vibración y sus apoyos pueden considerarse como parte de la fuente o de la vía, y una afirmación análoga se aplica a las conexiones entre las estructuras de apoyo y el equipamiento sensible a la vibración que soportan. Aunque la ilustración sólo muestra una fuente, una vía y un receptor, a menudo, en una situación práctica concreta, están presentes varias fuentes, vías y receptores de igual importancia. La Figura 40.1 ilustra la aplicación del esquema fuente-vía-receptor al ruido generado por una máquina.

CONTROL DE LA VIBRACION EN LA FUENTE El control de la vibración en su fuente suele ser el más eficaz si es factible en la práctica. La vibración se produce por fuerzas oscilatorias o intermitentes. La reducción de la vibración en la fuente suele requerir: (1) modificación o reducción de esas fuerzas o (2) reducción de los movimientos de los componentes del equipamiento sobre los que estas fuerzas actúan directamente.

Modificación de la excitación

El control de la vibración en la fuente puede implicar: (1) reemplazar un elemento por otro que vibre menos. por ejemplo. cambiar un compresor alternativo por otro rotatorio; (2) cambiar la dirección, magnitud, forma del pulso o contenido de fre-

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.3

cuencia de las fuerzas o movimientos que constituyen la causa básica de la vibración, por ejemplo, reorientando la máquina, de manera que las fuerzas vibratorias dominantes actúen en una dirección en que la estructura sobre la cual se apoya la máquina deflecte menos rápidamente; (3) mejorar el equilibrio dinámico de la fuente de vibración, o (4) modificar los mecanismos internos de la máquina. «Desintonizar» la fuente suele resultar útil si el receptor es particularmente sensible a la vibración en un rango de frecuencias determinado, o si la transmisión de la vibración es particularmente eficaz en un rango concreto de frecuencias; se modifica la fuente de manera que produzca menos vibración en ese rango de frecuencias. Algunos sistemas de modificación de la excitación se ilustran en la Figura 28.2. El perfil de la leva se ha modificado para cambiar la firma temporal del pulso de fuerza que genera y, por tanto, su contenido en frecuencia, con el fin de ayudar a desintonizar la fuerza existente. La velocidad de la máquina rotativa se cambia para ayudar a la de sintonización; una reducción en esta velocidad también reduce la magnitud de las fuerzas de inercia asociadas con los elementos rotatorios alternativos y desequilibrados. Un peso de equilibrio se añade al rotor para reducir su desequilibrio. Con el fin de reducir su fuerza de inercia, se reduce la magnitud de la masa alternativa. Se cambia la dirección del movimiento alternativo para que la fuerza de inercia asociada a este movimiento actúe en paralelo con la estructura de apoyo; esta estructura es menos susceptible a la vibración en esta dirección.

Reducción de las fuerzas que producen la vibración

Fuen;as de impacto. La vibración debida a impactos puede reducirse mediante la modificación de la interacción de los componentes que se golpean entre sí para producir los impactos, siempre que estas modificaciones no limiten su funcionamiento. Tratamiento de amortiguamiento añadido al bastidor Perfil modificado de la leva Pesa de equilibrio añadida al rotor Velocidad modificada ......... - . _ Masa alternativa reducida y reorientada Rigidez añadida al bastidor Bloque de inercia Absorbedor dinámico "'¡.·--~----~~A~islador de la vibración

L-L=::rc:=::::;;:=r-..IV::::==~R;:igideZ o masa añadida a la estructura de apoyo de amortiguamiento añadido a la estructura de apoyo Absorbedor dinámico añadido a la estructura de apoyo

FIGURA 28.2. Ilustración esquemática de algunos sistemas para modificar la excitación de la vibración de una fuente y para reducir las fuerzas transmitidas desde una fuente a una estructura.

28.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Por ejemplo, en una máquina de estampado, una fuerza reducida que se aplica más lentamente y que actúa sobre un período más largo puede sustituir a otra más rápida, pero con una fuerza de estampado mayor. Si es factible, las fuerzas de impacto pueden reducirse introduciendo almohadillados, p. ej., en forma de un metal blando (como plomo, que habrá que cambiar cada cierto tiempo), caucho o plástico. Fuerzas de desequilibrio. Las fuerzas que resultan del desequilibrio de los componentes rotativos o alternativos pueden reducirse equilibrándolos o reemplazándolos por otros más equilibrados. Equilibrar los sistemas rotativos requiere equipamiento y técnicas especializada~. Si la finalidad es controlar el ruido, equilibrar los sistemas alternativos suele resultar difícil y poco práctico. La norma 1940 de la International Organization for Standardization (ISO) ha establecido grados de calidad de equilibrio para muchos tipos de máquinas. Estos grados especifican las magnitudes permisibles de desequilibrio y pueden utilizarse para estimar la magnitud del desequilibrio en una máquina concreta o para especificar la calidad del equilibrio preciso. Fuerzas de rozamiento. Las fuerzas de rozamiento inestables suelen estar producidas por la mala lubricación o por las combinaciones desfavorables de materiales deslizantes, velocidades relativas y propiedades dinámicas del sistema. En casos extremos, la fricción no constante puede producir severas vibraciones y ruido, como en las máquinas que «castañetean» o los frenos que chirrían. A veces, estas fuerzas no constantes pueden eliminarse mejorando la lubricación o cambiando los materiales de contacto, la geometría de las superficies deslizantes y/o las propiedades (masa, rigidez, frecuencias de resonancia) de los componentes participantes. Fuerzas electromagnéticas. Habitualmente, las fuerzas electromagnéticas, como las que se producen en los motores eléctricos y los transformadores (véase Capítulos 34 y 35), no pueden cambiarse sin modificar estos aparatos significativamente. Sin embargo, sus efectos pueden mitigarse mediante la sustitución por materiales no magnéticos y/o no conductores eléctricos, cuando sea aceptable el uso de estos materiales. Fuerzas inestables de interacción mecánica. Las fuerzas de interacción, como las que se producen entre engranajes cruzados o en rodamientos de bolas, suelen reducirse mediante la sustitución de componentes o mediante cambios de diseño. La vibración y el ruido debidos a engranajes, comentados en el Capítulo 36, pueden reducirse mediante conjuntos de engranajes helicoidales o espirales, en lugar de engranajes de espuela o biselados, mediante engranajes de alta calidad (fabricados para tolerancias menores) o engranajes con pasos más pequeños y dientes más cortos, mejorando el alineamiento entre engranajes parejos y mejorando su lubricación. Las vibraciones debidas a los rodamientos pueden reducirse utilizándolos de mejor calidad, fabricados para tolerancias más reducidas (véase Capítulo 37). Fuerzas dejluidos. Las fuerzas de fluidos inestables, que resultan de aparatos que mueven fluido, como compresores, bombas, ventiladores y secadores, pueden reducirse cambiando las características de su funcionamiento (p. ej., presión o tasa de

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.5

flujo), modificándolos o insertándolos en componentes de vía fluida que reducen las fuerzas inestables (véase Capítulos 41 y 45). Las fuerzas inestables que resultan de los flujos turbulentos o vórtices pueden reducirse mediante la aplicación de aparatos supresores de turbulencia o vórtices 3•

Fuerzas debidas a la interacción fluido-estructura. Cuando surgen fuerzas inestables de interacción entre el fluido y la estructura debido a oscilaciones (una interacción inestable entre un componente estructural y un flujo fluido), la reducción de estas fuerzas suele requerir que se elimine la condición inestable (p. ej., véase Referencia 4). Esta eliminación puede lograrse cambiando la configuración de la estructura expuesta al flujo o mediante un cambio en la velocidad o dirección del flujo. En algunos casos, la incidencia de las oscilaciones puede suprimirse aumentando el amortiguamiento de la estructura. El mismo enfoque de reducción se aplica en casos en que las fuerzas inestables son el resultado de la interacción de movimientos estructurales con fuerzas fluidas asociadas con la expansión del vórtice a partir de la estructura. En todos los casos, hay que tener cuidado para que las modificaciones no cambien simplemente las frecuencias en que se producen los problemas. Reducción de las fuerzas transmitidas

El control en la fuente también puede lograrse mediante la reducción de las fuerzas vibratorias que transmite una máquina a las estructuras a las que está conectada. Las reducciones de las fuerzas transmitidas pueden lograrse: (1) añadiendo «absorbedores dinámicos» al marco o apoyo de la máquina; (2) modificando el bastidor; (3) mejorando el aislamiento entre los componentes internos de la máquina y el bastidor, o (4) mejorando el aislamiento entre el bastidor y la estructura de apoyo de la máquina. Algunos de estos medios para reducir la vibración se ilustran en la Figura 28.2. El aislamiento de la vibración (la inserción de elementos flexibles entre la máquina y su apoyo) es a menudo el mejor enfoque práctico. Un absorbedor dinámico o amortiguador sintonizado es útil para suprimir las vibraciones que se producen esencialmente a una frecuencia de excitación fija. Este absorbedor, en esencia, es una masa que se conecta a través de un muelle a una máquina o estructura cuya vibración se quiere reducir, donde el muelle y la masa se eligen de manera que la frecuencia natural de su sistema coincida con la frecuencia de excitación. A esta frecuencia, la fuerza que este sistema ejerce sobre la máquina o estructura se opone al movimiento vibratorio de esta última. A otras frecuencias, sin embargo, un absorbedor conectado puede aumentar este movimiento de vibración o tener muy poco efecto sobre él. La Figura 28.2 muestra un absorbedor dinámico conectado al bastidor de una máquina para reducir su movimiento, así como absorbedores conectados a la estructura de apoyo, para reducir la vibración en los puntos de soporte. En la Referencia 5 aparece un comentario amplio sobre absorbedores dinámicos. Los aumentos o cambios en la distribución espacial de la masa del bastidor de la máquina, de la rigidez y/o del amortiguamiento también pueden resultar útiles en la reducción de las fuerzas transmitidas a la estructura soporte. Una mayor masa efec-

28.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tiva, como la que puede obtenerse añadiendo un gran «bloque de inercia» a una máquina (mostrado esquemáticamente en la Figura 28.2), aumenta la inercia que las fuerzas de la máquina tienen que vencer para producir movimiento; los bloques de inercia se describen en la sección siguiente. Los aumentos en la rigidez (como se indica mediante los enrigidecedores mostrados en la Figura 28.2) sirven para reducir las deformaciones vibratorias del bastidor; los aumentos en el amortiguamiento del bastidor reducen las deformaciones a sus resonancias.

Reducción del movimiento del punto de conexión

Los movimientos de vibración que produce una fuente en una estructura a la que está unida pueden reducirse aumentando la resistencia al movimiento de la estructura soporte. Esto puede lograrse aumentando la rigidez de la estructura, la masa o el amortiguamiento, dependiendo de qué parámetro controle los movimientos de la estructura a las frecuencias de interés o añadiendo absorbed ores dinámicos. Estos medios para aumentar la resistencia al movimiento del apoyo se ilustran esquemáticamente en la Figura 28.2. Los aumentos de rigidez son más beneficiosos para frecuencias por debajo de la frecuencia de resonancia fundamental de la estructura; los aumentos de masa son más beneficiosos para frecuencias altas. Los cambios de masa o rigidez también producen cambios en las frecuencias de resonancia de la estructura. Mediante una selección adecuada, las resonancias de la estructura pueden sintonizarse para alejarlas de las frecuencias de excitación, reduciendo así las vibraciones de la estructura, pero una selección inadecuada puede provocar el efecto contrario. Si no puede lograrse la sintonización para evitar el emparejamiento de las frecuencias de resonancia de excitación y estructural, como suele suceder con la excitación de banda ancha o con estructuras que tienen muchas frecuencias de resonancia dentro del rango de frecuencias de interés, el aumento del amortiguamiento constituye el mejor medio para reducir las vibraciones estructurales. La acción de los absorbedores dinámicos se comenta en una sección posterior.

CONTROL DE LA V/BRAC/ON EN LAS V/AS DE TRANSM/S/ON Discontinuidades en la vía de transmisión

A menudo, la propagación de las vibraciones desde la fuente hasta el receptor se reduce mejor interrumpiendo la vía de transmisión. Si los requisitos estructurales o de apoyo hacen imposible la interrupción completa, pueden utilizarse discontinuidades parciales, que consisten en elementos cuyas características de masa y rigidez difieren notablemente de las de los elementos estructurales vecinos. Por ejemplo, estas discontinuidades pueden consistir en uniones elásticas, juntas de culata u otros elementos flexibles (indicados esquemáticamente en la Figura 28.3) que son mucho más blandos que las placas de metal, vigas o tuberías a los que están conectados. Para mejorar la eficacia de una unión elástica, a menudo es útil añadir rigidez o

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION Injerto elástico o junta

~rafuerte

Contrafuerte

28.7

Cambio en la sección

¿.-----b L-....,Ir-"~==-~:;:~/ Masas de bloqueo Absorbedor dinámico Vía de desviación de la energia

Tratamiento de amortiguamiento

..--~

!~--. . . . . ._>~

Elemento extendido de la vía

FIGURA 28.3. Ilustración esquemática de algunos sistemas del control de la vibración en las vías de transmisión.

masa a uno o ambos lados de la unión. Para frecuencias altas, se puede obtener una considerable atenuación a partir de los cambios en la sección transversal de la vía, incluso sin cambiar el material. La atenuación puede lograrse mediante dispositivos que impidan los movimientos estructurales a lo largo de la vía. Unos contrafuertes bien colocados (p. ej., una nervadura añadida a una placa de metal, como muestra esquemáticamente la Figura 28.3) pueden servir para este propósito, como también unas «masas de bloqueo» adecuadamente colocadas, es decir, masas compactas (véase Figura 28.3) cuyas inercias de traslación y rotacional inhiben la transmisión de la vibración, como se comenta en detalle en la Referencia 6. Una masa que está conectada a la estructura de una vía mediante un elemento flexible (véase Figura 28.3) actúa como un «absorbedor dinámico». Este dispositivo tiende a reducir el movimiento de la estructura en el punto de unión a la frecuencia de resonancia del absorbedor, impidiendo así la propagación de las vibraciones más allá del punto de conexión para esa frecuencia. Los absorbedores dinámicos se comentan brevemente en la sección «Reducción de las fuerzas transmitidas» y en detalle en la Referencia 5. Si la transmisión de las vibraciones es un problema concreto en un rango determinado de frecuencias (debido a la sensibilidad del receptor y/o debido a la severidad de las vibraciones generadas por las fuentes en ese rango). se debe considerar la desintonización de la vía; o sea, ajustar sus características de manera que transmita las vibraciones relativamente mal en el rango de frecuencias de interés.

Dispersión y disipación de la energía

Dado que la energía vibratoria añadida a una estructura en un punto de entrada (fuente) se extiende sobre la estructura, resulta útil colocar el receptor tan lejos como sea posible de la fuente, de manera que sea alcanzado por menos energía. Las reducciones en la propagación de la energía vibratoria, y por lo tanto en la energía que llega al receptor, también pueden lograrse aumentando el amortiguamiento

28.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(capacidad de disipación de la energía) de las estructuras que constituyen la vía, por ejemplo, por los medios comentados más adelante en este capítulo en la sección «Tratamientos y dispositivos de amortiguamiento». Ya que tanto la atenuación debida a la dispersión de la energía como la debida a su disipación suelen aumentar con la longitud de la vía, resulta útil hacer que ésta posea circuitos de propagación apropiados. En algunos casos, pueden añadirse elementos estructurales para desviar parte de la energía de la vía principal y así reducir la energía que llega al receptor.

CONTROL DE LA VIBRACION EN EL RECEPTOR Modificación del receptor

Si el receptor consiste en un elemento específico de equipamiento, sería posible eliminar los efectos adversos de la vibración modificándolo. Por ejemplo, puede lograrse una reducción de los fallos estructurales empleando una construcción más resistente a la fatiga, distintos materiales, aumentando el amortiguamiento de la estructura, modificando los métodos de anclaje, utilizando configuraciones con menos concentraciones de tensión o utilizando una espuma rígida entre los tableros de circuitos y entre los componentes electrónicos. También pueden reducirse fallos y otros efectos perjudiciales utilizando mecanismos y componentes electrónicos más tolerantes a la vibración o fortaleciendo, interconectando, aislando, amortiguando o «robusteciendo» los elementos sensibles dentro de un receptor. Si la radiación del sonido desde un componente del receptor (como puede ser una parte oscilatoria de una máquina o un cerramiento o un conducto de lámina de metal) es un problema, puede ser útil reducir el área del componente o perforarlo para reducir su eficacia de radiación. En situaciones en que la vibración problemática que llega al receptor está confinada a un cierto rango de frecuencias, resulta útil desintonizarlo, es decir, modifi· carIo (o a sus componentes) de manera que sea menos sensible a la vibración en ese rango de frecuencias. La Figura 28.4 ilustra algunas de las posibilidades de modificación del receptor antes mencionadas.

Reducción del movimiento del punto de conexión

La reducción de la vibración de una estructura a la que está conectado el receptor puede servir para reducir la vibración que alcanza a éste. Esta reducción puede implicar un aumento de la rigidez. masa o amortiguamiento de la estructura, como se comentó anteriormente en «Reducción del movimiento en el punto de conexión» y «Control de la vibración en la fuente» y como se ilustra en la Figura 28.4. Un sistema absorbedor dinámico de masa-muelle (como se comentó anteriormente en «Reducción de las fuerzas transmitidas» ) anclado a la estructura de apoyo en el punto de conexión (véase Figura 28.4) puede servir para reducir el movimien-

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

Material, diseño, orientación del componente modificado

28.9

Tratamiento de amortiguamiento añadido al bastidor Radiador del sonido desintonizado,

fii.iiiiii.iiíl-_.....t.~perforadO, con dimensiones reducidas ~tl.Z~I---- Componente desintonizado, amortiguado

Ii¡.r~=-- Componente anclado al bastidor Bloque de inercia Aislador de la vibración

&;;=;:¡~~rc=;;=;;=;:¡¡~~j;~--

Estructura de apoyo

Contrafuertes o masas Tratamiento de amortiguamiento Absorbedor dinámico en el punto de conexión

AGURA 28.4. Ilustración esquemática de algunos sistemas para el control de la vibración en el receptor.

to de vibración en ese punto para frecuencias próximas a la frecuencia de resonancia del absorbedor dinámico.

Reducción de la vibración del receptor

La vibración transmitida a un receptor desde las estructuras que le rodean pueden reducirse, como ilustra la Figura 24.4, añadiendo aislantes de la vibración entre el receptor y las estructuras y/o añadiendo masa al receptor, posiblemente en forma de un bloque de inercia. La vibración del receptor para una frecuencia determinada también puede reducirse añadiendo al receptor o a su base un «absorbedor dinázmico», sintonizando la frecuencia de resonancia del sistema de muelle-masa a la frecuencia especificada.

AISLAMIENTO DE LA VIBRACION El término aislamiento de la vibración hace referencia a la inserción de un elemento relativamente blando y elástico, denominado aislador de la vibración, entre dos componentes que han de estar conectados entre sí, donde uno de ellos vibra y el otro está protegido de esta fuente de vibración. El aislamiento de la vibración puede resultar útil: (1) entre una fuente de vibración y su apoyo, (2) en una vía de transmisión y (3) entre el apoyo y el receptor, así como dentro de máquinas que poseen componentes generadores de vibración o dentro del equipamiento que incorpora elementos sensibles a la vibración.

28.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Selección de aisladores

La elección de los aisladores para una aplicación específica está regida por la magnitud de la reducción de la vibración, o aislamiento, necesario en presencia de las alteraciones dinámicas previstas. También está condicionada por las fuerzas estáticas (incluyendo los pesos) que han de soportar los aisladores y por las características (magnitudes, direcciones, contenido de frecuencias) de las fuerzas alteradoras. Además, está influida por requisitos ambientales (p. ej., resistencia a la sacudida mecánica, temperaturas, agentes químicos corrosivos), por limitaciones de peso y espacio (incluyendo los límites de las excursiones permisibles de los elementos aislados) y por consideraciones de seguridad y coste. La selección de los aisladores se describe en detalle en el Capítulo 29. Típicos aisladores de la vibración

Los aisladores de la vibración suelen consistir en muelles de metal (habitualmente acero), componentes moldeados elastoméricos (habitualmente de caucho o neopreno), planchas o parches de materiales elásticos, o combinaciones de éstos, habitualmente con marcos y medios de conexión adecuados a las aplicaciones específicas. En los catálogos de los distribuidores pueden encontrarse los detalles respecto a los tamaños, las capacidades de carga y rasgos especiales de los aisladores comercializados. La Figura 29.3 muestra ejemplos de varios tipos de aisladores. En el Capítulo 29 puede encontrarse un comentario amplio sobre tipos de aisladores y sus características. Aisladores especiales de baja frecuencia

Las vibraciones a frecuencias extremadamente bajas pueden aislarse mediante disposiciones de péndulo. muelles de aire o sistemas de aislamiento activo.

Aisladores péndulo. Las disposiciones en péndulo. por sí mismas, sólo aíslan la vibración horizontal. La frecuencia natural de esta configuración varía inversamente a la raíz cuadrada de la longitud del péndulo. Un péndulo que tenga 10 cm de longitud (3.97 in) posee una frecuencia natural de aproximadamente 1,6 Hz; los péndulos más largos dan como resultado frecuencias naturales más bajas. Si también es preciso el aislamiento en dirección vertical. el péndulo puede estar sujeto por un muelle de aire o un resorte blando. Aisladores de muelle de ai~ Los muelles de aire obtienen su elasticidad fundamentalmente de la compresibilidad de volúmenes de aire confinados7 • Estos aisladores pueden tomar la forma de cojines de caucho llenos de aire o la disposición de pistón en cilindro. La rigidez de esta configuración es proporcional a pA1N. donde p denota la presión estática del aire confinado, A el área de la cara del pistón y Vel volumen confinado. El producto pA es igual a la carga estática soportada por el muelle. La rigidez baja y por tanto frecuencias naturales bajas se obtienen al usar un

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.11

volumen mayor; por esta razón, algunos sistemas comercializados de muelles de aire incluyen un tanque auxiliar (que se comunica con el cilindro) para aumentar el volumen confinado. En la práctica, los muelles de aire pueden aportar frecuencias de resonancia verticales y horizontales tan bajas como 1 Hz. Los muelles de aire del tipo cojín pueden tener distinta rigidez vertical y horizontal; algunos pueden ser inestables lateralmente y requerir cierta forma de freno lateral. Debido a que las disposiciones de aislamiento mediante muelles de aire pueden tener muy poca rigidez, a menudo se utilizan en conjunción con otros sistemas de control que mantienen automáticamente la posición y orientación del elemento aislado en presencia de cambios en la distribución de su peso u otras fuerzas cuasi-estáticas. Los sistemas de muelle de aire se comentan en detalle en la Referencia 7.

Aisladores activos. Los sistemas de aislamiento activo de la vibración son sistemas de control dinámico en que la vibración del elemento que hay que proteger se observa mediante un transductor; la salida de este transductor se procesa (habitualmente de forma electrónica) y se utiliza para dirigir un dispositivo que actúa sobre el elemento para reducir su vibración. Los sistemas activos pueden aportar mejor aislamiento que otros tipos de sistema bajo algunas condiciones (sobre todo en presencia de alteraciones a frecuencias muy bajas), pero tienden a ser extremadamente complejos, en comparación con los sistemas «pasivos». La Referencia 7 aporta información amplia sobre los aisladores neumáticos y activos.

Mejora del rendimiento del sistema de aislamiento

Aumento de la rigidez dinámica de las estructuras aisladas. Para ser eficaz, un aislador debe ser mucho más flexible que cualquiera de las estructuras a que está conectado; en caso contrario, las estructuras deflectan más que el aislador. Cuando la estructura a cualquier lado del aislador es muy flexible, aumentar la rigidez de la estructura o añadirle masa y/o amortiguamiento puede mejorar el rendimiento del aislador. Evitar puentes. Hay que tener cuidado para asegurarse de que los aisladores se pueden mover sin restricción y de que no se produce «puenteo». El «puenteo» es una transmisión no intencionada de vibración a través de vías no flexibles, «cortocircuitando» así al aislante flexible. Los aisladores con carcasas (cerramientos protectores) deben estar alineados adecuadamente, de manera que los elementos de cubrición no se atasquen entre sí. A menudo, el mantenimiento de este alineamiento resulta difícil en la práctica. Por esta razón, siempre que sea posible, hay que usar muelles estables que no requieran carcasas. Hay que comprobar las instalaciones de aislamiento para asegurarse de que ni los montajes ni los tornillos de alineación interfieren con el movimiento libre de los aisladores, y de que no haya cascotes ni otros desechos bajo la máquina que pudieran limitar el movimiento libre del sistema aislado. La Referencia 8 presenta numerosos detalles prácticos de instalaciones de aisladores. Si los tornillos han de prolongarse a través de una plancha de aislador, deben te-

28.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ner arandelas y manguitos elastoméricos blandos (p. ej., véase Figura 28.5), de manera que no puenteen la plancha aislante. El puenteo a través de tuberías, conductos, ejes, cables tensos, etc., que conectan elementos y estructuras entre los aisladores, puede evitarse mediante el uso de tubos flexibles, como los que muestra la Figura 28.6. Los tubos flexibles de caucho o tubos plásticos pueden resultar útiles para el aislamiento en los sistemas de tuberías; pueden precisarse secciones de tuberías o conducciones de metal flexible: (1) si la temperatura o la presión son altas, (2) si se transmiten fluidos químicamente activos o (3) si está prescrito por un código de ensayo. La tubería habitual de metal flexible no suele ser satisfactoria en el caso de gases a presiones muy altas o sustancias volátiles altamente peligrosas. Los tubos corrugados, sin costuras o soldados, con perfilado exterior y ajustes integrales interiores en los extremos no son susceptibles de producir pérdidas y por tanto son adecuados para contener sustancias volátiles y gases bajo presión. Sin embargo, la mayoría de los tubos y tuberías metálicos son relativamente rígidos y deben utilizarse en configuraciones largas, curvadas o de bucle, como ilustra la Figura 28.7, para obtener flexibilidad. No deben utilizarse juntas de expansión de caucho, plástico (p. ej., teflón) o fuePata del

Apoyo de hormigón ANCLAJE EN HORMIGON Pata del equipamiento

Plancha flexible de tamaño adecuado a la carga

ANCLAJE A UN ELEMENTO ESTRUCTURAL

ita de acero para limitar la compresión de la plancha flexible

FIGURA 28.5. Sistemas para evitar el puenteo del aislador en la conexión anclada.

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

(a)

28.13

(b)

(e)

(d)

FIGURA 28.6. Tubos y tuberías flexibles. (a) Tubería corrugada con trenzado; (b) tubería corrugada; (e) tubo de goma; (el) detalle de una tubería corrugada con trenzado.

Hes de metal en lugar de las conexiones largas y flexibles comentadas anteriormente. Estas juntas de expansión podrían necesitar ensamblajes de varillas y traviesas, ya que no pueden aguantar por sí mismas las cargas axiales impuestas sobre ellas por las presiones internas; estos ensamblajes de varillas y traviesas sirven como puente de las vías de transmisión de la vibración.

Dinctrices para utilizar tub~riasf1exibles. Deben observarse las siguientes directrices generales en la instalación de tuberías flexibles: 1. Se conectan los tubos flexibles a los elementos de conexión en lugares en que haya relativamente poco movimiento de vibración y en que las estructuras de estos elementos sean más masivas. Esto puede reducir la vibración transmitida a lo largo del tubo. 2. Si un extremo de la tubería experimenta grandes desplazamientos con respecto al otro o si la tubería ha de tener muy poca rigidez, debe incluirse una gran curva o bucle en la tubería flexible. El bucle ha de estar dispuesto de manera que el movimiento vibratorio esté distribuido a lo largo de toda la longitud de la parte flexible; si el movimiento sólo se produce cerca de sus extremos, el desgaste excesivo que resulta de las concentraciones de tensión en las conexiones de los extremos

28.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Equipamiento vibratorio

'--.. . . ----'T~ Aisladores de la vibración

Bucle de tubería flexible

FIGURA 28.7.

Instalación de tuberías flexibles.

puede acortar la vida de la tubería. La Figura 28.7 muestra una disposición recomendada que asegura la distribución del movimiento a lo largo de toda la longitud del conducto flexible. Debido en parte a que los elementos de tubería flexible hacen poco por atenuar la vibración transmitida a través del fluido en su interior, a menudo resulta práctico mantener conexiones rígidas convencionales entre las tuberías y el equipamiento aislado y aislar las tuberías de otras estructuras. Hay gran variedad de colgadores flexibles de tubos comercializados con este propósito. El aislamiento de las tuberías para el control del ruido en los edificios se describe en el Capítulo 45.

Acoplamientos flexibles

Los acoplamientos flexibles ayudan a reducir la sacudida y la vibración, a eliminar los problemas de ruido, a minimizar las fuerzas destructivas transmitidas a otros componentes y a mejorar la comodidad del operador. Los motores (sobre todo las del tipo de combustión interna) dirigen otros equipamientos, como transmisiones, bombas hidráulicas y compresores. El equipamiento dirigido. conectado directamente a la máquina, puede ser sensible a la vibración por torsión y necesitar protección para prevenir el daño en engranajes y otros componentes. Puede obtenerse un aislamiento mediante un acoplamiento torsionalmente flexible que pueda transmitir la torsión, a la vez que aporta aislamiento de la vibración torsional que proviene del motor. Los acoplamientos con flexibilidad de torsión se utilizan sobre todo con máquinas alternadoras. Si el motor no está conectado directamente a un volante, la conexión del eje no puede hacerse lo suficientemente rígida en torsión como para colocar la primera velocidad crítica por encima del rango de velocidad de funcionamiento. Cuando la velocidad crítica se produce dentro del rango de velocidad de funcionamiento, los componentes de la línea motriz (como las partes de la transmisión) vibran por resonancia; esto produce un falJo temprano de estos componentes. Además, puede existir un mal alineamiento angular y paralelo de la dirección y el eje a que está conectada. En este caso, el acoplamiento flexible no sólo debe poseer capacidad de

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.15

aislamiento torsional, sino también acomodarse a la falta de alineamiento angular y paralelo. Pueden utilizarse mecanismos distintos a los acoplamientos flexibles para reducir la vibración torsional, pero no suelen resultar satisfactorios. Por ejemplo, hacer más rígido el eje de dirección aumenta la velocidad crítica, pero la rigidez no suele resultar práctica porque da como resultado un aumento en el coste y en el peso. Aumentar la inercia del volante reduce la velocidad crítica, pero esta solución está limitada por el espacio disponible, el coste y el peso. Un acoplamiento con poca rigidez torsional en serie con la dirección suele ser la mejor solución. Esta hace descender las frecuencias naturales, lejos de las frecuencias de excitación del equipamiento en funcionamiento. Un acoplamiento flexible no durará mucho si el sistema motriz funciona próximo a la resonancia. Hay que realizar un análisis torsional en cada nueva aplicación para asegurarse de que las velocidades críticas no están dentro del rango de funcionamiento. Este análisis aportará la base para una selección de la rigidez adecuada para un buen rendimiento. La masa del motor, la masa del acoplamiento flexible, la masa del sistema motriz y la rigidez de torsión son los parámetros mínimos precisos para un análisis torsional. Este análisis considera los sistemas de masa-muelle de los elementos rotatorios para calcular la frecuencia natural y compara la frecuencia natural con la excitación torsional. La elección de un elastómero para un acoplamiento flexible depende de las condiciones ambientales. La mayoría de las aplicaciones utilizan caucho natural si las temperaturas ambientales de funcionamiento no superan los 82 oC (180°F) Yno hay aceite presente. Si hay aceite, debe emplearse neopreno. A temperaturas más altas, deben utilizarse varios elastómeros sintéticos, como silicona; si hay aceite, la fluorosilicona es más adecuada.

Bases de acero y bloques de inercia

En algunas aplicaciones, no es deseable o factible montar una máquina directamente sobre los aisladores de la vibración. En lugar de ello, la máquina se conecta a un bloque rígido y relativamente pesado (habitualmente de hormigón) que se apoya entonces mediante los aisladores adecuados; el uso de este bloque de masa (denominado bloque de inercia) es aconsejable por las siguientes razones: 1. Si una máquina (como un motor diesel, martillo de forja o máquina de examen de la vibración) genera fuerzas relativamente grandes durante su funcionamiento, el movimiento general de la máquina sobre su sistema de aislamiento tiende a hacerse excesivo, salvo que su masa efectiva se aumente considerablemente. Este aumento de la masa efectiva puede lograrse conectando rígidamente la máquina a un bloque de inercia y montando éste sobre los aisladores. 2. En aplicaciones en las que la frecuencia de excitación es baja, la frecuencia natural del sistema debe ser muy baja, con el fin de obtener una transmisibilidad baja y por tanto un buen aislamiento de la vibración. A menudo surgen problemas cuando se intenta montar la máquina sólo por su base, ya que, debido a la baja rigidez de este tipo de sistema, tiende a ser inestable y a permitir un movimiento excesivo. Puede ser difícil de lograr un aislamiento efectivo debido al acoplamiento de

28.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

las frecuencias naturales. Con el fin de mover el centro elástico del sistema hacia el centro de gravedad, puede utilizarse un montaje con aisladores en ángulo hacia arriba. Esto reducirá el efecto de los modos de acoplamiento, mejorará el aislamiento de la vibración y reducirá el movimiento. Puede resultar más factible desacoplar el sistema montando la máquina rígidamente con un bloque de inercia (para hacer descender el centro de gravedad del ensamblaje) y suspender el bloque de inercia de aisladores localizados en el mismo plano horizontal que el centro de gravedad. 3. Muchos tipos de equipamiento tienen estructuras de montaje relativamente poco masivas para conectarlas a aisladores. La baja impedancia mecánica de estas estructuras hace imposible lograr un nivel alto de aislamiento de la vibración. La impedancia mecánica de la estructura de apoyo puede aumentarse conectando rígidamente el equipamiento a un bloque de inercia y montando luego éste sobre aisladores. 4. Algunos tipos de equipamiento no funcionan adecuadamente salvo que estén apoyados en una estructura rígida. Esto se aplica a ciertos tipos de máquinas herramienta que no son inherentemente rígidas y que por tanto necesitan de un apoyo rígido para mantener la precisión prescrita. En otros tipos de maquinaria (como prensas de imprenta), que tienen componentes articulados, puede hacer faIta un apoyo rígido para mantener el alineamiento adecuado de las partes en funcionamiento. Un bloque de inercia adaptado para satisfacer los requisitos anteriormente descritos puede colocarse por encima del nivel del suelo o, por debajo de éste, dentro de un foso. Los aisladores que se emplean para apoyar el bloque pueden ser de caucho. muelles de acero u otro material flexible adecuado. El tamaño del bloque de inercia requerido depende de las razones para su uso y del tipo y tamaño del equipamiento. La finalidad del bloque de inercia puede ser aportar rigidez; el tamaño se determina mediante el momento disponible para transferencia al bloque y el movimiento permisible de la máquina. La frecuencia natural deseada para el sistema de aislamiento suele establecerse mediante las características de funcionamiento del equipamiento montado y el aislamiento requerido. La Figura 28.8 muestra un bloque de inercia apoyado por encima del nivel del Base de hormigón

Muelle

~~~.~:ar,[""'.•.~-::• •.~":J:••.':..:"'"':!:-7~ .' ..•... o:

Suelo

/77/777/dJ7h,

FIGURA 28.8. Bloque de inercia apoyado sobre aisladores. La base puede construirse cubriendo el suelo con una lámina plástica, instalando el marco sobre ésta y vertiendo el hormigón hasta llenar el marco. Una vez que el hormigón se asienta,la base se levanta del suelo y se coloca en su posición definitiva mediante los tornillos de elevación. (The Vibration Eliminator Company.)

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.17

suelo. Los aisladores comercializados pueden utilizarse eficazmente con un bloque de inercia; se obtienen particulares ventajas con el uso de aisladores que tengan un dispositivo para ajuste de la altura con el fin de facilitar la nivelación del bloque. El bloque de inercia que muestra esta ilustración puede ser vertido sin forma, utilizando el suelo para cerrar el lado inferior del marco y cubriendo el suelo con una lámina plástica antes de verter el hormigón. Una vez que éste ha fraguado, el bloque de inercia se levanta del suelo dando vueltas a los torniI1os de elevación. La Figura 28.9 muestra cómo pueden utilizarse los aislamientos flexibles para construir un bloque de inercia por debajo del nivel del suelo. Se cubre un foso de hormigón del tamaño preciso con el material flexible. Entonces se cubre este material con láminas de plástico y se vierte el hormigón para formar un bloque de inercia. Se puede conseguir la frecuencia natural deseada utilizando materiales flexibles de grosor y superficie adecuadas. Es precisa una gran deflexión estática para obtener una frecuencia natural baja para el sistema aislado. Si los aisladores están localizados muy por debajo del centro de gravedad del bloque de inercia, algunas de las frecuencias naturales del sistema son relativamente bajas, debido al acoplamiento de los modos rotacional y traslacional. Se introduce así una tendencia a la inestabilidad, un efecto que resulta más importante si la máquina genera grandes fuerzas horizontales durante su funcionamiento normal. Esta limitación puede reducirse instalando los aisladores en posiciones próximas a la superficie superior del bloque de inercia, apoyado sobre contrafuertes que se extienden hacia dentro desde los muros del pozo. Una versión más refinada de este concepto es el bloque de inercia en forma de T, que ilustra la Figura 28.10. Con este diseño es posible colocar los aisladores en el mismo plano horizontal que el centro de gravedad e igualar, aproximadamente, las frecuencias naturales en los seis modos de vibración. Este requiere resortes que posean constantes de rigidez verticales y horizontales iguales. Si las distancias entre muelles, vistos en planta desde cualquiera de los dos lados, son iguales al doble de los radios de giro respectivos, se igualan las frecuencias naturales vertical y rotacional. La frecuencia natural de roSello de masilla

;')~/ :~.:"< ~.:i , : ~~ ~~'<~'). :.:",. :.~ ~:: .~~ ET:;~:~: de . .•..

. ~ ..... '

aire una vez retirado t.t~~~~$~~~~~~' ::"'f'~'~'~ el modelo • •• '. ~ ',"" • . . . . . 'JI' • ••. ' . . . ~ • • • Tablero flexible':. 'Relleno inactivo:', . • ... .:. ... ,# ••• 6 •

4

•

'PapelltnpermeatlJe" . ..... _

." .'

..

~.

•

AGURA 28,9. Base independiente en el suelo. La rigidez del tablero flexible se determina mediante el tipo de material, su área y su grosor; el espacio entre tableros se cubre con relleno inactivo, es decir, con partículas de material de rigidez insignificante. La base puede verterse directamente sobre la lámina plástica colocada sobre el tablero. En los extremos opuestos se muestran disposiciones alternativas. A la izquierda, el tablero sirve como encofrado para el hormigón; allí donde haga falta menos rigidez horizontal, pueden utilizarse encofrados extraíbles en su construcción, como se muestra en el lado derecho. (The Vibration Eliminator Company.)

28.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 28.10. Base independiente apoyada mediante resortes y dispuesta para igualar las frecuencias naturales en los seis modos de vibración 2 •

tación en torno al eje vertical no puede controlarse de forma independiente, pero suele ser aproximadamente igual a las frecuencias naturales de los otros modos. Cuando la frecuencia natural de un bloque de inercia sobre resortes es relativamente baja, siempre está presente la posibilidad de inestabilidad, ya que la única restricción horizontal viene dada por la constante de muelle horizontal de los muelles que soportan la carga. Si existen dudas al respecto, hay que añadir muelles horizontales para aportar estabilidad horizontal. Si se utilizan aisladores más rígidos para sujetar la masa aumentada que resulta de añadir el bloque de inercia, de manera que la de flexión estática resultante de los aisladores es la misma que sin la carga adicional, añadir el bloque de inercia no reduce las fuerzas de vibración transmitidas desde una máquina vibratoria a su estructura de apoyo a través de sus aisladores. pero se mantienen las cuatro ventajas mencionadas anteriormente.

Sistemas de aislamiento de dos fases

Un sistema de aislamiento en dos fases, que se muestra esquemáticamente en la Figura 28.11. consiste en dos series de aisladores. con una masa auxiliar entre ellas. La masa auxiliar puede estar contenida en la disposición del aislador o puede consistir en una base secundaria de la máquina. Un sistema de aislamiento de dos fases aporta mayor aislamiento a frecuencias altas del que puede obtenerse mediante el uso de los sistemas simples de aislamiento convencional. Sin embargo, un sistema de dos fases exhibe resonancias de baja frecuencia en que el rendimiento del aislamiento es muy reducido. Para evitar este efecto perjudicial en el rango de frecuencias de interés, el sistema ha de estar diseñado adecuadamente. En las Referencias 9-11 se encuentra información pertinente acerca de este diseño.

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.19

Equipamiento

Aislador ~ de la vibración--¡......:..--=..2...l..-_ _ _ _..L-~_,

~'T-~------~rl

FIGURA 28.11.

Masa auxiliar

Aislamiento en dos fases.

AMORTIGUAMIENTO ESTRUCTURAL El amortiguamiento es la retirada de energía mecánica de un sistema vibratorio, habitualmente mediante su conversión en calor. Todas las estructuras y materiales poseen cierto amortiguamiento inherente. La mayoría de los metales ofrecen relativamente poco amortiguamiento, los materiales de caucho y plásticos blandos tienden a poseer más y algunos materiales especiales aportan un considerable amortiguamiento. Las estructuras construidas con placas o láminas de metal tienden a poseer un amortiguamiento significativo debido a las juntas remachadas o ancladas; las juntas soldadas en general no contribuyen de forma apreciable al amortiguamiento. Las estructuras vibrantes inmersas en líquidos pueden experimentar un considerable amortiguamiento debido a la radiación sonora de la estructura hacia el Ifquido. En los sistemas mecánicos, el amortiguamiento se obtiene del rozamiento entre caras, por medio de fluidos viscosos o de efectos electromagnéticos, entre otros.

Aplicación del amortiguamiento añadido

Aumentar el amortiguamiento estructural es útil para reducir: (1) vibraciones (y radiación sonora acompañante) resultantes de la excitación a las frecuencias naturales de una estructura o de la excitación de banda ancha; (2) vibraciones y ruido generado por impactos únicos o repetitivos o por otras fuerzas transitorias; (3) vibraciones autoexcitadas, como las asociadas con el chirriar de frenos (que son inducidas por una retroalimentación o fenómeno de inestabilidad); (4) la propagación de vibraciones a lo largo de estructuras extendidas, y (5) la transmisión del sonido a través de paredes o paneles a frecuencias por encima de sus «frecuencias de coincidencia» (descritas en el Capítulo 31). El aumento de amortiguamiento no suele resultar eficaz en otras situaciones. Por ejemplo, añadir amortiguamiento a una estructura no tiene un efecto significativo sobre su vibración fuera de resonancia, y el amortiguamiento añadido a un panel no tiene un efecto apreciable sobre su transmisión de sonido a frecuencias por debajo de la frecuencia de coincidencia. Para tener valor práctico, el amortiguamiento añadido debe aumentar el amortiguamiento de una estructura o componente de forma considerable.

28.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Tratamientos y dispositivos de amortiguamiento

Dado que cualquier tratamiento o dispositivo que disipa la energía vibratoria puede servir para aportar amortiguamiento, existen muchos medios distintos de amortiguamiento, incluyendo: (1) dispositivos (como los amortiguadores de automóviles) en que la energía se disipa mediante fluidos viscosos que se fuerzan a través de orificios; (2) dispositivos como los de los frenos de automóviles, que se basan en el rozamiento entre superficies sólidas; (3) sistemas electromagnéticos, como los aparatos de corriente parásita o de Foucault, en que el movimiento relativo entre un imán y un conductor genera corrientes eléctricas que son disipadas en resistencias eléctricas; (4) cables, cadenas o materiales granulados (p. ej., arena o bolas de plomo) que están dispuestos de manera que tintinean dentro de coberturas o cavidades a medida que éstas vibran, y (5) aparatos o disposiciones que incorporan materiales con amortiguamiento inherente alto. Puede obtenerse un amortiguamiento significativo sólo si la configuración satisface los siguientes requisitos: (1) debe tener una alta capacidad de disipación de la energía a las amplitudes, frecuencias y condiciones ambientales de interés, y (2) debe estar colocada y configurada de manera que participe en considerable medida en la energía mecánica total del sistema de vibración. Un tratamiento de amortiguamiento es una configuración de materiales que se aplica a un componente estructural, como un panel de chapa de metal, para aumentar su amortiguamiento. Muchos fabricantes tienen disponibles tratamientos de amortiguamiento en láminas, como cintas que se pegan a una superficie, y en masa para extender en spray o con paleta sobre la superficie. Las láminas absorbentes del sonido ajustadas a la superficie de metal del cerramiento de una máquina pueden aportar amortiguamiento a la estructura, además de absorber el sonido. Hay disponibles algunos tratamientos de amortiguamiento en forma de lámina con una superficie magnetizada; las secciones de esta lámina pueden conectarse rápidamente a una superficie plana de acero (u otra aleación magnética) durante las operaciones ruidosas (como astillar, triturar, martillear y remachar) y pueden retirarse y reutilizarse. Los tratamientos de amortiguamiento aplicados a estructuras de chapas de metal grandes y relativamente delgadas suelen aportar una considerable reducción del ruido. sobre todo si se aplican: (1) a paneles que forman cerramientos de cabina para las máquinas (p. ej., lavavajillas, refrigeradores o equipamiento de oficina) o (2) a las superficies posteriores de tolvas, cajones, cintas transportadoras, bandejas, alimentadores vibratorios, molinos de desarenado y otros aparatos en que se producen impactos de objetos duros. En los siguientes párrafos aparecen directrices más específicas sobre el uso de los tratamientos de amortiguamiento. Tratamientos que utilizan materiales de amortiguamiento alto

Los materiales visco elásticos de alto amortiguamiento son aquellos que poseen capacidades tanto para la disipación de la energía (viscosa) como para su almacenamiento (elástica). Todos los materiales poseen estas capacidades en cierta medida, pero algunos materiales de caucho polimérico tienen unas propiedades de amorti-

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.21

guamiento particularmente buenas. Las propiedades dinámicas de los materiales que están relacionadas con el rendimiento de amortiguamiento tienden a variar considerablemente con la frecuencia y la temperatura, pero por lo general son relativamente independientes de la amplitud de la tensión, precarga y carga cíclica. Los materiales poliméricos que se utilizan como tratamiento de amortiguamiento han de ser así seleccionados para ajustarse a los rangos de temperatura y frecuencia de interés. Los distribuidores de materiales de amortiguamiento suelen tener disponibles la mayoría de los datos precisos·. Dos tipos de configuraciones de amortiguamiento viscoelástico suelen utilizarse ampliamente en el amortiguamiento de vibraciones de componentes estructurales en forma de placa, como se ilustra en la figura 28.12: (1) tratamientos de capas «libres», en que una capa de material viscoelástico simplemente se adhiere a una superficie estructural, y (2) tratamientos de capas «forzadas», en que la capa de material viscoelástico se adhiere a la superficie estructural y una capa adicional de «aprisionamiento» del material estructural se coloca sobre la capa viscoelástica. La capa viscoelástica libre almacena y disipa energía, sobre todo debido al estiramiento y la compresión que resulta de la flexión del componente estructural; la capa forzada aporta amortiguamiento, fundamentalmente debido al encizallamiento que se induce en ella debido a la flexión del sandwich, cuyas caras son el componente estructural y la capa de aprisionamiento. Para un rendimiento eficaz del amortiguamiento, el material viscoelástico ha de estar correcta y continuamente conectado a la capa estructural y, allí donde se utilice, a la capa que le aprisiona. Si el material no es autoadhesivo, puede utilizarse una capa delgada de un adhesivo rígido, como un EPOXY rígido. En todos los casos, el tratamiento viscoelástico debe colocarse sobre la estructura vibratoria, de manera que el material esté sometido a una tensión considerable: los tratamientos de capas libres se colocan sobre todo en los antinodos, donde las tensiones de flexión y extensión son mayores; los tratamientos de capas forzadas se colocan fundamentalmente en los nodos, donde las tensiones de corte son mayores. En situaciones en que hay que amortiguar muchos modos de una estructura y los nodos y antinodos pueden producirse sobre un rango considerable de localizaciones, es aconsejable cubrir toda la estructura con tratamiento de amortiguamiento.

Capa de aprisionamiento "-

Tratamiento de capa libre

...

Tratamiento de capa forzada

FIGURA 28.12. Tratamientos de amortiguamiento de capas libres y forzadas .

• Las listas de distribuidores aparecen anualmente en los números de junio de Sound and Vibration. En la Referencia 12 puede encontrarse una recopilación de las propiedades de muchos materiales de amortiguación disponibles.

28.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Tratamientos de amoniguamiento de capas libres. El amortiguamiento que ofrece una capa viscoelástica libre aumenta aproximadamente con el cuadrado del grosor de la capa, hasta un grosor de unas tres veces el del componente estructural de la placa; para grosores superiores, el aumento es menos rápido. Los tratamientos de amortiguamiento típicos tienden a utilizar materiales viscoelásticos de un grosor que está entre un medio y el doble del grosor del componente estructural. Las Referencias 12 y 13 aportan amplia información adicional. Tratamientos de amortiguamiento de capas/orzadas. La conducta de amortiguamiento de los tratamientos forzados es más compleja; el amortiguamiento obtenido mediante una capa forzada en un componente de placa estructural determinado a cualquier frecuencia fijada es máximo para determinado grosor óptimo y desciende para grosores por encima y por debajo de este óptimo. Para grosores que son mayores o menores que el óptimo en un factor 5, el amortiguamiento es aproximadamente la mitad del obtenido con el óptimo. El grosor óptimo depende en sí de la rigidez y el grosor de las capas estructurales de aprisionamiento, del factor de resistencia al corte del material viscoelástico y de la deformación de forma de la estructura a la frecuencia de interés. Los tratamientos de capas forzadas suelen aportar mayor amortiguamiento que los de capas libres del mismo peso, pero para rangos limitados de frecuencia y temperatura. Para que funcionen bien, los tratamientos de capas forzadas han de diseñarse cuidadosamente, p. ej., tal y como se describe en las Referencias 12 y 13. El amortiguamiento debido al tratamiento de capas libres varía esencialmente con la frecuencia y la temperatura sólo como resultado de las dependencias de las propiedades del material viscoelástico de estos parámetros. Un tratamiento eficaz de capas libres puede obtenerse simplemente utilizando el grosor conveniente de un material viscoelástico que exhiba amortiguamiento alto y rigidez considerable en los rangos de frecuencia y temperatura de interés. Por otra parte, el amortiguamiento debido al tratamiento con capas forzadas depende también de la rigidez y el grosor de la estructura y la capa de aprisionamiento, así como de la deformación de su forma inicial.

REFERENCIAS 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York,

1988. 2. D. G. Stadelbauer y D. Muster, «Balancing of rotating machinery», Capítulo 39 en la Referencia l. 3. R. D. Blevins, «Vibrations of structures induced by fluid flow», Parte 1, Capítulo 29 en la Referencia l. 4. A. G. Davenport y M. Novak, «Vibration of structures induced by wind», Parte n, Capítulo 29 en la Referencia 1. 5. F. E. Reed, «Dynamic vibration of absorbers and auxiliary mass dampers», Capítulo 6 en la Referencia 1. 6. L. Cremer, M. Heckl y E. E. Ungar, Structure-bome sound, 2. 8 ed., Springer-Verlag, Nueva York, 1988.

TECNICAS DE CONTROL DE LA VIBRACION

28.23

7. R. W. Horning y D. W. Schubert, «Air suspension and active vibration isolation systems», Capítulo 33 en la Referencia 1. 8. R. S. Jones, Noise and vibration control in buildings, McGraw-Hill, Nueva York, 1984. 9. E. E. Ungar, «Vibration isolation», Capítulo 11 en I. L. Vér y L. L. Benarek (Eds.), Noise and vibration control, John Wiley and Son s, Nueva York, 1991. 10. C. F. Crede y J. E. Ruzicka, «Theory of vibration isolatioD», Capítulo 30 en la Referencia l. 11. E. E. Ungar y C. W. Dietrich, «High frequency vibration isolation», J. Sound and Vibration, vol. 4,1966, pp. 224-241. 12. A. D. Nashif, D.1. G. Jones y J. P. Henderson, Vibration damping, John Wiley and Sons, Nueva York, 1985. 13. E. E. Ungar, «Structural damping», Capítulo 12 en 1. L. Vér y L. L. Benarek (Eds.), Noi. se and vibration control, John Wiley and Sons, Nueva York, 1991.

---------------------------------------------------------

Capítulo

29

1.a PARTE: TIPOS Y CARACTERISTICASDELOS AISLADORES DE VIBRACION R. H. Racca INTRODUCCION En este capítulo se describen varios tipos de aisladores de vibración, así como sus características. Se tratan los aspectos prácticos de los aisladores, incluyendo los aisladores elastoméricos, los aisladores plásticos y los muelles de metal. Cada tipo se describe según sus configuraciones típicas (como compresión y cizallamiento para los muelles elastoméricos) y sus aplicaciones características (como la detlexión de carga y la amortiguación). A continuación, se presenta información detallada de los aisladores de vibración comercializados. En la Parte 2 de este capítulo, se incluye información detallada sobre cómo seleccionar aisladores de vibración. Se utilizan muchos materiales diferentes como elementos elásticos de los aisladores. El material empleado determina el tipo de aislador. Cada material posee ventajas y desventajas particulares. Los aisladores elastoméricos (caucho sintético y natural) tienen muchas aplicaciones debido a que pueden moldearse adecuadamente con muchas formas y rigidez distintas, poseen más amortiguación interna que los muelles de metal, suelen precisar espacio y peso mínimos y pueden unirse a piezas metálicas adaptadas para simplificar la conexión con estructuras aisladas. Los aisladores plásticos poseen características de rendimiento parecidas a las de los del tipo de caucho y metal utilizados en configuraciones equivalentes. Entre sus ventajas destacan el bajo coste y la notable uniformidad; entre sus desventajas. el poseer una temperatura máxima de funcionamiento, generalmente limitada a 29 oC (120°F). Los muelles de metal suelen emplearse allí donde se precisa una gran detlexión estática, donde la temperatura u otras condiciones ambientales hacen inadecuado al elastómero y (bajo algunas circunstancias) donde haga falta un aislador de bajo coste. Si se precisa un aislador de menor frecuencia. pueden utilizarse aisladores neu29.1

29.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

máticos, que poseen ventajas en este campo. I.'ueden utilizarse en muchas de las mismas aplicaciones que los muelles de metal, pero sin algunas de las desventajas de estos últimos. Otros materiales elásticos, no comentados en este capítulo, son el corcho, la esponja de caucho y algunos materiales compuestos. Por lo general, estos materiales se cortan de grandes planchas y se usan en forma de placas. Carecen de la adaptabilidad de los elastómeros moldeables y suelen adherirse a piezas de metal para facilitar su instalación. El corcho suele utilizarse como apoyo de cimientos de hormigón relativamente grandes. Las fibras de vidrio impregnadas con un aglutinante adecuado pueden usarse para formar el elemento elástico de los aisladores de vibración. Estos aisladores son relativamente inmunes a las condiciones ambientales y se usan frecuentemente en la aviación militar. Muchos otros materiales compuestos en forma de planchas se utilizan como aisladores de la vibración, sobre todo en maquinarias. Estos tipos de aisladores especiales. las propiedades detalladas de los elastómeros y los sistemas de aislamiento especial se describen en la Referencia 1.

CARACTERISTICAS DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS La familia de los elastómeros

El tipo de aislador más frecuentemente utilizado es el elastomérico. Los elastómeros son cauchos naturales o materiales de tipo caucho. Pueden soportar grandes deformaciones y volver luego aproximadamente a su estado original sin sufrir virtualmente ningún daño. Los aisladores elastoméricos son superiores a otros tipos de aisladores en algunos aspectos, ya que para una determinada cantidad de elasticidad. capacidad de deflexión, almacenamiento de energía y disipación precisan menos espacio y menos peso. Además. pueden ser moldeados con muchas configuraciones distintas de materiales diferentes, por lo general con un coste inferior al de otros tipos de aisladores. Los elastómeros tienen una extensibilidad y deformabilidad excepcionales. Pueden utilizarse con elongaciones de hasta el 300 por 100. existiendo algunos que alcanzan elongaciones límites de hasta el 1000 por 100. Pueden tensarse incluso entre 0.145 y 0.218 pascales (1000 a 1500 Ib/in 2 ) antes de alcanzar su límite elástico. Su gran capacidad para almacenar energía les permite tolerar mucha tensión. Cuando la tensión desaparece. hay una recuperación prácticamente completa de la deformación. La amortiguación inherente de los elastómeros suele resultar útil para prevenir la excesiva amplitud y resonancia de la vibración. una amplitud mucho menor de la que se produciría si se utilizaran muelles metálicos. Los materiales elastoméricos proporcionan una excelente resistencia a la transmisión del ruido a través de las estructuras debido a su impedancia acústica relativamente baja, que es una consideración importante cuando los requisitos acústicos son el factor clave. Entre los diferentes e1astómeros, el caucho natural posee probablemente la combinación más favorable de propiedades mecánicas, como mínima plasticidad, máxima tensión y elongación máxima en rotura. Su utilidad está restringida por sus límites de resistencia al deterioro bajo la influencia de los hidrocarbonos, el ozono

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

29.3

y las temperaturas ambientales altas. El Neopreno y Buna N (nitrilo) exhiben una resistencia superior a los hidrocarbonos y al ozono, siendo el Buna N especialmente satisfactorio para aplicaciones que implican temperaturas ambientales relativamente altas. El Buna S es un buen caucho sintético para su uso general como aislador de vibración. La si/icona es uno de los elastómeros más caros. Sus propiedades son muy estables y aporta un aislamiento efectivo para un rango de temperaturas muy amplio: - 54 a 177 oC ( -65 a +350 °F). En comparación, el neopreno tiene su uso limitado a un rango de aproximadamente -40 a 93 oC (-40 a +200 °F). El límite de temperatura superior depende de las propiedades del componente particular, el grado de deterioro permisible como resultado de la exposición continuada a temperaturas altas y la duración de la exposición. Para la silicona, es posible alcanzar sin riesgo una temperatura muy superior a 149 oC (300 °F) durante varias horas. La notable capacidad de los elastómeros de silicona para soportar temperaturas extremas se contrapone a sus capacidades reducidas de tensión, resistencia al desgarro y resistencia a la abrasión. Los aisladores fabricados con elastómeros tienen un comportamiento complejo debido a su naturaleza viscoelástica (aproximadamente entre la de un sólido y un líquido), a su límite de elasticidad indefinido y a que sus propiedades físicas varían con el tiempo, la temperatura y el ambiente. Por ejemplo, el caucho es un material esencialmente incompresible (posee un factor de Poisson de aproximadamente 0,5). Así, la rigidez de un muelle de caucho, cuando es sometido a compresión, depende, en gran medida, del área de la superficie disponible para la expansión lateral. Por otra parte, la rigidez de un muelle de caucho en cizallamiento es fundamentalmente independiente de la forma del elemento de caucho. Como norma empírica aproximada, se puede asumir que la rigidez mínima probable de compresión de un muelle de caucho es 5 veces su rigidez en cizallamiento. La rigidez de compresión máxima puede ser varias veces mayor que el valor mínimo si se restringe la expansión lateral del caucho. Rotura por fatiga y rotura prematura

Sea cual sea su geometría, tanto los elastómeros como los metales exhiben rotura por fatiga como resultado de cargas cíclicas repetidas. A diferencia de los metales, los elastómeros no experimentan una rotura por fatiga de tipo catastrófico. En vez de ello, la rotura comienza como una fisura en el punto de mayor tensión de corte cíclica, que se produce por lo general en la parte exterior (por lo tanto. visible en muchos casos) y gradualmente se propaga hacia el cuerpo del elastómero. El resultado es una reducción gradual de la rigidez que, por lo general, se hace aparente antes de la rotura total. La mayoría de los aisladores elastoméricos no deben ser sometidos a grandes tensiones estáticas durante grandes períodos de tiempo. Un aislador con una gran de flexión estática puede dar un rendimiento satisfactorio temporalmente, pero la de flexión tiende a desplazarse excesivamente si el período es largo. En general. los elastómeros no deben forzarse estáticamente de forma continua más del 10 al 15 por 100 en compresión y no más del 25 al 50 por 100 en cizallamiento.

29.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Un factor que contribuye al fallo prematuro de un aislador elastomérico es el efecto de la tensión mínima sobre la vida de fatiga. Para elastómeros que cristalizan bajo tensiones fuertes (como el neopreno y el caucho natural), la vida de fatiga se ve muy aumentada si la tensión cíclica mínima siempre es positiva o negativa y nunca pasa a través de cero. La precompresión estática adecuada del aislador dentro de los límites especificados anteriormente es a menudo una forma eficaz de impedir que la tensión cíclica mínima pase a través de cero, bajo condiciones dinámicas. Las concentraciones locales de tensión, que tienen como resultado un fallo prematuro, a menudo pueden evitarse utilizando bandas, radios y salientes generosos de la sección elastomérica. En las zonas de contacto con el eslastómero, hay que redondear cuidadosamente las esquinas agudas de las piezas metálicas y las estructuras de apoyo. Las arandelas de amortiguación de metal y/o las estructuras de apoyo en contacto con el elastómero deben ser suficientemente grandes como para evitar que sus bordes corten las superficies de éste. Aisladores conectados y desconectados

Los aisladores elastoméricos pueden diseñarse en configuraciones conectadas y desconectadas. La Figura 29.1 ilustra ambos tipos. En el aislador conectado, unas piezas de metal están conectadas a los elastómeros de todas las superficies que soportan la carga (véase Figura 29.1a). En el aislador desconectado o semiconectado, la superficie elastomérica que soporta la carga descansa directamente sobre la estructura de apoyo (véase Figura 29.lb). Las partes conectadas suelen resultar más caras debido a la preparación química especial necesaria para lograr un nexo de unión con una resistencia que supere a la del elastómero en sí. Suelen preferirse las partes conectadas porque pueden soportar más tensión para una de flexión determinada. Con tensiones altas tienen constantes de muelle altas y una gran capacidad elástica de almacenamiento de energía. Los aisladores conectados pueden diseñarse para que tengan una distribución adecuada de la carga de corte. compresión. tensión o de cargas combinadas. Se ob-

"",".L.L.L.L~~~~~~

Estructura de apoyo

/

r-- . -.......~H-+-....-.L....· - -

Arandela de amortiguación

Corte longitudinal (a)

-'-'

_ ____ --.1

L-__

(b)

FIGURA 29.1. Aisladores elastoméricos. (a) Aisladores conectados; (b) aisladores desconectados. (De acuerdo con R. Racctl.)

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

29.5

tiene una distribución más uniforme de la tensión en el elastómero conectando las piezas metálicas sobre todas las superficies de elastómero que soportan carga. Las piezas de conexión reducen la tensión unitaria al distribuirla más uniformemente por todo el volumen del elastómero. Por otro lado, las partes desconectadas no suelen distribuir la carga de manera uniforme, lo que da como resultado áreas locales de concentración de tensión en el cuerpo del elastómero, lo cual acorta su vida. Una diferencia significativa entre aisladores elastoméricos conectados y desconectados se relaciona con su comportamiento bajo carga. Cuando una capa de elastómero se comprime bajo la carga, su volumen permanece constante. sólo cambia su forma. El caucho se abulta bajo la carga. Cuando se controla esta capacidad de deformarse, se controlan las características de deflexión de carga del aislador. En un aislador conectado, las superficies que soportan la carga poseen un grado fijo de deformación porque el elastómero no se puede mover a lo largo de la línea de conexión, con lo que permanece en una posición fija sean cuales sean la carga o las condiciones ambientales. Este no es el caso en un aislador desconectado. La capacidad de un elastómero para deformarse depende en gran medida del mantenimiento del rozamiento en la superficie de contacto entre el elastómero y la estructura de apoyo. Cuando todas las superficies están limpias y secas, la diferencia en la deformación entre aisladores conectados y desconectados es insignificante. Pero si se introduce aceite o arena en la superficie de contacto entre el elastómero y el metal de un aislador desconectado, la capacidad del elastómero para deformarse aumenta notablemente y, por tanto, sus características iniciales de de flexión de carga ya no existen. Entonces el aislador puede exhibir características de deflexión de carga que son un 50 por 100 menores de lo que eran cuando el equipamiento era nuevo. En muchos casos, esto puede originar un funcionamiento defectuoso del aislador. Así, cuando se precisan características consistentes de deflexión de carga durante toda la vida del equipamiento. deben utilizarse aisladores conectados. Aunque el coste inicial de los aisladores desconectados es inferior, en muchos casos el coste de mecanización adicional de la estructura de apoyo y la reducción de la vida de servicio pueden convertirlos en una elección inadecuada.

Tipos de carga

Los aisladores elastómeros pueden utilizarse con distintos tipos de carga: compresión, cizallamiento. tensión o pandeo. o con cualquier combinación de ellas.

Carga de compresión. La palabra compresión se utiliza para indicar una reducción en la dimensión (grosor) de un elemento elastomérico en línea con una fuerza aplicada externamente. La rigidez característica de los elastómeros sometidos a compresión exhibe una constante no lineal (endurecimiento) de muelle, que se hace especialmente pronunciada para tensiones por encima del 30 por 100. La carga de compresión que se muestra en la Figura 29.2a es más eficaz cuando se utiliza con aisladores simples desconectados y cuando se requiere una amortiguación gradual (limitar el movimiento). Frecuentemente, la carga de compresión se utiliza para aportar una rigidez inicial baja para el aislador de vibración y una rigidez final re-

29.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lipo de carga

Características de carga-deflexión

p ... (a)

Compresión

Ú

Deflexión

(b)

Deflexión

CIl~

oc "--o ái"iii Eo

(e)

0-

~

Deflexión

(d)

Deflexión

Cll ~

~._--.

(e)

P"de, Deflexión

FIGURA 29.2. Características de carga-deflexión de aisladores elastoméricos típicos. (Según R. Raccli.)

lativamente aIta para limitar las de flexiones dinámicas bajo la excitación del impacto. Debido a las características de endurecimiento no lineal de la carga de compresión. es el tipo menos eficaz para el almacenamiento de energía y, por tanto, no se recomienda cuando la fuerza de atenuación o la transmisión de la aceleración son la principal preocupación. (La energía almacenada en cualquier muelle es el área bajo la curva de deflexión de carga.)

Carga de cizallamiento.

La carga de cizallamiento (corte), ilustrada en la Figura

29.2b, se refiere a la fuerza aplicada a un elemento elastomérico de manera que par-

tes adyacentes se deslizan en direcciones opuestas. Una constante de muelle casi lineal de hasta aproximadamente el 200 por 100 es característica de la tensión de corte de un elastómero. Esta constante de muelle lineal hace de la tensión de

1.' PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

29.7

cizallamiento el tipo preferido para los aisladores de vibración, debido a que aporta una respuesta de frecuencia constante para tensiones dinámicas de corte, tanto grandes como pequeñas, en un sistema simple de masa-muelle. La carga de corte también resulta útil para aisladores del impacto, donde la fuerza de atenuación o la transmisión de aceleración son importantes, debido a su capacidad más eficaz para almacenar energía en comparación con la carga de compresión. Sin embargo, hay que tener cuidado para asegurarse de que las cargas dinámicas esperadas no tengan como resultado tensiones de corte que superen los límites del elastómero y de que no se produce una caída abrupta del equipo sustentado. La Figura 29.2c muestra una modificación de la carga de cizallamiento, a veces considerada como un tipo distinto, denominado carga torsional. Consiste en forzar un giro desfasado de varias secciones laminadas para tensar el elastómero en torsión. Cuando la tensión supera aproximadamente el 150 por lOO, se induce un considerable empuje axial de las cargas sobre las piezas de conexión. Carga de tensión. La carga de tensión, ilustrada en la figura 29.2d, hace referencia a un aumento en la dimensión (grosor) del elemento elastomérico en la línea de la fuerza aplicada externamente. La característica de rigidez de los elastómeros en un esfuerzo de tensión exhibe una constante de muelle no lineal (ablandamiento). Para una deflexión determinada, la carga de tensión almacena energía más eficazmente que las cargas de cizallamiento o de compresión. Por ello, la carga de tensión se ha empleado a veces para sistemas de aislamiento del impacto. Sin embargo, en general, la carga de tensión no se recomienda debido a que la carga resultante sobre el nexo entre el elastómero y el metal puede producir un fallo prematuro. Carga de pandeo. La carga de pandeo, que ilustra la Figura 29.2e, tiene lugar cuando la carga que se aplica externamente hace que un elemento elastomérico se deforme o flexione en la dirección de la carga aplicada. Las características de la rigidez de pandeo pueden utilizarse para obtener tanto las ventajas de las características de ablandamiento de la rigidez (para la parte inicial de la curva de carga-deflexión) como las características de endurecimiento (para la parte que sigue en la curva de carga-deflexión). El modo de pandeo aporta así una capacidad alta de almacenamiento de la energía y es útil para los aisladores de impacto, en los que la transmisión de la fuerza o la aceleración es importante y donde es precisa la amortiguación (limitación del movimiento) bajo cargas transitorias dinámicas excesivamente altas. Este tipo de rigidez característica aparece en algunos materiales de espuma elastomérica de amortiguación y en aisladores elastoméricos especialmente diseñados. Sin embargo, es importante destacar que incluso los elementos simples de compresión se pandearán cuando la relación de esbeltez (la relación entre longitud y anchura sin carga) supera 1,6. Es frecuente utilizar combinaciones de los tipos de carga descritos anteriormente, lo cual da como resultado características combinadas de carga-deflexión. Considérese, por ejemplo, un aislador del tipo compresión que esté instalado en ángulo, en lugar de su posición vertical habitual. Bajo estas condiciones, actúa como un tipo de aislador de compresión-cizallamiento cuando se carga en dirección vertical hacia abajo. Cuando se carga en dirección vertical hacia arriba, actúa como un tipo de aislador de combinación cizallamiento-tensiÓn.

29.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

RIGIDEZ ESTA TlCA y DINAMICA Cuando el muelle de carga principal es de caucho u otro material orgánico similar, la frecuencia natural calculada utilizando la rigidez determinada a partir de un ensayo de carga estática-deflexión de muelle es, casi invariablemente, inferior al valor dinámico. Así, el módulo dinámico parece mayor que el módulo estático. La relación entre los módulos es aproximadamente independiente de la velocidad de tensionado y posee un valor numérico entre 1 y 3. Esta relación aumenta significativamente a medida que aumenta el durómetro.

INTERACCION CON LA ESTRUCTURA DE APOYO Un aislador tiene que deflectar si ha de aislar de la vibración; por lo general, cuanto mayor es la deflexión, mayor es el aislamiento. El aislador funciona siendo lo suficientemente blando como para permitir amplitudes de vibración relativas, sin transmitir una fuerza excesiva a la estructura apoyada. A menudo, se asume en la selección de aislador que la estructura de apoyo es una masa con rigidez infinita. Este supuesto no es cierto, ya que si la base fuera infinitamente rígida, no respondería a una fuerza dinámica y no sería necesario el aislador. Dado que la base responde a fuerzas dinámicas, su respuesta afecta a los componentes que están conectados a ella de forma flexible. En realidad, la estructura de apoyo es un muelle en serie con el aislador. y los muelles en serie transmiten la misma fuerza y deflectan proporcionalmente a sus constantes de muelle respectivas. Así, si la rigidez del aislador es alta en comparación con la rigidez de la base, ésta deflectará más que el aislador y en realidad anulará o limitará el aislamiento necesario desde el aislador. Para obtener la máxima eficacia del aislador seleccionado, la constante de muelle de la estructura de apoyo debe ser al menos 10 veces la constante de muelle del aislador conectado a ella. Esto asegurará que al menos el 90 por 100 de la constante de muelle del sistema total es aportada por los aisladores y sólo el 10 por 100 por la estructura de apoyo.

CARACTERISTlCAS DE LOS AISLADORES COMERCIALIZADOS Hay aisladores comercializados fabricados con muchos materiales flexibles, con multitud de formas y tamaños, y con características muy diversas. Sólo en EE.UU., hay más de 125 fabricantes de aisladores elastoméricos, todos los cuales ofrecen una gama de modelos y una amplia variedad de compuestos elastoméricos y caucho natural. El número es significativamente mayor si se incluyen los fabricantes de aisladores de plástico, metal, neumáticos y otros materiales. Las propiedades de un aislador determinado dependen no sólo del material del que está fabricado, sino también de su configuración y de la fabricación global, incluido el material estructural utilizado en el interior del cuerpo del aislador.

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

(a)

29.9

(b)

FIGURA 29.3.

Aislador tipo cuenco no anclado. Características. diseño compacto de perfil bajo; rendimiento en todos los modos, puede utilizarse en tensión, compresión o corte con igual rendimiento; diseño seguro contra roturas; amortiguación en todas direcciones; rango de carga desde 3,6 hasta 816 kg (8 a 1800 lb); frecuencia natural inferior a 12 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial aproximadamente igual a 1. Aplicaciones típicas. unidades de refrigeración, aire acondicionado, motores auxiliares, generadores, ventiladores, bombas, plantas eléctricas, equipamiento hidráulico y neumático, instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos). AGURA 29.3b Aislador semiesférico elastomérico. Caracterfsticas. construcción anclada; características no lineales de deflexión de carga; excelente capacidad de almacenamiento de energía; alta capacidad de deflexión, buen aislador de impactos y vibraciones; rango de carga desde 2,3 a 13,6 kg (5 a 30 lb); frecuencia natural inferior a 12 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial igual a 1. Aplicaciones típicas: componentes electrónicos, ventiladores, generadores portátiles, aire acondicionado, centrifugadoras, equipamiento de comunicación, ordenadores, aplicaciones en que se requiere un gran almacenamiento de energía.

(c)

(d)

AGURA 29.3c Aislador de compresión de uso general. Características. diseño seguro contra fallos; amortiguación en todas direcciones; rango de carga desde 91 a 720 kg (200 a 1600 lb); frecuencia natural inferior a 8 Hz; relación entre la rigidez radial y axial aproximadamente igual a 0,3. Aplicaciones típicas. máquinas de combustión interna, cabinas de camión, transmisiones, bombas, motores, generadores, compresores, instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos) en la dirección axial. AGURA 29.3d Aislador anclado de uso general. Características. diseño compacto de perfil bajo; puede suministrarse seguro contra fallos con una arandela especial; rango de carga desde 18 a 816 kg (40 a 1800 lb): frecuencia natural inferior a 7 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial igual a 1. Aplicaciones típicas. máquinas de combustión interna, compresores, bombas, maquinaria de imprenta, prensas de grabado, ventiladores, fuelles, máquinas herramienta, laminadoras, instalaciones en que no se esperan cargas altas transitorias (impactos), salvo que se incluyan arandelas de amortiguación.

29.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Equipamiento als a o

r

Instalado Agujero de montaje

Arandela de montaje le)

If)

Tornillo Axial Tornillo Bisel

Hueco (elemento soporte)

R

Hueco (elemento soporte)

Tuerca Ig)

Ih)

FIGURA 29.3e Aislador completamente anclado de uso general. Características. tamaño compacto; diseño seguro contra fallos; amortiguación en todas direcciones; rango de carga desde 5,7 a 1225 kg (12,5 a 2700 lb); igual rigidez en las direcciones radial y axial. Aplicaciones típicas. motores de combustión interna, transmisiones, cabinas de camiones, acondicionadores de aire, bombas, radiadores, generadores, motores, compresores, en instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos).

FIGURA 29.3'. Aislador semianclado de uso general. Características. todas las capacidades; diseño seguro contra fallOS; rango de carga desde 18 a 2090 kg (40 a 4600 lb); frecuencia natural inferior a 10 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial aproximadamente igual a ,. Aplicaciones típicas. motores de combustión interna, transmisiones, cabinas de camiones, radiadores, acondicionadores de aire, bombas, motores, generadores, compresores, en instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos). FIGURA 29.3g. Aislador elastomérico tipo sandwich. Características. construcción compacta de tres piezas; diseño seguro contra fallOS; rango de carga desde 50 hasta 250 kg (110 a 550 lb); frecuencia natural inferior a 20 Hz en la dirección axial; relación entre la rigidez axial y radial desde 4:1 hasta 7:1. Aislador ideal para sistemas centrados. Aplicaciones típicas. motores de combustión interna, cabinas de camiones, motores, generadores, transmisiones, bombas, instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos). FIGURA 29.3h. Aislador semianclado de uso general. Características. construcción compacta de una pieza; diseño seguro contra fallos; amortiguación en todas direcciones; rango de carga desde 34 hasta 954 kg (75 a 2100 lb); frecuencia natural inferior a 10 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial aproximadamente igual a ,. Aplicaciones típicas. motores de combustión interna, transmisiones, radiadores, acondicionadores de aire, bombas, motores, generadores, compresores, en instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos).

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

(j)

(i)

(k)

29.11

-9 (1)

FIGURA 29.3; Aislador no anclado de tipo placa y cuenco. Caracter{stica!l compacto, perfil bajo; di· seño seguro contra fallos, arandelas de amortiguación integral; amortiguación en todas direcciones; rango de carga desde 2 hasta 14 kg (4 a 30 lb); frecuencia natural inferior a 15 Hz; relación entre la ri· gidez dinámica radial y axial de 0,6. Aplicaciones típica!l componentes electrónicos, motores, ventiladores, bombas, equipamiento de comunicación, acondicionadores de aire, unidades de refrigeración, equipamiento hidráulico y neumático, instalaciones en que se esperan cargas transitorias altas (impactos). AGURA 29.3/. Aislador elastomérico con forma de placa. Característica!l construcción compacta; di· seña seguro contra fallos; rendimiento en todas las actitudes, puede utilizarse en tensión, compresión o corte con igual rendimiento; fácil de instalar, arandelas de amortiguación incluidas; rango de carga desde 0,5 hasta 8 kg (1 a 18Ib); frecuencia natural inferior a 15 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial aproximadamente igual a 1. Aplicaciones típica!l bombas, ventiladores, componentes electrónicos y de ordenador, unidades de refrigeración, instalaciones en que se esperan cargas tran· sitorias altas (impactos). AGURA 29.3k. Aislador anclado de tipo abrazadera. Característica!l dimensiones de montaje normalizadas; diseño con seguridad contra fallos; coste bajo; rango de carga desde 0,2 hasta 140 kg (2 a 310 lb); frecuencia natural inferior a 7 Hz; la relación entre la rigidez radial y axial varía desde 1:1 para unidades de frecuencia baja, hasta 2:1 para unidades normalizadas. Aplicaciones típica!l ordenadores, impresoras, motores, componentes electrónicos, acondicionadores de aire, unidades de refrigeración, generadores portátiles, bombas, instalaciones en que no se esperan cargas transitorias altas (impactos). AGURA 29.31. Aislador cilíndrico de cizallamiento. CaracterístiCS!l diseño compacto; coste bajo; facilidad de instalación; rango de carga desde 4 hasta 64 kg (9 a 140 lb) en cizallamiento, 27 a 118 kg (60 a 260 lb) en compresión; frecuencia natural inferior de hasta 5 Hz en cizallamiento, 10 Hz en compresión; relación de rigidez entre cizalla miento y compresión de 0,13. Aplicaciones típica!l motores de combustión interna, radiadores, bombas, motores, generadores, compresores, instalaciones en que no se esperan cargas transitorias altas (impactos). Muy bueno para sistemas centrados.

29.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(n)

(m)

Tornillo de nivelación Válvula y tapa

(o)

FIGURA 29.3m Aislador elastomérico de uso general. Car8Cterística~ construcción anclada; rango de carga desde 27 hasta 113 kg (60 a 250 lb); frecuencia natural inferior a 7 Hz; relación entre la rigidez dinámica horizontal y vertical de 0,4. Aplicaciones t(picas: componentes electrónicos, motores, ventiladores, bombas, generadores portátiles, acondicionadores de aire, centrifugadoras, compresores, alimentadores vibratorios, maquinaria de trabajo de la madera y empaquetado; se utiliza sobre todo para aplicaciones estacionarias donde no se esperan cargas transitorias altas (impactos).

MURA 29.3n. Aislador elastomérico de compresión de uso general. Caracter(stica~ perfil bajo; disello compacto; construcción anclada; rango de carga desde 320 hasta 2000 kg (700 a 4400 lb); frecuencia natural inferior a 8 Hz; relación entre la rigidez dinámica horizontal y vertical de 0,4. Aplicaciones típica~ motores, ventiladores, compresores, bombas, generadores, maquinaria de trabajo de la madera y el metal, alimentadores vibratorios, instalaciones donde no se esperan cargas transitorias altas (impactos). FIGURA 29.30. Aislador elastomérico de maquinaria. CarBcter(stica~ perfil bajo, disello compacto; conexión con tornillo nivelador; no requiere una base especial ni aislar térmicamente la máquina de la base; rango de carga desde 4,5 hasta 5900 kg (10 a 13.000 lb); frecuencia natural inferior a 12 Hz. Aplicaciones típica~ prensas perforadoras, fresadoras y taladradoras, máquinas de moldeado de inyección, tornos, trituradores, cabezales fríos, perforadoras, taladros de criba, maquinaria de imprenta, instalaciones estacionarias. FIGURA 29.3p. Aislador elastomérico neumático de tipo general. Característica~ diseño compacto; nivelación automática; deflexión estática cero bajo carga; frecuencia natural casi constante para el rango de carga evaluado; rango de carga desde 11 hasta 8700 kg (25 a 19.200 lb); frecuencia natural inferior a 3 Hz; relación entre la rigidez dinámica radial y axial igual a 1. Aplicaciones típicas: centrifugadoras, alimentadores vibratorios, bombas, compresores, unidades de refrigeración, equipamiento de aire acondicionado, ventiladores, prensas taladradoras, cabinas de camión, equipamiento óptico de precisión.

29.13

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

~Elastómero

~

Plástico

Elastóme~o Plástico Plástico

..

,", '

,

..

(r)

(q)

cj], ¡. I

De~plazamiento

radIal

:-':

-.

"

(s)

RGURA 29.3q Aislador plástico en forma de placa, Caracterfsticas. coste bajo, perfil bajo; notable control dimensional; rango de carga desde 0,7 hasta 32 kg (1,6a 70 lb); frecuencia natural inferior a 18 Hz; temperatura de funcionamiento de -40 +50 oC (-40 +120 °F). Aplicaciones típicaS'. equipamiento de procesamiento de datos, ordenadores, impresoras, máquinas comerciales, electrónica e instru· mentación médica; puede utilizarse allf donde se empleen aisladores elastoméricos y donde la temo peratura alta no sea un problema. FIGURA 29.3r. Aislador plástico de situación libre. Caracterfsticas. coste bajo, diseño de perfil bajo; notable control dimensional; conexión para ensamblaje en robótica; rango de carga desde 0,27 hasta 2,7 kg (0,6 a 6 lb); frecuencia natural inferior a 20 Hz; caracterlsticas de deflexión de carga no lineales, excelente atenuación de impactos; rango de temperatura de -40 a +50 oC (-40 a + 120"F). Aplicacio· nes tfpicas. especlficamente diseñado para la industria de ordenadores y electrónica, puede utilizarse allí donde se empleen aisladores elastoméricos y donde la temperatura alta no sea un problema. FIGURA 29.3.. Aislador de malla metálica de tipo cuenco. Caracterfsticas. construcción a prueba de fallos; rango de carga desde 0,25 hasta 34 kg (0,55 a 75 lb); frecuencia natural inferior a 8 Hz; sensibi· lidad de amplitud amortiguación-transmisibilidada resonancia 4:1; relación entre rigidez dinámica ra· dial y axial de aproximadamente 0,3; rango amplio de temperatura de -90 a + 190 oC (-130 a +375 "F). Aplicaciones típicaS'. comunicación electrónica, equipamiento electromecánico que debe funcionar bajo condiciones ambientales extremas. FIGURA 29.3t. Aislador de malla metálica de tipo placa. característicaS'. diseño compacto; construc· ción a prueba de fallos; rango de carga desde 0,2 hasta 6 kg (0,5 a 13 lb); frecuencia natural inferior a 12 Hz; sensibilidad de amplitud amortiguación-transmisibilidad a resonancia 3,5:1; igual rigidez en las direcciones radial y axial; rango amplio de temperatura de -90 a + 190 oC (-130 a +375 "F). Aplicacio· nes típicaS'. comunicación electrónica, equipamiento electromecánico que debe funcionar bajo con· diciones ambientales extremas.

29.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~,

t~~

ca .-

~+~-.,

u

,

"O

Carga de cizalla miento

..'

..

-8!~ ca

CI ~

ca

.,

~ c.

E

u o

"

(v)

(u)

Amortiguador Muelle de soporte de carga Cuenco y placa

:b~as~e~l:!!~eir!~I.~~ (w)

FIGURA 29.3u Aislador de malla metálica. Características: diseño a prueba de fallos; alta capacidad de sobrecarga, puede soportar cargas de impacto de hasta 100 g; rango de carga desde 32 hasta 725 kg (70 a 1600 lb); frecuencia natural inferior a 14 Hz; rango amplio de temperatura de -90 a + 190 oC ( -130 a + 375°F). Aplicaciones típicas: motores móviles, generadores, bombas, compresores, aplicaciones pesadas en que aparecen fuertes cargas transitorias (impactos). FIGURA 29.3v. Aislador de cable. Características: construcción compacta, diseño a prueba de fallos; amortiguación de amplitud-sensibilidad; transmisibilidad a resonancia de aproximadamente 3: 1 a entradas dinámicas altas; rango de carga desde 0,5 hasta 2720 kg (1 a 6000 lb); frecuencia natural inferior a 8 Hz; rango amplio de temperatura de -73 a +260 oC (-100 a +500 °F); protección contra impactos en todas direcciones. Aplicaciones típicas: equipamiento electrónico y de comunicaciones, instrumentos, contenedores de embarque, fabricación de maquinaria, instalaciones en que se esperan cargas transitorias (impactos) y condiciones ambientales severas. AGURA 29.3w. Aislador amortiguador de aire de metal. Características: frecuencia natural inferior a 7 Hz; amortiguación de amplitud-sensibilidad; amortiguación alta a resonancia con transmisibilidad máxima de 3,5; buen aislador a frecuencias altas; rango de carga desde 0,14 hasta 16 kg (0,03 a 35,0 lb); relación entre la rigidez dinámica radial y axial de 0,3; rango amplio de temperatura de -54 a + 149 oC (-65 a +300 °F). Aplicaciones tipicas: equipamiento de óptica de precisión, procesamiento, ordenadores y comunicación.

29.15

1.· PARTE: AISLADORES DE VIBRACION

Elemento interno de aleación de aluminio anodizado Abrazadera de aleación de aluminio anodizado cadmio chapado en acero Amortiguador

Segmentos de

carga:1~][~~illi!~~~~(amortiguaCión

de cadmio chapado en acero Muelle de Placa inferior de aleación de aluminio anodizado

rozamiento de nylon Muelle de conexión por de acero inoxidable Muelle amortiguador de acero inoxidable

(x)

•

Tornillo de nivelación Ajuste del amortiguador

1:' I

Altura de

Tablero acústico de neopreno (y)

Tornillo de nivelación

(z)

Tablero de neopreno

FIGURA 29.3x Aisladores de muelle de metal con amortiguación por rozamiento. Característica!>. diseño compacto; amortiguación alta, transmisibilidad a resonancia tan baja como 2:1; rango de caro ga desde 0,1 hasta 18 kg (0.25 a 40 lb); frecuencia natural inferior a 10 Hz; rango de temperatura de funcionamiento de -65 a + 120 oC (-85 a +250 °F). Aplicaciones típica!>. equipamiento electrónico y de comunicación que debe funcionar en un ambiente severo de vibración de banda ancha, instalacio· nes en que no se esperan cargas transitorias altas (impactos). FIGURA 29.3y. Aislador de maquinaria de muelle de metal con amortiguación por rozamiento. Característica!>. amortiguación de fricción ajustable; rango de carga desde 45 hasta 6125 kg (100 a 13.500 lb); frecuencia natural inferior hasta 2,5 Hz; conexión a tornillo de nivelación. Aplicaciones r(pica!>. bombas, fuelles, compresores, generadores auxiliares de potencia, prensas perforadoras de alta velocidad, cortadoras de metal, martillos de caída, instalaciones estacionarias.

FIGURA 29.3z. Aislador de maquinaria de muelle de metal. Característica!>. coste bajO; rango de carga desde 8 hasta 5625 kg (10 a 12.400 lb); frecuencia natural inferior a 2,5 Hz; conexión a tornillo de nivelación. Aplícaciones típica!>. bombas, ventiladores, compresores, generadores auxiliares de potencia, instalaciones estacionarias que operan a o próximas a velocidad constante.

29.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Hay disponibles muchos tipos distintos de aisladores específicos para aplicación sobre maquinaria y equipamiento original (OEM). Cada tipo satisface un rango distinto de requisitos de cargas, tamaño, estabilidad, amortiguación y eficacia de aislamiento. Algunos de los tipos de aisladores más frecuentemente utilizados, ilustrados en las Figuras 29.3a a la z, se presentan junto con sus características de rendimiento (en términos de características y ventajas y aplicaciones típicas).

REFERENCIAS 1. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York,

1988. 2. R. Racca, «How to select isolators for long service life», Design News, enero 1982.

2.a PARTE: SELECCION y APLICACIONES DE LOS AISLADORES DE VIBRACION Harry L. Hain John J. Heintzel Charles J. Leingang

INTRODUCCION Los aisladores de vibración (también denominados montajes antivibración) se utilizan para controlar impactos y vibraciones. Esta parte del capítulo describe: (1) los factores que deben considerarse en la selección de los aisladores, (2) las especificaciones existentes para los aisladores de impacto y vibración, (3) las características de los aisladores utilizados en paralelo y en serie, (4) la selección del tipo y las características más apropiadas del aislador para una aplicación determinada y (5) la selección del tamaño correcto del aislador. Estos procedimientos de selección se aplican a los problemas técnicos habituales; se incluye además una orientación para la resolución de problemas más complejos. Por último, se presentan soluciones numéricas para varios problemas prácticos de aislamiento y un listado de instalaciones de aislamiento. Los objetivos básicos al utilizar un aislador son: (1) proteger la estructura de apoyo y sistemas adyacentes de las alteraciones de vibración e impacto que se originan en un equipamiento determinado y (2) proteger el equipamiento sensible de impactos y vibraciones que emanan de la estructura sobre la que está montado. Cuando estas alteraciones están presentes, los aisladores adecuadamente instalados permiten que el equipamiento y los sistemas funcionen como se pretende y pueden alargar la vida del equipamiento. El aislamiento del impacto y vibración también aporta un ambiente más cómodo para los usuarios del equipamiento, los ocupantes de edificios y los pasajeros de vehículos. Las ilustraciones de estas aplicaciones aparecen en la Referencia 1.

29.17

29.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FACTORES CONSIDERADOS EN LA SELECCION DEL AISLADOR La rigidez y la amortiguación son las propiedades básicas de un aislador que determinan su utilización en un sistema diseñado para aportar aislamiento de la vibración y/o impacto. Generalmente estas propiedades se encuentran en la bibliografía de los distribuidores de aisladores. Sin embargo, hay otros factores importantes que deben considerarse a la hora de seleccionar un aislador: 1. 2. 3. 4. S. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Fuente de la perturbación dinámica. Tipo de perturbación dinámica. Dirección de la perturbación dinámica. Respuesta permisible del sistema a la perturbación dinámica. Espacio y localizaciones disponibles para los aisladores. Peso y centro de gravedad del equipo soportado. Espacio disponible para el movimiento del equipamiento. Condiciones ambientales. Materiales de aislamiento disponibles. Vida de servicio deseada. Instalación contra roturas. Coste.

Fuente de la perturbación dinámica

La fuente de la perturbación dinámica (impacto o vibración) influye de varias maneras en la selección del aislador. Por ejemplo. puede tomarse una decisión respecto de si aislar la fuente perturbadora o aislar el elemento que se ve alterado. Esta decisión afecta al tipo de aislador que se debe utilizar. Consideremos el funcionamiento de una prensa perforadora pesada que tiene un efecto adverso sobre los instrumentos electrónicos próximos. El aislamiento de la prensa perforadora reduciría este efecto. pero requeriría aisladores muy grandes que habrían de ser resistentes a la grasa o el aceite. Por otra parte. el aislamiento de los instrumentos también aportaría la protección requerida. los aisladores precisos serían más pequeños y (dado que la grasa y el aceite no serían un factor a considerar) se podrían fabricar con el elastómero preferido. El conocimiento de la fuente de vibración puede ayudar a definir el problema que se desea resolver. En algunos campos determinados de la industria puede haber publicaciones describiendo problemas parecidos al que se está considerando. Este material publicado podría describir soluciones factibles. además de las características de fragilidad y/o dinámicas del equipamiento.

Tipo de perturbación dinámica

Hay dos tipos de perturbación dinámica: (1) vibración y (2) impacto. La vibración puede ser periódica. aleatoria o una combinación de ambas. La excitación por im-

2." PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.19

pacto puede tener pulsos de distintas formas y duraciones. Es muy importante el conocimiento de la perturbación dinámica en la elección del aislador. Si sólo hay presente una perturbación por vibración, generalmente es adecuado un aislador pequeño. Las amplitudes de la vibración suelen ser pequeñas en comparación con las amplitudes de impacto. Si una perturbación por impacto es el problema principal, es preciso un aislador mayor con más espacio interior para el movimiento. Al elegir un aislador, es necesario asegurarse de: (1) que hay suficiente capacidad de deflexión en el aislador como para acomodar los movimientos máximos esperados del conjunto dinámico; (2) que la capacidad de soporte de la carga del aislador no es superada (las cargas máximas debidas a la vibración y/o impacto deben calcularse y comprobarse con respecto a la capacidad de carga dinámica máxima estimada para el aislador), y (3) que no habrá problemas como resultado del calentamiento excesivo del aislador o deterioro por fatiga debido a una alta amplitud de carga a largo plazo.

Dirección de la perturbación dinámica

Un factor que debe considerarse en la selección de un aislador son las direcciones (ejes) de las perturbaciones dinámicas. Si la transmisión de la vibración o el impacto se produce en una sola dirección, generalmente puede seleccionarse un aislador simple. Sus características sólo han de especificarse a lo largo de un eje. Por otra parte, si se espera que el impacto o la vibración se produzcan a lo largo de más de un eje, el aislador seleccionado debe aportar aislamiento (y hay que especificar sus características) a lo largo de los ejes críticos. Por ejemplo, consideremos una máquina industrial que produce una vibración problemática en dirección vertical y que debe aislarse de su estructura de apoyo. En este caso, hay que utilizar un aislador normalizado de tipo placa (véase Figura 29.3k). Este aislador es más rígido en dirección horizontal que en la vertical, que es el eje de perturbación principal; la rigidez horizontal no afecta significativamente al movimiento del aislador en dirección vertical. Esta rigidez horizontal se añade a la estabilidad lateral de la instalación.

Respuesta permisible del sistema a la perturbación dinámica

Una respuesta permisible de un sistema se define como el máximo impacto o vibración transmitida permisible y los máximos desplazamientos debidos a estas alteraciones. La respuesta permisible de un sistema puede expresarse de cualquiera de las siguientes maneras: 1. La carga máxima de aceleración debida al impacto. 2. La frecuencia natural específica del sistema y la transmisibilidad máxima a esa frecuencia. 3. La aceleración, velocidad o desplazamiento máximos permisibles para un rango amplio de frecuencias.

29.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

4. Nivel de vibración permisible a cierta frecuencia o frecuencias críticas. 5. Desplazamiento máximo debido a la carga de impacto. La aceleración máxima que puede soportar un equipamiento sin que haya daños, o se produzca un funcionamiento defectuoso, a menudo se denomina fragilidad. Es necesario definir respuestas permisibles para seleccionar apropiadamente el aislador. Si no están disponibles los datos de fragilidad para el equipamiento o instalación de que se trata, habrá que usar ejemplos de situaciones parecidas como punto de partida. Las características de la estructura de apoyo también pueden afectar a la selección de los aisladores. Por ejemplo, una viga o placa que soporta un equipamiento tiene resonancias que podrían producir una amplificación de los niveles de vibración; hay que evitar estas frecuencias de resonancia en las frecuencias naturales del sistema aislado. Además, supongamos que el aislador se eligiera tan sólo por su capacidad de soportar carga, sin tener en cuenta la fragilidad del equipamiento en un rango de frecuencias determinado. Entonces, la frecuencia natural del sistema podría establecerse incorrectamente, de manera que la resonancia del equipamiento podría ser excitada por el sistema de aislamiento.

Espacio y localizaciones disponibles para los aisladores

El aislamiento del impacto y la vibración debe considerarse tan pronto como sea posible en el diseño del sistema y hay que hacer una estimación del tamaño del aislador basándose en la bibliografía sobre el tema. (Véase algunos ejemplos en «Selección del aislador».) El tamaño del aislador depende de la naturaleza y la magnitud de las perturbaciones dinámicas esperadas y de la carga soportada. La bihliografía típica describe las capacidades de los aisladores basándose en estos factores. La localización de los aisladores es muy importante para la dinámica del equipamiento que se monta sobre ellos. Por ejemplo. una instalación de centro de gravedad. como muestra la Figura 29.4, permite que el equipamiento montado sólo se mueva en modos de traslación rectos (una fuerza aplicada en el centro de gravedad no produce la rotación del equipamiento). Esto minimiza el movimiento de las esquinas del equipamiento y permite la instalación más eficaz desde el punto de vista de los requisitos de espacio. Si el aislador no puede colocarse para obtener una instalación de centro de gravedad, el análisis del sistema es más difícil y hay que disponer de más espacio alrededor del equipamiento para acomodar el movimiento de balanceo (modos rotacionales) del sistema. Por último. hay que comprobar los aisladores para asegurar que son capaces de soportar las cargas y movimientos adicionales originados por el movimiento no traslacional del equipamiento. Esto es particularmente cierto cuando el centro de gravedad está a una distancia significativa por encima o por debajo del plano sobre el que se colocan los aisladores. Regla general: la distancia entre el plano del aislador y el centro de gravedad ha de ser igualo inferior a un tercio del espacio mínimo entre aisladores. Esto ayuda a minimizar el balanceo del equipamiento y las altas tensiones resultantes sobre los aisladores.

2.· PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.21

Equidistante ~a

•

a-l

I

-+-,

.~

ér~ .-t j

~3 (e)

(a)

Equidistante

(b)

(d)

FIGURA 29.4. Ejemplos de centro de gravedad de instalaciones de aisladores de vibración. (a) Espaciamiento simétrico, donde a = la mitad de la distancia lateral entre los aisladores, y b = la mitad de la distancia longitudinal entre los aisladores (visión en planta); (b) apoyo en el centro de gravedad horizontal (elevación); (e) apoyo en el centro de gravedad diagonal (elevación); (di apoyo en el centro de gravedad vertical (elevación). (Lord Corporation.)

Peso y centro de gravedad del equipo soportado

Hay que determinar el peso y la situación del centro de gravedad del equipamiento soportado. La localización del centro de gravedad es necesaria para calcular la carga soportada por cada montaje. Es mejor mantener el equipamiento al menos estáticamente equilibrado (de flexiones esencialmente iguales sobre todos los aisladores). La solución preferida es utilizar los mismos aisladores en todos los puntos, eligiendo sus localizaciones de manera que se igualen las cargas estáticas (y por tanto las de flexiones). Si no es posible, serían precisos aisladores con distinta capacidad de carga en los distintos puntos de apoyo del equipamiento. El tamaño del equipamiento y la distribución de la masa son importantes en el análisis dinámico del sistema aislado.

29.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Espacio disponible para el movimiento del equipamiento

La elección del aislador puede depender del espacio disponible (habitualmente denominado espacio de oscilación) alrededor del equipamiento. Hay que elegir cuidadosamente la constante de muelle del aislador de manera que el movimiento se mantenga dentro de los límites de espacio definidos. El movimiento que ha de considerarse es la suma de: (1) la deflexión estática debida al peso soportado por el aislador, (2) la deflexión producida por las cargas dinámicas y (3) la deflexión debida a cualquier aceleración de estado estable (como en un avión que maniobra). Si hay un problema de movimiento excesivo de la masa soportada por el aislador, puede utilizarse un amortiguador (v.g., un aparato que limita el movimiento). El amortiguador puede ser un elemento elastomérico de compresión diseñado dentro de un aislador, como el área debajo del canal pequeño en la Figura 29.3m. También puede ser un tablero de compresión instalado por separado en el sistema en el punto de movimiento excesivo. La constante de muelle de este amortiguador ha de ser cuidadosamente elegida para evitar la transmisión de cargas de impacto alto al equipamiento soportado.

Condiciones ambientales

El ambiente en que va a utilizarse un aislador afecta a su selección de dos maneras: 1. Algunas condiciones ambientales pueden degradar la integridad física del aislador y hacerlo inservible.

2. Algunas condiciones ambientales pueden cambiar las características de funcionamiento de un aislador, sin producir un daño permanente. Esto puede alterar las características del sistema de aislamiento del equipamiento soportado; por ejemplo, las respuestas en frecuencia pueden cambiar significativamente al cambiar la temperatura ambiental. Así, es importante determinar el ambiente de funcionamiento del sistema de aislamiento y seleccionar los aisladores que funcionarán de acuerdo con las características deseadas en ese entorno.

Materiales de aislamiento disponibles

Hay disponibles aisladores de impacto y vibración en gran variedad de materiales y configuraciones, con el fin de adaptarse a muchas situaciones distintas. Se debe elegir el tipo de aislador para las condiciones dinámicas y de carga bajo las que ha de funcionar. El material de que está fabricado el aislador depende en gran medida de las condiciones ambientales de la instalación y, en cierto modo, de las propiedades dinámicas requeridas. La Parte 1. 8 de este capítulo incluye directrices para la elección de aisladores y sus materiales. Los aisladores de amortiguación por rozamiento de metal y de muelle de metal se utilizan fundamentalmente cuando las temperaturas de funcionamiento son demasiado altas para los aisladores elastoméricos. Pueden emplearse en una gran va-

2." PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.23

riedad de aplicaciones. Sin embargo, dadas las características de estos aisladores se pueden producir problemas en situaciones de carga alta y una variabilidad en el rendimiento, debida a la tolerancia del ensamblaje, por lo que su uso es desaconsejable en instalaciones con una sensibilidad muy alta. La mayoría de los aisladores utilizados hoy día son elastoméricos. El desarrollo de una amplia gama de compuestos elastoméricos ha hecho posible el uso de este tipo de aislador en casi todos los ambientes. Dentro de un tipo determinado de elastómero, es simplemente una cuestión de cambiar la rigidez (módulo) del compuesto; esto aporta mucha flexibilidad al adaptar un aislador a una instalación, sin modificar su geometría. El caucho natural es el elastómero más ampliamente utilizado en los aisladores. Dado que la selección del material para el aislador depende en gran manera del ambiente en que el montaje ha de utilizarse, es muy importante conocer tanto como sea posible acerca de los ambientes de funcionamiento y almacenaje.

Vida de servicio deseada

La vida de servicio esperada, o deseada, para un aislador puede afectar al tipo y al tamaño del aislador de vibración elegido. Por ejemplo, un aislador que deba funcionar durante 2000 horas en unas condiciones determinadas suele ser mayor que el que sólo ha de funcionar 500 horas bajo las mismas condiciones. En general, se utilizan datos empíricos para estimar la vida de funcionamiento de un aislador. Para realizar una estimación de la vida del aislador es necesario describir con precisión las alteraciones dinámicas y el ambiente de funcionamiento. El conocimiento del material específico y de los factores de diseño de un aislador es necesario para estimar la vida de fatiga. Esta información se debe obtener del fabricante o diseñador original del aislador.

Instalación contra roturas

Una instalación de aislador segura contra roturas es aquella que posee un conector positivo de metal a metal por si el muelle flexible del aislador falla. Así, en caso de rotura, el equipamiento se mantiene en posición hasta que pueda reemplazarse el aislador defectuoso. En algunos casos, el propio aislador contiene este elemento de seguridad; de no ser así, el elemento puede aportarlo el sistema de montaje.

ESPECIFICACIONES DE AISLADORES DE IMPACTO Y VIBRACIONES A menudo, los aisladores de impacto y vibración son demasiado específicos; esto puede producir complicaciones innecesarias y un aumento del coste. El exceso de especificación consiste en aumentar arbitrariamente los valores de carga de impacto y vibración para asegurarse de que se han elegido los aisladores con un margen alto de seguridad respecto a la capacidad de carga máxima. En el caso de aisladores de

29.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

vibración, esto puede producir grandes diferencias de rendimiento entre las pruebas de laboratorio y el funcionamiento real. La mejor especificación de un aislador es aquella que define las propiedades críticas del sistema de aislamiento y el ambiente concreto en que el sistema funcionará. Los requisitos extraños producen complicaciones innecesarias. Por ejemplo, si el nivel de vibración es una aceleración de ± 1 g, no es aconsejable especificar ± 2 g por seguridad. De la misma manera, no es aconsejable aplicar rígidamente una especificación completa a la instalación de un aislador cuando sólo es aplicable una pequeña parte de la especificación. Habitualmente, las especificaciones de diseño de los aisladores de impacto y vibración incluyen requisitos con respecto a: (1) amplitudes de vibración, (2) amplitudes de impacto, (3) carga a soportar, (4) protección requerida por el equipamiento, (5) temperaturas en el ambiente de funcionamiento (factores ambientales en general) y (6) cargas de aceleración estable sobre impuestas a la carga dinámica. Un buen ejemplo de tales especificaciones es el documento estadounidense MIL-STD-81O. Este documento aporta la mayoría de la información anterior para varias instalaciones de equipamiento posibles.

COMBINACIONES DE AISLADORES EN SERIE Y EN PARALELO Cuando se utilizan varios aisladores en un sistema, suelen combinarse en serie o en paralelo, o en alguna combinación de ambos.

Aisladores en paralelo

Lo más frecuente es organizar los aisladores en paralelo. La Figura 29.5 muestra esquemáticamente dos aisladores en paralelo. Aquí, la constante estática de muelle k del sistema, determinada en el centro de gravedad, viene dada por k =

donde k¡

=

(a a 2/k 2

+ bf + h 2/kk¡

(29.1)

constante de muelle del aislador 1

w

FIGURA 29.5. Diagrama esquemático de dos muelles en paralelo. Se suman las cargas de los muelles para obtener el peso total. Se asume que las placas carecen de masa.

2.' PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

k2

=

29.25

constante de muelle del aislador 2

a = distancia entre el aislador 1 y el centro de gravedad

b

=

distancia entre el aislador 2 y el centro de gravedad

Si la distancia de ambos aisladores al centro de gravedad es la misma (a = b) Y se utiliza el mismo aislador en ambos lugares (k l = k 2 ), de acuerdo con la Ecuación (29.1), k

= 2k 1•

El peso total W (actuando en el centro de gravedad) se divide entre los dos aisladores de la siguiente manera: b W1=W-a+b

(29.2)

a

W 2 =W-a +b

(29.3)

El peso total siempre es igual a W 1 + W 2• Si a = b, la carga estática sobre cada aislador es la mitad del total, de manera que (29.4) La de flexión estática de cada aislador SS( se obtiene dividiendo la carga estática sobre el aislador entre la constante de muelle particular (p. ej., para k¡, SS! = W1/k l ). De la misma manera, la de flexión estática del sistema (en el centro de gravedad) se encuentra dividiendo el peso total entre la constante de muelle del sistema.

(29.5) Cuando el espaciamiento de los aisladores es simétrico con respecto al centro de gravedad y se utiliza el mismo aislador en todos los puntos de apoyo, la deflexión estática es la misma en todos los aisladores. Los problemas de los Ejemplos 29.1 a 29.5, que se presentan más adelante, se basan en el uso de aisladores en paralelo. Aisladores en serie

Cuando dos aisladores se combinan en serie, como muestra la Figura 29.6, la constante de muelle del sistema viene dada por k

=

1

l/k I + l/k 2

kl

+ k2

(29.6)

Cada aislador en serie soporta el peso total, de manera que (29.7) La deflexión estática en cada aislador se halla dividiendo el peso total Wentre

29.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

w

FIGURA 29.6. Diagrama esquemático de dos muelles en serie. Las deflexiones de los muelles se usan para obtener la deflexión total, pero cada muelle soporta la carga total.

la constante de muelle particular; la de flexión del sistema se calcula mediante la Ecuación (29.5) y es la suma de las de flexiones de los aisladores individuales.

SELECCION DEL AISLADOR Los problemas simples de impacto y vibración que implican movimiento de traslación pueden clasificarse en dos categorías: 1. Excitación de fuerza: U na perturbación por impacto o vibración se origina en el equipamiento soportado. Los aisladores que sujetan el equipamiento reducen la fuerza de transmisión a la estructura de apoyo, protegiendo así a esta estructura o base. por ejemplo. al aislar el chasis de un vehículo de la vibración de un motor de combustión interna o al reducir la transmisión de la vibración de una máquina a las estructuras adyacentes. 2. Excitación de movimiento (velocidad): El impacto y la vibración se transmiten a través de la estructura de apoyo al equipamiento. lo cual hace que se mueva. El movimiento y la fuerza transmitidos se reducen montando el equipamiento sobre aisladores. por ejemplo, para proteger al equipamiento de suelos vihratorios o para proteger edificios y sus contenidos de alteraciones sísmicas (del suelo).

Los siguientes ejemplos presentan instalaciones específicas correspondientes a cada una de las categorías anteriores. En ellos se muestran cómo hay que seleccionar los aisladores para algunos prohlemas simples de impacto y vibración. pero los pasos seguidos son sencillos y pueden extenderse a otras muchas situaciones. De una manera simplificada. se hacen los siguientes supuestos en la solución de estos problemas: 1. El efecto de la amortiguación es insignificante. un supuesto válido para muchas instalaciones de aisladores. 2. Todas los modos de vibración están desacoplados (véase Figura 29.4). 3. Las constantes de muelle estáticas y dinámicas de los aisladores son iguales. lo que es válido para elastómeros de módulo bajo con poca amortiguación.

2.· PARTE: SElECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.27

La Tabla 29.1 incluye varias ecuaciones básicas utilizadas en la selección de aisladores2.

Ejemplo 29.1. Aislamiento de la fuerza vibratoria

Problema. Un conjunto de motor eléctrico y bomba, montado rígidamente sobre una base común, transmite vibración a otros componentes del sistema hidráulico. El peso del conjunto y la base es 63 kg (140 lb). En las esquinas de la base rectangular están colocados cuatro aisladores. El centro de gravedad está localizado en el centro del plano horizontal más cercano a la base. La frecuencia vibratoria más baja de la excitación es 1800 rpm y es el resultado de un desequilibrio rotacional. También hay frecuencias superiores debido a fuerzas magnéticas y fuerzas de la bomba. La excitación se produce tanto en dirección horizontal como vertical. Objetivo. Reducir la vibración transmitida a la estructura de apoyo y otros componentes del sistema. Por lo general, es posible obtener una eficacia de aislamiento de la vibración del 70 al 90 por lOO; aquí se elige el valor del 80 por lOO. Solución 1. Se halla en primer lugar la transmisibilidad T que corresponde al aislamiento de vibración requerido J del 80 por lOO (J = 0,8) a partir de J + T= 1

Luego, T

=

(29.8)

0,2.

2. Se determina entonces el valor más bajo de la frecuencia de excitación en herzios (ciclos por segundo) dividiendo 1800 rpm entre 60 segundos/m in, obteniéndose un valor de I = 30 Hz. Se utiliza la frecuencia inferior de excitación ya que es la peor condición posible. Si se logra un aislamiento alto a esta frecuencia, el aislamiento será incluso mejor a frecuencias superiores. 3. A continuación, se halla la frecuencia natural In que necesita el sistema aislado para aportar una transmisibilidad T para una frecuencia de excitación de 1Hz. La siguiente ecuación asume una amortiguación cero: (29.9)

Utilizando T

=

0,2 Y1= 30 Hz, se obtiene In

=

12,2 Hz.

.

k•

......

lIlpIn

.

.

k

..........

lIlpIn

..

.

-0-

lO

,,....

ndIadóo "........

,.

-

"........

Rdodóe ....

.

.

.

i

I.. _oporll

'-¡."

~ criIIco,t

-.

.

m.'I(

T( ... Ecadóo

T_

Ecuaciones para el aislamiento de la vibración

._-

.

.

pesoW

c.palÍda,

. .

(.......I.f.

F...........

~

T....

Fr

~

J[1 -

W k"

mg

I

= 2t para valores pequeños de i

- =- [Véase Ec. (27.4b)) I~/JW m m W

2.,..

,. ~ -

r.)' [Wase Ec. (27.8)J

- [Wase Ec. (27.5)J k.,

Fjk

~

(jlt.)')' + (2Ul

~

TFo [Véase Ec. (27.9))

Ixl

8.

U_ _ _ ,... .............

• La rigidez dinámica de los e1astómerOl. empleando caucho natural como ejemplo. varía desde aproximadamente 1.1 veces el valor estático (para material blando) hasta aproximadamente 3 veces el valor estático (para material de rango medio). La relación entre la rigidez estática y la din4mica depende del tipo de elastómero. el módulo. la frecuencia. el nivel de tensión dinámica y la temperatura ambiental. El fabricante del aislador puede ap
Transmisibilidad a rC!K)nancia para aisladores viscosos amortiguados

Frecuencia nacural,!..

Fuerza transmitida, F T

Desplazamiento dinámico Ixl

Deflexlón estática 6,

Si

.. ......

-. ..

So

TABLA 29.1.

N

CD

> > (') e

Z -i

O

e 6

:u

,... e m ,... O

:u

O

(')

CIl

~ -<

:::!

CIl

CIl

e

º

m

s::

m

e

s::

> z e > ,...

N Q)

2." PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.29

4. Ahora se determina la deflexión estática, 5Sh precisa para una frecuencia natural!n:

f,=~ fg 2'IT -\j B: n

(29.10)

Se obtiene un valor de 5s1 = 1,67 mm (0,066 in) para!n = 12,2 Hz. Los mismos resultados pueden obtenerse utilizando el gráfico de eficacia del aislamiento de la Figura 29.7. Para utilizar este ábaco, se halla el punto en que la línea horizontal para! = 30 Hz corta la línea diagonal del 80 por 100 de aislamiento (reducción en vibración). A partir del punto de intersección, se proyecta una línea vertical para leer los valores de 5s1 = 1,67 mm (0,066 in) y!n = 12,2 Hz. 5. Se calcula entonces la constante de muelle total k requerida para obtener una frecuencia natural!n a partir de la Ecuación (27.4b):

f,

n

obteniéndose un valor de k

=

=~ {ki 2'IT

-\j W

(29.l1 )

371,3 newtons/mm (2120 lb/in).

6. A continuación, se determina la constante de muelle de cada uno de los n aisladores (actuando en paralelo) que se utilizan para soportar la masa m, a partir de k k¡ = -

n

(29.l2)

Aquí hay un aislador en cada esquina, de manera que n = 4, dando lugar a un valor de k¡ = 92,8 newtons/mm (530 lb/in). 7. Ahora se calcula el peso estático (carga sobre cada aislador). Dado que el centro de gravedad de la masa soportada está localizado en el centro del plano horizontal, el peso se divide por igual entre todos los aisladores. El peso soportado por cada uno se determina a partir de:

w w=n I

(29.13)

donde W = 63 kg (140 lb) y n = 4, de manera que W¡ = 15,8 kg (35 lb). 8. Se elige un aislador que posea una constante de muelle de 92,8 newtons/mm (530 lb/in) y una capacidad de soporte de peso estático de al menos 15,8 kg (35 Ih). Se intenta elegir un aislador que esté disponible en almacén; se utiliza un catálogo publicado por un fabricante o distribuidor de aisladores. En este caso, se recomienda un aislador normalizado en forma de plato con enganches, ya que es fácil de conseguir, relativamente barato y fácil de instalar. La rigidez en la dirección horizontal es algo mayor, pero aun así se conseguirá un aislamiento adecuado. La Figura 29.3k

35

25 20

~.!!!

0,15 0,20,25

r-.....:~ -.::::::::: f:::::J ______ r--.. ______

~

t-...

t---..

~

1

1,5 2

3

5

7,5 10

15

20

.!!

~!

SO, o~

>$

80 .:J!

8$

0.001 - 0 , . . 50

30

t--..

J:j t-m--¡

......I·..

~..:L1 :t::t:!!....",,../

"S{.e,,~. l"'":i

j:..¡.,...¡

lfH:illt+t

~

:b".

t--..l

~~ o"l

1""

Región de aislamiento

22

10 9 Frecuencia natural f n Hz

12

8

7

1 1 6

5

1 4

0,02 0,03 0,04 10,06 10,080,100,15 0,20 1°,300,40 0,6010,80

40 35

r-t---

14

r--

:b

b...:m;¡¡ t--..

1 Deflexión estática o..' in 1

......

t-...

f'"i..<

'''''.

_

r--..

".,,_. e

Ii~

,+ l~11 JJ¡ .,,,

Reglón de magnlficaclón

I I I I 1 1 11

I

.1

111111t'---.

... l"f

t--

""'r-........

lr/-r!

98.'1

% !f

l'-

FIGURA 29.7. Gráfico de eficacia del aislamiento. El aislamiento de la vibración sólo se produce cuando la relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia natural es mayor que 21/2. Se entra al gráfico por la frecuencia de excitación. Se proyecta una línea horizontal hasta la curva de reducción de la vibración deseada. A partir de esta intersección, se proyecta una línea vertical hasta encontrar la deflexión estática requerida en el sistema de aislamiento. (Lord Corporation.)

2

3

8 5 4

1.0$,f

1

::l

u..

~

~ á~.

l.;

., ~ ~10

0,5

Deflexión estática 0st' mm

~,,"' ~ .] t:>..., 5ii§§g ;l~ ~ ~~~ ~$ ¡

-....:

~~r--....~

~ :::=:::---..r--..r-.... ~ ~

~

g 15

~

'E

~

0,1

E§E=tLlIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

:í:""'" - 70 -.:::::""" c' F::::::: ~I-..... '°50

150 125 100

500 2 50

0,05

g

e

:o

rO m r-

O

:o

O Z -t

(')

en -<

~

-t

en

e

f;

~ en

O

m

o :s:: m

r-

lo

e

Z

:s::

lo

O

W

N CD

2." PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.31

muestra un aislador de este tipo. Hay que instalarlo de manera que el eje del tornillo central esté en la vertical. Se utiliza una arandela de amortiguación de acero en cada extremo del tubo central: (1) para conseguir un aislador a prueba de fallos y (2) para limitar la deflexión vertical producida por la sobrecarga de impacto.

Ejemplo 29.2. Aislamiento del movimiento vibratorio

Problema. Un aparato electrónico que pesa 10,8 kg (24 lb) se monta sobre una máquina. La máquina vibra con una amplitud de desplazamiento de 0,51 a 0,76 mm (0,02 a 0,03 in) en las direcciones vertical y horizontal, en un rango de frecuencia entre 20 y 40 Hz. Hay que montar este aparato sobre cuatro aisladores (uno en cada esquina de la base). El centro de gravedad del sistema aislado está localizado en el centro del plano horizontal. Objetivo. Aislar al aparato electrónico del movimiento de la máquina mediante el apoyo del aparato sobre aisladores. Se requiere un aislamiento de la vibración del 85 por 100. Solución. Aunque este sistema es excitado por el movimiento, los pasos necesarios para lograr un aislamiento de la vibración son los mismos que en el caso de excitación mediante fuerza del Ejemplo 29.1. Aquí se emplean las mismas ecuaciones. 1. Se halla primeramente la transmisibilidad T correspondiente al 85 por 100 de aislamiento a partir de la Ecuación (29.8). Para 1 = 85, la ecuación da lugar a

T = 0,15. 2. Se determina la frecuencia natural!n que se necesita para obtener una transmisibilidad de T = 0,15, a partir de la Ecuación (29.9). El valor de la frecuencia de excitación debe ser! = 20 Hz, ya que ésta es la peor condición esperada (la transmisibilidad más alta). Para T = 0,15 y! = 20 Hz, de la Ecuación (29.9) se obtiene !n = 7,2 Hz. 3. Ahora se determina la deflexión estática, 8." precisa para una frecuencia natural!n = 7,2 Hz, a partir de la Ecuación (29.10). Esto da un valor de 8fl = 4,8 mm (0,19 in).

4. A continuación, se halla la constante de muelle total k requerida para la frecuencia natural!n de 7,2 Hz. Esta puede calcularse mediante la Ecuación 29.11 o a partir de W

k=8'1

(29.14)

Para W = 10,8 kg (24 lb) y 8'1 = 4,8 mm (0,19 in), k = 22,1 newtons/mm (126 lb/in). 5. Se determina la constante de muelle k¡ para cada uno de los cuatro aisladores (actuando en paralelo), a partir de la Ecuación (29.12). Dado que el centro de gravedad está localizado centralmente con respecto a los aisladores, k¡ = k/4 o aproximadamente 5,6 newtons/mm (32 lb/in). 6. Se elige en un catálogo un aislador que posea una constante de muelle de 5,6

29.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

newtons/mm (32Ib/in). Hay que buscar uno que pueda soportar una carga estática de al menos 2,7 kg (6 lb). Aquí, por las razones expuestas en el Ejemplo 29.1, un aislador en forma de plato es la elección adecuada. No obstante, en este caso, se elige un aislador de baja frecuencia, parecido a la Figura 29.3k, pero que posea un contorno especial elastomérico para conseguir una constante de muelle más baja.

Ejemplo 29.3. Protección contra impactos

Problema. Hay que aislar una máquina comercial de manera que no sufra daños durante un traslado normal. La unidad puede soportar un valor de 25 g de impacto sin sufrir daños. El peso suspendido de 56,2 kg (125 lb) ha de ser distribuido por igual sobre cuatro aisladores. Las perturbaciones esperadas son las habituales en el manejo del transporte. sin que se permita un daño superior a una caída plana sobre la base desde una altura de 762 mm (30 in). Las perturbaciones vibratorias máximas suelen estar en un rango de 2 a 7 Hz. Objetivo. Limitar la aceleración sobre la máquina a 25 g, utilizando la caída de 762 mm (30 in) como simulación de las peores condiciones posibles esperadas. Se desea una frecuencia natural entre 7 y 10 Hz para evitar el rango de frecuencias de vibración máximas y seguir aportando una buena protección contra el impacto. Solución 1. Primero, se determina la de flexión dinámica Od (desplazamiento) de la máquina precisa para limitar la aceleración a XF (expresada en gs), cuando el objeto cae desde una altura h, utilizando

osd -_ 2h ..

(29.15)

XF

donde XF = factor de fragilidad [máximo valor permisible de ng en la Ecuación (30.57) de la Referencia 1J. Aquí. XF = 25 Yh = 762 mm (30 in), así, Od = 61 mm (2,4 in). 2. Se determina entonces la frecuencia natural dinámica precisa para dar como resultado una de flexión dinámica Dd, a partir de una variación de la Ecuación (27.4b):

(29.16) Utilizando.tF = 25 Y W = 56,2 kg (125 lb), se obtienefn jetivo de rango para la frecuencia natural.

=

10 Hz, dentro del ob-

2.' PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.33

3. Se calcula la constante de muelle dinámica k del sistema necesaria para lograr una deflexión dinámica Bd , a partir de fuerza k=--deflexión

f?9.l7)

obteniéndose una k = 228 newtons/mm (1302 lb/in) para el sistellhl. 4. A continuación, se determina la constante de muelle estática del sistema. Aquí se asume el uso de caucho natural; luego la constante estática de muelle k" es aproximadamente igual a la constante dinámica de muelle k, 228 N/mm (1302 lb/in). 5. Se calcula la constante estática de muelle k¡ de los n aisladores (actuando en paralelo), a partir de la Ecuación (29.12). k¡

k n

=-

Aquí, n = 4, obteniéndose un valor de k¡ "'" 56,9 newtons/mm (325 lb/in). 6. Dado que el peso total se distribuye por igual entre los aisladores, la carga estática de cada uno de ellos se calcula a partir de la Ecuación (29.13).

w w=n I

Esto da un valor de W¡ "'" 14 kg (31 lb). 7. Los aisladores de tipo sandwich suelen emplearse para proteger los objetos frágiles durante su traslado. El montaje típico consiste en dos superficies planas, con sujeciones enroscadas, ancladas a ambos lados de un tablero elastomérico. Hay que determinar el grosor mínimo del elastómero (entre las placas) necesario para mantener la tensión dinámica dentro de un nivel aceptable. Para el caucho natural se emplea la siguiente regla empírica: (29.lH)

Para Bd = 61 mm (2,4 in), el grosor mínimo del elastómero, tmin = 40,6 mm (l ,6 in). 8. Ahora se elige un aislador tipo sandwich para esta aplicación. Un ejemplo se muestra en la Figura 29.3/. La configuración en sandwich permite suficiente deflexión en dos direcciones (cizallamiento) como para absorber fuertes cargas de impacto. El coste de instalación es bajo. Los aisladores tipo sandwich están disponibles en una amplia variedad de tamaños, constantes de muelle y elastómeros. Se elige, en un catálogo, uno que posea la capacidad para soportar una carga estática en cizallamiento de 14 kg (31 lb), que tenga un elastómero con un grosor mínimo de 40,6 mm (1,6 in) y una constante de muelle en cizallamiento de 56,9 newtons/mm (325 lb/in). 9. Al diseñar o elegir el contenedor, hay que considerar algunos criterios. Los cuatro aisladores deben colocarse equidistantes del centro de gravedad en el plano horizontal, orientados para actuar en cizallamiento en las direcciones vertical y lon-

29.34

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

gitudinal. Los aisladores han de estar conectados por un extremo a lajaula que contiene la máquina, y por el otro, al contenedor de embarque. Tiene que haber suficiente espacio entre la unidad montada y el contenedor como para impedir el contacto de la base en caso de impacto. Una norma adecuada es permitir un espacio igual a 1,4 Sd. En este ejemplo, el espacio de movimiento es como mínimo 86,4 mm (3,4 in).

Ejemplo 29.4. Aislamiento combinado contra la sacudida y la vibración Problema. Un compresor de aire portátil, activado mediante motor, con un peso total de 1126 kg (2500 lb), hace ruido al funcionar. Es preciso un sistema de aislamiento para aislar las perturbaciones del motor y proteger la unidad de la excitación por impacto en carretera. El motor y el compresor están montados sobre una base común que está soportada por cuatro aisladores. El peso no está distribuido por igual. En el extremo del motor, la carga estática es de 338 kg (750 lb) por aislador: en el extremo del compresor, la carga estática es 225 kg (500 lb) por aislador. La frecuencia más baja de la perturbación se da a la velocidad del motor. La velocidad en vacío es 1400 rpm y la velocidad de funcionamiento es 1800 rpm. Se espera que la unidad esté sometida a cargas de impacto, debido a la torsión del marco del vehículo cuando se transporta por carreteras duras. Objetivo. Controlar la fuerza de excitación de la vibración y aportar un aislamiento secundario contra el impacto. Hay que lograr un término medio; el sistema de aislamiento ha de tener una rigidez suficientemente baja como para aislar la alteración en vacío del motor, pero lo suficientemente alta como para limitar el movimiento de impacto. Por lo general resulta adecuado un sistema con una frecuencia natural entre 12 y 20 Hz en la dirección vertical. (Nota: Los neumáticos y la suspensión básica del vehículo aportarán la protección fundamental contra los impactos.) Solución 1. En primer lugar se asume que la frecuencia natural del sistema en dirección vertical es 12 Hz. 2. A continuación, se convierten las velocidades del motor en herzios (ciclos por segundo) para utilizarlas en los cálculos. Se dividen los valores rpm entre 60 segundos/mino obteniendo las frecuencias de las fuerzas t de 23,3 Hz a velocidad en vacío y 30 Hz a velocidad de funcionamiento. 3. Luego se calcula la transmisibilidad Tparatn = 12 Hz. a partir de la Ecuación (29.9). A velocidad en vacío. utilizando = 23,3 Hz, se obtiene T = 0,36 (36 por 100). A velocidad de funcionamiento. utilizando t = 30 Hz, se obtiene T = 0,19 (19 por 100). Utilizando la Ecuación (29.8) se obtiene un aislamiento de la vibración T de 0,64 (64 por 100) a velocidad en vacío y 0.81 (81 por 100) en funcionamiento normal. Para ambas condiciones, el rendimiento con una frecuencia natural de 12 Hz es satisfactorio. 4. Ahora se determina la deflexión estática precisa Ssr para obtener una fre-

t

2.' PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

29.35

cuencia naturalf", a partir de la Ecuación (29.10). Paraf" = 12 Hz, esto da 8.,1 = 1,73 mm (0,068 in). 5. Se selecciona un aislador anclado en el centro (atornillado en el centro) para ambos extremos de la unidad. Este tipo (Figura 29.3h) es sencillo y fuerte y aporta protección contra las cargas de impacto que se esperan en este caso. Debe instalarse de manera que el eje del tornillo esté vertical y el peso estático descanse sobre la parte ancha del disco. Una vez instalado, este aislador aporta amortiguamiento contra cargas de impacto hacia arriba (rebote), así como contra cargas hacia abajo. El sistema de aislamiento es a prueba de fallos y no es caro. Cada uno de los dos aisladores en el extremo del motor ha de tener una capacidad de carga estática de al menos 338 kg (750 lb). Cada uno de los dos aisladores en el extremo del compresor ha de ser capaz de soportar al menos 225 kg (500 lb) de carga estática. Para todos los aisladores, la deflexión estática ha de ser próxima a 1,73 mm (0,068 in) para obtener la frecuencia natural deseada de 12 Hz. Ejemplo 29.5. Control del ruido

Problema. Una unidad de impresora de impacto mecánico en una consola de entrada-salida es una fuente de ruido transmitido por la estructura en un rango de frecuencias de 50 a 1000 Hz. El ruido se genera por las fuerzas de impacto del proceso de impresión. La unidad pesa 90 kg (200 lb). La base de la unidad está diseñada para acomodar cuatro aisladores en el plano horizontal. El centro de gravedad está localizado centralmente, cerca de la base. Objetivo. Se desea el mejor sistema de aislamiento posible para una reducción máxima del ruido, dependiendo del espacio disponible para los aisladores y el movimiento del equipo. Se pretende conseguir un aislamiento mínimo del 98 por 100 (a la frecuencia de excitación más baja). Solución 1. Se determina la deflexión estática del sistema necesaria para lograr un aislamiento de la vibración del 98 por 100 (J = 0.98) a una frecuencia f = 50 Hz. El gráfico de eficacia del aislamiento, Figura 29.7. muestra que es precisa la de flexión estática 8s1 de 5,1 mm (0,2 in). Dado que los cuatro aisladores actúan en paralelo. la deflexión estática de cada aislador es la misma que la del sistema. 2. Se calcula entonces la carga estática sobre cada aislador. a partir de la Ecuación (29.13). Para W = 90 kg (200 lb) Yn = 4, W¡ = 22,5 kg (50 lb). 3. Ahora se elige un aislador capaz de soportar una carga estática mínima de 22,5 kg (50 lb), con una deflexión estática mínima de 5.1 mm (0.2 in). Para ajustarse al espacio disponible, se puede probar con un aislador pequeño de tipo canal (Figura 29.3m). Este tipo de aislador tiene una elevada capacidad de carga y una constante de muelle vertical baja (en cizallamiento). También es fácil de instalar e incluye una protección contra el contacto de metal a metal bajo la carga de impacto. 4. Un catálogo de fabricante muestra un aislador con una carga estimada de 22,5 kg (50 lb) Y una deflexión estática de 6,3 mm (0,25 in) para esa carga.

29.36

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

5. Se determina la frecuencia natural a partir de la Ecuación (29.10) para el aislador que muestra el catálogo. Para 8" = 6,3 mm (0,25 in), se obtiene In = 6,3 Hz. 6. Se calcula entonces la transmisibilidad, a partir de la Ecuación (29.9). Para 1= 50 Hz y In = 6,3 Hz, la T resultante es 0,016 (1,6 por lOO). Utilizando este valor de T en la Ecuación (29.8) se obtiene un aislamiento por encima del 98 por lOO, lo cual supera el objetivo de rendimiento.

COMPROBACION DE LA INSTALACION DE AISLAMIENTO Generalmente, son dos las causas básicas del rendimiento insatisfactorio de un sistema de aislamiento: (1) se ha seleccionado el aislador inadecuadamente o no se ha tenido en cuenta algún parámetro importante del sistema y (2) el aislador no ha sido instalado correctamente. Los siguientes criterios pueden ayudar a evitar problemas que. en caso contrario, producirían un mal rendimiento. 1. No se debe sobrecargar el aislador.

Si se ha empleado un muelle en espiral, las espirales adyacentes no deben entrar en contacto, ni estar muy próximas. Ha de existir un espacio adecuado entre espirales para carga estática normal, sin posibilidad de tocar la base bajo carga máxima. b) Si se ha utilizado un aislador elastomérico de tipo compresión, no debe haber evidencia de deformación excesiva. Como directriz, la tensión de compresión (relación entre la de flexión y el grosor original del caucho) con carga estática no debe superar un valor de 0,15. La sobrecarga puede acortar la vida del aislador y afectar a su rendimiento. Dado que un elemento elastomérico cargado en compresión posee una constante de muelle no lineal. la sobrecarga provoca que la constante dinámica efectiva de muelle sea más alta de lo deseado. Esto eleva la frecuencia natural del sistema y reduce la eficacia del aislamiento. e) Si se utiliza un aislador elastomérico de tipo cizallamiento. la relación de tensión estática de corte no debe superar un valor de 0,30. La unidad suspendida no debe tocar el suelo bajo condiciones de impacto. De ser así. es necesario más espacio o más amortiguadores de compresión. con el fin de reducir la carga máxima de impacto sobre la unidad. a)

2. Los aisladores y el equipamiento aislado han de poder moverse libremente bajo excitación de impacto y vibración. Ninguna parte del sistema de aislamiento ha de estar anulada por una conexión directa en lugar de tener un apoyo flexible. b) Hay que instalar conductos flexibles. donde sea preciso, en máquinas vibratorias. Los conductos y tuberías no deben anular o limitar el funcionamiento del sistema de aislamiento. e) El equipamiento vibratorio no debe entrar en contacto con el equipamiento adyacente o con los elementos estructurales. Hay que dejar espacio para evitar el contacto. a)

2." PARTE: SELECCION DE LOS AISLADORES DE VIBRACION

d)

e)

/) g) h)

29.37

No debe haber contactos de metal a metal entre los componentes móviles desconectados dentro del aislador. El uso de un elemento elastomérico puede resultar beneficioso en este caso, si no se puede dejar el espacio adecuado. Si se ha instalado un tablero elastomérico debajo de la máquina, el tablero flexible no debe anularse al atornillar fuertemente la máquina a su base. Este problema puede remediarse diseñando una conexión flexible en los puntos de conexión. Si se utilizan varillas para limitar el desplazamiento, las tuercas de freno han de aflojarse para permitir que el muelle funcione como se desea. Si el aislador tiene un tornillo de ajuste, éste no debe tocar ningún objeto sólido que impida que el aislador se mueva libremente. En una zona de construcción, hay que retirar todos los desechos, como escombros de hormigón o piezas de madera, de debajo de los marcos de acero o bloques de inercia que soportan el equipamiento de vibración. Estas obstrucciones pueden dañar seriamente al sistema de aislamiento.

3. Los aisladores deben estar colocados adecuadamente. Hay que seguir exactamente la especificación con respecto a la orientación de los aisladores.

a) La carga sobre el aislador debe estar a lo largo del eje designado para soportarla. No se debe distorsionar el aislador. Salvo que posea una capacidad de desalineación de origen, la falta de alineación puede afectar al rendimiento y acortar la vida del aislador. b) No hay que instalar el aislador al revés si el diseño hace que esto sea importante. Una abrazadera de tubería es un ejemplo; algunos de estos ensamblajes están diseñados para ser instalados con un extremo determinado hacia arriba. Si este tipo de abrazadera se instala al revés, su rendimiento puede verse afectado. 4. Si se utiliza un montaje elastomérico, hay que dejar espacio para que ningún objeto sólido corte el elastómero. No debe existir separación del nexo entre las partes de elastómero y de metal en el aislador. Los cortes y desgarros en la superficie del elastómero pueden propagarse durante el funcionamiento y destruir el elemento muelle. Si hay superficies ligadas en el aislador, una separación en el nexo también produciría problemas; el crecimiento de la separación puede afectar al rendimiento del aislador y, en último término, producir el fallo. 5. La de flexión estática de todos los aisladores debe ser aproximadamente igual. No debe existir una distribución inadecuada del peso. La inclinación excesiva del equipamiento montado puede afectar a su rendimiento. Por razones económicas y sencillez de instalación, es deseable utilizar el mismo aislador en todos los puntos del sistema. En este caso, no suele haber problemas si los distintos aisladores poseen deflexiones estáticas ligeramente distintas. Sin embargo, si uno o varios aisladores exhiben una de flexión excesiva (véase número 1 anterior), serán precisas medidas correctoras. Si el espaciamiento entre los aisladores se ha determinado inadecuadamente, puede bastar una corrección de las distancias para igualar la carga. Si esto no puede llevarse a cabo, puede usarse un aislador que tenga una constante

29.38

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de muelle más alta en los puntos que soportan la carga estática más alta. Con ello, la de flexión tenderá a igualarse. REFERENCIAS 1. C. M. Harris(Ed.), Shock and vibration handbook, 3.· ed., McGraw-Hill, Nueva York,

1988. 2. Designer's guide, publicación n.o PB-8000c, Lord Corporation, Erie, Pa., 1986, p. 8.

Capítulo

30

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO Ron Moulder

INTRODUCCION Cuando las ondas sonoras chocan contra la superficie de un material, una parte de la energía incidente es absorbida mediante conversión a calor. Todos los materiales absorben el sonido en cierta medida; los materiales acústicos son aquellos cuya función primaria es absorber el sonido. Por tanto, absorben una gran parte de la energía acústica que incide sobre ellos. Este capítulo describe las propiedades generales de los materiales absorbentes del sonido; cómo se evalúan los materiales absorbentes; varios tipos de materiales absorbentes y sus propiedades; cómo seleccionar y especificar los materiales acústicos, y las propiedades acústicas de algunos materiales y elementos corrientes, como cortinas y alfombras.

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO El elemento que origina la disipación de la energía sonora en la mayoría de los materiales acústicos es una capa de material muy poroso [al menos 1,27 cm (1/2 in) de grosor] en la que los poros están intercomunicados. Los poros pueden estar formados por mineral cubierto de fieltro o fibra de vidrio, por los intersticios existentes entre gránulos pequeños o por una composición de espuma en que las burbujas solidificadas se interconectan a lo largo de todo el material. Cuando una onda sonora penetra en un material poroso, la amplitud de vibración de las moléculas de aire es amortiguada progresivamente por la fricción contra las superficies de las fibras o las partículas que forman la estructura porosa. Esta fricción actúa como una resistencia

30.1

30.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

acústica cuyo valor depende de la resistencia del material al flujo de aire directo; esta fricción depende sólo ligeramente de la frecuencia". Otro factor que afecta a la absorción del sonido, principalmente en el rango de frecuencias bajas, es la profundidad del espacio entre el frente del material y una superficie rígida de apoyo detrás de él. El volumen de aire entre estas dos superficies incluye tanto el aire de los poros del material como cualquier cámara de aire entre el material y su apoyo. Esta última puede variar desde cero, cuando el material se apoya directamente a un soporte rígido, hasta 1 m (3 ft) o más, en el caso de los techos acústicos colgados. Cuando la profundidad total es menor que aproximadamente un cuarto de longitud de onda, el coeficiente de absorción de baja frecuencia del material decrece al decrecer la frecuencia"". Algunos materiales acústicos están cubiertos por un panel frontal, como un tablero perforado, una malla metálica, una placa de metal perforada o por una membrana flexible impenetrable por el aire. Estos paneles frontales tienen una transparencia acústica decreciente al aumentar la frecuencia. Si 4000 Hz es la frecuencia más alta para la que se precisa una absorción eficaz del sonido, la superficie perforada debe tener un área abierta de no menos del 10 por 100; la membrana impenetrable que cubre el material poroso acústico debe tener una masa no superior a unos 0,01 glcm 2 (0,33 ozlft 2 ). Por tanto, los materiales acústicos en general muestran una curva de absorción en función de la frecuencia con aspecto puntiagudo, cuya forma en las frecuencias bajas está determinada en gran medida por la profundidad de la cámara de aire; en el rango de frecuencias de máxima absorción, por la resistencia al flujo, y en las frecuencias altas, por la cantidad de orificios de la superficie.

• La resistencia al flujo se define como la relación entre la caída de presión a través de una muestra del material y la velocidad del aire que pasa a través de él: se expresa en ohmios acústicos (pascal-segundos/cm'). En general. la resistencia al flujo ha de estar dentro de ciertos límites para que la absorción tenga su valor máximo. Si es demasiado alta. las ondas sonoras no pueden entrar fácilmente en el material: si es demasiado baja. no se encuentra suficiente fricción como para disipar energía sonora significativamente. El valor óptimo de la resistencia de flujo varía con la frecuencia. grosor y método de montaje del material. •• La frecuencia f por debajo de la cual decrece el coeficiente de absorción viene dada aproximadamente por la relación:

e f= (2d) Hz

donde e es la velocidad del sonido y d la profunidad total del espacio de aire. Así. es necesaria una profundidad de al menos 10.2 cm (4 in) para mantener la absorción alta a frecuencias bajas. Esta relación también explica la característica baja de absorción a 125 y 250 Hz de materiales de 1,27 a 2.54 cm (I/~ a I in) de grosor cuando se montan directamente sobre un apoyo rígido.

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

30.3

/ND/CES DE ABSORC/ON DEL SON/DO Coeficientes de absorción del sonido

El coeficiente de absorción del sonido de un material es una medida de la propiedad absorbente del sonido del material. Es la relación (expresada como número decimal) de la potencia sonora incidente aleatoriamente que es absorbida o no reflejada por el material.·Por ejemplo, un coeficiente de absorción del sonido de 0,65 indica que el 65 por 100 de la energía acústica incidente que llega al material es absorbida. El coeficiente de absorción del sonido de cada material varía con la frecuencia. Es habitual hacer una lista de los coeficientes de un material para seis frecuencias: 125, 250, 500, 1000, 2000 Y4000 Hz.

Variación de la absorción con el ángulo de incidencia

Para una frecuencia determinada, el coeficiente de absorción de cualquier material varía con el ángulo de incidencia de las ondas sonoras. En un espacio cerrado, las ondas sonoras golpean los materiales desde muchos ángulos distintos. Por esta razón,los coeficientes publicados de los materiales comercializados suelen medirse en una cámara reverberante de laboratorio, en la que las ondas sonoras son casi difusas, de manera que inciden sobre la muestra de ensayo desde muchas direcciones.

Coeficiente de reducción del ruido

El coeficiente de reducción del ruido (NRC) de un material es un número único que es el valor medio de los coeficientes de absorción del material a las frecuencias de 250, 500, 1000 Y 2000 Hz; esta media se expresa como el múltiplo más próximo de 0,05. Por ejemplo, si un material tiene los siguientes coeficientes de absorción del sonido: Frecuencia, Hz

Coeficiente de absorción

125 250

0,07

500 1000 2000 4000

0,70 0,99 0,99 0,98

0,26

entonces, el coeficiente NRC de este material es (0,26 + 0,70 + 0,99 + 0,99)/4"" 0,75 Los coeficientes de reducción del ruido se utilizan en la especificación de los materiales en aplicaciones de control del ruido. Sin embargo, cuando están implicadas

30.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

frecuencias bajas o muy altas, suele ser mejor comparar los coeficientes de absorción en lugar de los coeficientes NRC. Esto se debe a que un material puede tener un valor NRC más alto que otro y sin embargo tener un valor inferior de absorción para 125 Hz, que puede ser particularmente importante en un problema concreto de control del ruido.

Efectos del montaje sobre los coeficientes de absorción

Los coeficientes de absorción del sonido de un material dependen de cómo esté montado o instalado. Por esta razón, se han establecido distintos montajes normalizados para ensayos de medición. Cuando se presentan los coeficientes de absorción de un material acústico, se especifica una de las siguientes condiciones de montaje, que muestra la Figura 30.1:

Montaje tipo B: Pegado a un tablero de escayola

Montaje tipo 0-20 Clavado a tablas de 3 madera de 20 por 40 mm (4

~ ~

~

-

1 .

In)

2

Montaje tipo A: Tendido directamente sobre una superficie

Montaje tipo E-400: Suspendido con 400 mm (16 in) de cámara de aire

FIGURA 30.1.

Montajes normalizados para pruebas de materiales acústicos.

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

30.5

Montaje tipo A: Tendido directamente sobre una superficie rígida sólida, sin cámara de aire. Montaje tipo B: Con puntos de conexión sobre un tablero de escayola con una cámara de aire de 20 mm (1/8 in). Montaje tipo D-20: Clavado a tablas de madera de 20 por 40 mm (3/4 por 112 in) unidas a la superficie rígida. Montaje tipo E-400: Sujeto a un sistema metálico de suspensión, con 400 mm (16 in) de cámara de aire.

Pueden usarse otras condiciones de montaje normalizadas especificadas por la American Society for Testing and Materials (ASTM) en la norma E-795 1• La Figura 30.2 muestra los valores medidos de los coeficientes de absorción del sonido para un mismo material en tres condiciones de montaje distintas. Nótese que cuando el material está separado del techo por un elemento intermedio o está suspendido de él hay un aumento significativo en la absorción a frecuencias bajas. Debido a tales diferencias de absorción de las distintas condiciones de montaje, cuando se compara la absorción de dos materiales hay que asegurarse de que los datos se refieren a las mismas condiciones de montaje.

MATERIALES (ABSORBENTES) ACUSTICOS COMERCIALIZADOS

Tipos de materiales acústicos

Los materiales acústicos comercializados utilizados sobre paredes o techos de habitaciones pueden clasificarse como: (1) baldosas acústicas o tableros acústicos, (2) ensamblajes acústicos especiales y (3) techos acústicos. c:

-o

.~

olA .o
al

'O al

e al

:§

4i o U

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10

.~

/'

r--

~

:

-I?

I

/

V'.

/. I

Adherido elemento_

~on

- intermedio

.- }uspen~idO

-

/

I

125 250 500 1000 2000 4000 NRC

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.2. Coeficientes de absorción del sonido de baldosas acústicas de 19 mm in) de grosor sobre montajes adheridos, con elementos intermedios y suspendidos. (3/4

30.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Baldosas o tableros

Una baldosa acústica o tablero acústico es un material integral, rígido, que se sujeta por sí mismo, comercializado en unidades prefabricadas de tamaño y grosor definidos; la diferencia entre baldosas y tableros acústicos sólo es de tamaño (los tableros son mayores). En EE.UU., los tamaños de las unidades varían desde 30,5 por 30,5 cm a 61 por 122 cm (12 por 12 in a 24 por 48 in), con tamaños mayores y menores disponibles en algunos productos. En general, el grosor varía de 1,3 cm a 3,8 cm (112 in a 1112 in). Los diferentes productos disponibles en forma de baldosas o tableros acústicos difieren notablemente en composición y características de superficie, con las correspondientes diferencias en cuanto a propiedades distintas de la absorción del sonido, tales como apariencia, estilo arquitectónico, limpieza, posibilidad de ser pintados, reflexión de la luz, resistencia al fuego y método de instalación. Los tipos de baldosas y tableros comercializados incluyen fibra mineral perforada con fieltro, fibra de vidrio o lana mineral; baldosas cubiertas de fieltro de fibra mineral lisas o con textura; baldosas o tableros de fibra mineral fisurada; tablero de fibra mineral con superficie vitrificada; baldosa o tablero de fibra mineral cubierto por membrana (por limpieza y apariencia, se utiliza una membrana impenetrable por el aire, relativamente «transparente al sonido», para cubrir el material).

Instalación. Una ventaja de un techo de baldosas y tableros acústicos es que estos materiales pueden instalarse mediante una gran variedad de métodos, tanto en edificios nuevos como en los existentes. Por ejemplo, todas las baldosas acústicas pueden aplicarse mediante pegamento a las superficies de masilla, hormigón y tableros de escayola; una baldosa de 30,5 por 61 cm (12 por 24 in) suele ser el tamaño mayor recomendado para una instalación con adhesivo. Algunas baldosas y tableros de fibra mineral pueden sujetarse mediante clavos, grapas o tornillos a las tablas de madera intermedias o a una cubierta de tejado o pueden atornillarse a un tablero de sujeción de escayola. La mayoría de las baldosas y tableros acústicos pueden instalarse formando un techo completo suspendido mediante elementos de metal que sujetan sus extremos. La amplitud máxima permitida no sujeta de los tableros depende de las características de de flexión del material empleado. Hay disponibles varios sistemas de suspensión mecánica que permiten la combinación de superficies de techo absorbentes del sonido con elementos de iluminación, acondicionamiento del aire y a veces radiadores de calor en cualquier disposición deseada. Los sistemas que tienen elementos de suspensión accesibles suelen permitir una fácil retirada de las baldosas y tableros acústicos, permitiendo el acceso al espacio encima de ellos. En las Figuras 30.3 a 30.5 se ilustran varios métodos de instalación. Tanto las baldosas como los tableros pueden instalarse sobre las superficies de la pared si no están sometidos a lISOS abllSivos. Cuando se utilizan como tratamiento sobre la pared, los bordes expuestos de las baldosas o tableros acústicos suelen protegerse mediante marcos de madera o de metal. Coeficientes de absorción del sonido. Los coeficientes de absorción del sonido de baldosas y tableros varían notablemente, dependiendo del tipo y grosor del mate-

30.7

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

Revestimiento primario nivelado mediante calces

Bandas (elementos intermedios)

Baldosa acústica clavada o atornillada a los elementos intermedios

Madera sobre hormigón

V;g'"'' d, m.d':=:

t:

~ "'

t:: 3 1f 1l.

•

_ i

Baldosa acústica clavada o atornillada a los elementos intermedios

)~

Directamente sobre las viguetas de madera

FIGURA 30.3.

Aplicación de baldosas o tableros con elementos intermedios.

rial y del método de montaje del mismo. Las Figuras 30.6 y 30.7 muestran la variación en los coeficientes de absorción para tableros de techo de varios grosores. La Figura 30.6 muestra los coeficientes de absorción para baldosa de fibra mineral fisurada. La Figura 30.7 muestra los valores de los coeficientes de absorción para un tablero de fibra de vidrio para techo de tres espesores diferentes. Un aumento del espesor aumenta el coeficiente de absorción, sobre todo en frecuencias por debajo de 1000 Hz. La Figura 30.8 muestra que si hay una cámara de aire detrás del material (montaje Tipo E-4(0), la absorción del sonido aumenta notablemente a 125 Hz y a 250 Hz. Los materiales que tienen una superficie posterior que permite su fácil penetración por el sonido muestran mayores cambios de absorción al aumentar la profundidad de la cámara de aire (sobre todo a frecuencias bajas) que los materiales con una superficie posterior relativamente impenetrable. Para la mayoría de los materiales, este aumento de absorción al aumentar la profundidad de la cámara de aire no muestra cambios significativos cuando el espacio aumenta por encima de 40,6 cm (16 in).

Mantenimiento. La mayoría de las baldosas acústicas vienen de fábrica con un acabado de pintura, con un valor de reflectancia de la luz de aproximadamente 0,70 a 0,80. Por lo general es deseable mantener la reflectancia de la luz próxima a su valor inicial, preferiblemente mediante lavado o repintado. Es aconsejable que esto se haga tan a menudo como sea preciso, sin dañar la superficie o limitar la absorción del sonido del material. Algunas baldosas acústicas están disponibles en acabados de pintura de fábrica lavables. Los materiales con una lámina decorativa como superficie se mantienen más fácilmente mediante lavado. Las baldosas acústicas cuya superficie está perforada o fisurada pueden repintarse muchas veces sin que haya una pérdida significativa en la absorción del sonido. Inicialmente. estos materiales vienen provistos de fábrica con una capa de pintura impenetrable que sólo permite la entrada del sonido a través de las perforaciones (o grietas). Las capas adicionales

30.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 30.4.

Baldosa acústica pegada a un apoyo sólido.

de pintura no tienen efecto sobre la absorción del sonido, salvo que se cubra un número considerable de estos orificios. Hay que tener cuidado al repintar materiales fisura dos. Estos materiales tienen una capa de pintura impenetrable de fábrica que cubre la superficie entre las aberturas de las fisuras. Por lo general, las fisuras difieren notablemente en forma y profundidad, incluso en la misma baldosa. Las capas adicionales de pintura tienden a cerrar las aberturas más pequeñas y menos profundas. Si el material contiene una proporción normal de fisuras profundas y grandes, cerrar las más pequeñas tendrá un efecto insignificante sobre la absorción del sonido. Por tanto, si al volver a pintar se tiene cuidado para evitar rellenar las fisuras grandes y las superficies planas entre ellas, no suele haber una pérdida significativa en la absorción del sonido. Por lo general, las baldosas o tableros acústicos minerales que no tienen grandes superficies abiertas, sino que dependen por completo de la porosidad de la superficie del material para la absorción del sonido, no pueden repintarse sin que se produzca pérdida de la absorción del sonido. Generalmente, estos materiales están cubiertos por un acabado de pintura de fábrica que aporta una reflectancia de la luz satisfactoria, pero forma una superficie porosa. Al aplicar capas de pintura adicionales, hay que tornar precauciones especiales para evitar sellar la superficie, con el resultado de pérdida en la absorción del sonido. Hay que consultar al fabricante del material acústico acerca de las pinturas recomendadas y técnicas de aplicación.

Ensamblajes y construcciones acústicas especiales

Bandejas de metal perforado con tableros deflbra mineral. Corno ilustra la Figura 30.9, este montaje consiste en una bandeja de 30,5 por 61 cm (12 por 24 in), de acero o aluminio perforado, con enganches vueltos hacia arriba que encajan dentro de vigas especiales en forma de T. La absorción del sonido la aporta un tablero de fibra mineral o fibra de vidrio, habitualmente de 3,8 cm (1 112 in) de grosor, envuelto en papel ligero a prueba de llamas o en una membrana delgada de plástico para impedir que caigan pequeñas partículas de material a través de las perforaciones. El tablero se coloca en la bandeja durante la instalación y se sujeta separado del de la bandeja mediante un espaciador, lo cual facilita las operaciones de repintado y lavado y aumenta la absorción del sonido. Estas bandejas tienen un acabado de esmalte cocido, particularmente adecuado para instalaciones en que es necesario un lavado frecuente; son distribuidas por distintos fabricantes y están perforadas con una gran variedad de patrones.

30.9

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

Canales

Sujeción del canal

Sujeción del tablero de escayola Juntas pegadas o calafateadas ........

11/1111111/111 Tablero de escayola

Baldosa acústica

FIGURA 30.5. Aplicación de baldosas acústicas a un tablero de escayola en un sistema de techo suspendido.

Otros techos acústicos suspendidos de superficie de metal perforado pueden ser: (1) grandes láminas de acero o aluminio ondulado, perforado, que se sujetan por sí mismas en una dirección y se enganchan en la otra dirección mediante elementos de metal accesibles, tendiéndose una capa ligera de fibra de vidrio sobre el metal ondulado para aportar absorción del sonido, y (2) una disposición parecida a (1), pero con láminas de metal con nervaduras con perforaciones longitudinales. Todos estos tipos poseen una alta absorción del sonido. Los valores de los coeficientes de absorción dependen del tamaño de las perforaciones, el porcentaje de área abierta de las perforaciones en comparación con el área total, la densidad y grosor de las planchas y la cámara de aire detrás de ellas. Paneles de pared. En muchos casos, no es posible instalar un techo en un ambiente ruidoso debido a obstrucciones en la zona del techo. Cuando es éste el caso, pueden aplicarse paneles absorbentes del sonido de pared sobre las superficies verticales. Los paneles de pared suelen estar construidos con tableros cubiertos de fieltro de lana mineral o de fibra mineral cubierta con una cara decorativa o resistente al uso. Los paneles de pared suelen ser de 122 por 244 cm (48 por 96 in) y pueden ser de 2 a 4 cm (3/4 a 11/2 in) de grosor. Los paneles para las paredes se utilizan ampliamente en instalaciones de control del ruido, tanto comercial como industrial, porque constituyen un medio excelente para localizar la absorción del sonido cerca de la fuente de ruido. Los paneles perforados fabricados con mantas minerales, parecidas a las descritas en la siguiente sección, también pueden emplearse como paneles absorbentes del sonido en las paredes. Paneles peiforados con mantas defibra mineral. Esta construcción suele consistir en travesaños de madera o viguetas del techo entre las cuales se coloca una manta de fibra de vidrio o de lana mineral. Los travesaños están transversalmente revestidos con bandas secundarias de lana a las que se acoplan las láminas de los tableros perforados. De forma alternativa, puede emplearse un sistema de revestimiento de metal. El tablero perforado suele tener 0,48 cm (3/16 in) de grosor, con perforaciones de 0,48 cm (3/16 in) cada 1,27 cm (1/2 in). El elemento absorbente puede ser cualquiera de las numerosas mantas de fibra mineral o fibra de vidrio, de distintos grosores y densidades, dependiendo de las características de absorción de frecuencia deseadas. La principal función del tablero perforado es aportar una superficie rí-

30.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

1,20 c:

'o '(3

(5

'"

c: 'o

1,00

3/4 in,

,ti

0,80

/'

.s:J

'" 'C Q)

I

0,60

I

Q)

0.40

'(3

¡;: Q)

o

u

0,20

I

11. f-1/2

Q)

e

,,

I

" '-r--.. in,

I

o /"

"eo

'" '" 'C

.s:J Q)

Sc:

Q)

-

1 in,

1,00 ~

0,80

/

,'\

I

'-'. -.¡, /: /

Á

-

.-V

1""'-1 in,

3/4 ih:--

0,60 0,40

'ü

¡;: Q)

o

0,20

u

o

125 250500 100020004000

125250 500100020004000

Frecuencia en herzios

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.6. Coeficientes de absorción del sonido para dos grosores distintos de una baldosa de fibra mineral fisurada en un montaje de Tipo A.

FIGURA 30.7. Coeficientes de absorción del sonido para tres grosores distintos de un tablero de fibra de vidrio en un montaje de Tipo E-400.

gida, duradera, con buen aspecto, que sea tan acústicamente transparente como sea posible. A veces se utilizan directamente las caras perforadas, como listones de metal, o láminas de metal perforado, si la apariencia no es un factor crítico. La Figura 30.10 muestra los coeficientes de absorción del sonido de un ensamblaje para techo de este tipo, utilizando una manta absorbente del sonido de 51 mm (2 in) de grosor sobre un apoyo sólido, con y sin el frente de tablero perforado. La absorción a frecuencias bajas aumenta al hacerlo la densidad de la manta hasta un cierto valor máximo, Sin embargo, dado que las mantas de distintos fabricantes pueden poseer fibras de distinto grosor, la densidad por sí sola no constituye la base de comparación de sus propiedades absorbentes del sonido, Algunos fabricantes de mantas de fibra de vidrio distribuyen este material con una cubierta de neopreno, que impide que las fibras «suelten polvo»; esta cubierta es tan delgada que no tiene un efecto significativo sobre las características absorbentes del material. No reduce la resistencia al aire que incide sobre la superficie de fibra de vidrio, que es una característica importante de este material, que se usa para revestir el interior de las conducciones de los acondicionadores de aire, Absorbentes suspendidos. Los absorbentes suspendidos se cuelgan del techo de una habitación como unidades individuales en lugar de montarse como un techo continuo o una superficie de una pared, Pueden ser láminas planas o tableros de material absorbente colgados verticalmente en filas continuas, o pueden ser unidades huecas en forma de caja suspendida. Los absorbentes de este tipo se utilizan en áreas en que no es factible un tratamiento del techo de tipo convencional. Sus propiedades de absorción del sonido se expresan en sabinos de absorción. Un sabino es una unidad de absorción del sonido equivalente a 1 pie cuadrado de superficie perfectamente absorbente; un sabino métrico es equivalente a 1 m2 de superficie perfectamente absorbente. Así, la absorción aportada por una superficie convencional absorbente del sonido, en sabinos, se calcula multiplicando el área de

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

c: 1,20

-o .~

o 0,80 el)

..c ., al

/

'~

0,60

/

"'O

/

~

c: 0,40

al

o

U

0,20

~mrr. I j

1

de:aire I J

¡ - Sin cáíara de tre -

al

'0

¡¡:

..r-

-11

30.11

/

O

I

I

I J

125 250 500 100020004000 Frecuencia en herzios

FIGURA 30.8. Coeficientes de absorción del sonido para un tablero de techo de fibra de vidrio montado con y sin cámara de aire. (Cortesía de Owens-Coming Fiberglas Corp.)

la superficie por su coeficiente de absorción del sonido. Por otra parte, la absorción del sonido de un absorbente suspendido suele expresarse en términos del número de sabinos que aporta cada unidad. Por ejemplo, consideremos un absorbente típico suspendido fabricado con una lámina de fibra de vidrio. Está cubierto de una delgada membrana plástica, impenetrable, lavable, tan ligera que es esencialmente transparente para la mayoría del rango de frecuencias acústicas. Estos absorbentes, que generalmente se disponen en filas continuas, están suspendidos mediante cables de acero tensados entre las paredes o vigas del techo. La absorción del sonido que aporta cada unidad depende de lo cerca que esté de los absorbentes adyacentes suspendidos, como muestra la Figura 30.11. Estos datos se refieren a unidades suspendidas en filas continuas en la misma dirección.

Cubiertas acústicas para tejados

Los materiales acústicos pueden utilizarse como parte integral de la estructura de un tejado en los edificios de una planta, como en las plantas industriales, en que la parte interior de la cubierta del tejado forma la superficie de techo expuesto del espacio inferior. Los siguientes son algunos tipos frecuentes de cubiertas acústicas para tejados.

Tableros acústicos para cubiertas moldeadas. Los tableros acústicos se fabrican en tamaños y grosores especiales [se sujetan mediante correas de acero espaciadas de 61 a 81 cm (24 a 32 in»), para utilizarse en lugar de los habituales tableros moldeados no acústicos. La cubierta del tejado de escayola u hormigón se moldea sobre un tablero acústico hasta alcanzar un grosor de 5,1 a 7,6 cm (2 a 3 in). Los coeficientes de reducción del ruido de productos de este tipo varían desde 0,55 hasta 0,70. Paneles perforados para cubiertas de tejado. Este tipo de cubierta de tejado consiste en un panel hueco de acero para techos, que se modifica perforando la superficie inferior y colocando sobre ésta una fibra mineral absorbente. Una estructura de este tipo se ilustra en la Figura 30.12. El aislante del tejado y su estructura se ins-

30.12

o: MEDIDAS ACUSTICAS

y CONTROL DEL RUIDO

--, del canal Tablero absorbente

¡::-,

Bandeja de metal pertorado

FIGURA 30.9. Ensamblaje de techo de bandejas de metal perforado con un tablero absorbente del sonido.

talan sobre esta cubierta de acero en la forma habitual. Los coeficientes de reducción del ruido para este tipo de construcción varían desde 0,65 hasta 0,85, dependiendo del espesor de la cámara de aire y del tipo de material absorbente del sonido. Aislamiento estructural del tejado. Este tipo de cubierta de tejado consiste en grandes láminas de aislante poroso térmico, que son suficientemente gruesas y rígidas como para emplearse por sí mismas como material de cubierta de tejado. El tejado convencional se instala directamente sobre su parte superior. Algunos materiales de este tipo están formados de virutas de lana prensadas con un aglutinante hasta formar una plancha rígida; la superficie inferior ha de permanecer expuesta con el fin de lograr una absorción eficaz del sonido. Los coeficientes de reducción del ruido, para un grosor de 7,6 cm (3 in), varían desde 0,70 hasta 0,85.

Particiones de altura parcial (divisores de oficinas)

En oficinas de planta abierta, es costumbre instalar particiones de altura parcial (también denominadas divisores de oficinas) con el fin de mejorar la privacidad acústica entre los lugares de trabajo. Estas particiones, por lo general de aproximadamente 152 por 244 cm (60 por 90 in) de altura, se describen en el Capítulo 33. Para resultar eficaces, la partición ha de poseer un coeficiente de reducción del ruido (NRC) de al menos 0, 90.

SELECC/ON DE MA TER/ALES (ABSORBENTES) ACUSnCOs

Además de la absorción del sonido, hay que tener en cuenta otras propiedades o consideraciones al seleccionar un material acústico, incluyendo: • Propagación y resistencia al fuego • Resistencia mecánica, resistencia al uso

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

t:

-o .~

oti>

.

oC

Q)

"O Q)

E Q)

oc:;

'; o

U

1,00 0,90 7 / 0,80 t/ 0,70 Ir 0,60 / 0,50 0,40 J 0,30 ~l 0,20 0,10 O 125 250 500

30.13

-....; ... ~ \

-

Cara sin perforaciÓn_

- -Ca;!.

~ orada

l

1000 2000 4000 NRC

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.10. Coeficientes de absorción del sonido de una manta típica de fibra mineral de 51 mm (2 in) sobre un respaldo sólido con y sin cara perforada.

• • • • • • • • • •

Estabilidad dimensional Reflectancia de la luz Atenuación del sonido Mantenimiento, limpieza, posibilidad de ser pintado Apariencia Coste Facilidad de instalación, método de montaje Disponibilidad de espacio para instalación acústica Peso de la instalación acústica Compatibilidad con otros materiales y componentes

Propagación del fuego, clasificación Fire-Class y resistencia al fuego

Las especificaciones suelen requerir que el material acústico sea evaluado respecto a la propagación y resistencia al fuego. El índice de propagación de las llamas de un material 2 es una medida del flujo de las llamas a través de la superficie expuesta del material. Dado que los rangos de rendimiento son más significativos que los valores individuales, el índice de propagación de las llamas está relacionado con las siguientes clases:

Clase I

11 III IV

Indiee de propagación de las llamas

Designación Fire-Class (ASTM E-12M)'

0-25 26-75 76-200 Más de 200

Clase 25 Clase 75 Clase 200

La mayoría de los materiales acústicos comercializados pertenecen a la Clase 1. La resistencia al fuego de un ensamblaje de suelo/techo o de tejado/techo, del

30.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

en

. l°rnIDJ :E::..x

8 6

g ..

'B-PÑ 4 ~o~

2345678

a.

Espaciamiento en pies

FIGURA 30.11. Absorción del sonido por unidad con respecto al espaciamiento, para filas continuas de 610 por 1220 mm (2 por 4 ft) de absorbentes suspendidos de tipo "baffle». (Cortesía de Owens-Coming Fiberglas Corp.)

que el techo acústico no es más que un componente,4 se evalúa en horas o fracciones de horas.

Resistencia mecánica

La resistencia mecánica de la mayoría de los materiales acústicos es relativamente baja (se dañan fácilmente con los golpes). La superficie de un material acústico sometido a abusos puede protegerse mediante paneles perforados fabricados de metal. contrachapado o cartón, o mediante pantallas de metal o tiras de madera. Véase por ejemplo la Figura 30.13.

Estabilidad dimensional

Se dice que un material acústico es dimensionalmente estable si sus dimensiones físicas no cambian significativamente con los cambios en humedad y temperatura. La estabilidad dimensional de un material acústico depende de la fibra de que esté fabricado (los materiales inorgánicos son más estables que los orgánicos) y del aglutinante que mantiene unidas las fibras (los aglutinantes impermeables son más estables que los no impermeables, como el almidón).

Reflectancia de la luz

La reflectancia de la luz de un material es una medida de su capacidad para reflejar la luz sobre su superficie. La reflectancia de la luz puede expresarse como una fracción decimal de la luz incidente que es reflejada sobre la superficie del material. La mayoría de los materiales acústicos para techos tienen un valor de reflectancia de la luz igualo superior a 0,75. Los fabricantes de los materiales no aportan valores de reflectancia precisos, debido a que la acumulación de suciedad o polvo sobre el material acústico reduce la reflectancia de la luz sobre su superficie. En su lugar, suele presentarse un rango de valores (indicado por una letra): a b c d

-

0,75 o más 0,70 a 0,74 0,65 a 0,69 0,60 a 0,64

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

FIGURA 30.12.

30.15

Típico ensamblaje fonoabsorbente de acero para techo de tejado.

Para mantener alto el valor de reflectancia de la luz del material acústico del techo su exterior ha de ser lavable y poder pintarse.

Propiedades de atenuación del sonido

En muchas oficinas, las particiones sólo se extienden hasta un techo acústico suspendido. El sonido de una fuente en una habitación viaja hacia arriba a través del techo suspendido, pasa a través del espacio libre por encima de la partición, y baja luego a través del techo suspendido a la habitación adyacente, como ilustra la Figura 30.14. Con el fin de reducir la cantidad de sonido que pasa a través del techo, la mayoría de los fabricantes venden techos con una cubierta de apoyo o lámina fina de metal que aumenta las propiedades de atenuación del sonido del techo. La cubierta o lámina metálica sella la parte posterior de los tableros porosos del techo. Así, el sonido no pasa fácilmente a través de ellos. Para la mayoría de los tableros de techo, esta cubierta posterior reduce el coeficiente NRC del tablero a un valor entre 0,05 y 0,10. La atenuación normalizada de techo (expresada en decibelios) es una medida de la eficacia del techo suspendido en su atenuación del sonido entre dos habitaciones. Esta eficacia varía con la frecuencia, pero para facilitar las comparaciones entre las distintas construcciones de techos suspendidos el aislamiento del sonido se expresa como un número único, denominado clase de transmisión del sonido del techo; cuanto mayor es este número, mayor es el aislamiento sonoro que aporta la construcción.

Medida de los coeficientes de absorción del sonido

Los coeficientes de absorción del sonido (y, por tanto, los coeficientes de reducción del ruido) de un material acústico se determinan a partir de medidas de laboratorio utilizando la Norma de Ensayo ASTM C-423, «Absorción del sonido y coeficientes

30.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Banda de incrustación Grapas

Superficie de la pared: metal, hormigón, escayola, madera, etc.

Malla metálica Superficie de la pared: metal, Banda de hormigón, escayola, madera, etc.

de clavos

Banda de

Lámina de metal perforada de calibre 24

Jr---"'-t--IK Cierres

de clavos

Tablero de clavijas

FIGURA 30.13, Distintos métodos para proteger la superficie de un material acústico de incidentes no deseados. (Cortesía de Owens-Coming Fiberglas Corp.)

de absorción del sonido mediante el método de la cámara reverberante». Este método se emplea para medir el coeficiente de absorción del sonido de incidencia aleatoria (véase «Indices de absorción del sonido»). Los elementos que se ensayan se colocan en una gran cámara reverberante con los montajes normalizados especificados en la norma ASTM E-795 1. Se determinan los coeficientes de absorción del sonido para las siguientes frecuencias: 125,250,500, 1000,2000 Y4000 Hz. También pueden obtenerse datos a intervalos de bandas de tercio de octava entre estas frecuencias.

ESPECIFICACION DE LOS MATERIALES ACUSTlCOS DE TECHO La mayoría de los fabricantes aportan especificaciones recomendadas para sus productos particulares, que pueden ser utilizadas por el propietario o arquitecto. Una especificación típica para un tipo de techo acústico es como sigue: El material acústico debe ser (nombre del producto), fabricado por (nombre de la compañía). Debe tener (grosor y tamaño) y poseer un NRC de para un tipo de montaje . El fabricante entregará al propietario una garantía escrita por años sobre la estabilidad dimensional contra deformación, pandeo o hundimiento. El sistema de suspensión debe estar formado por acero laminado en frío electrogalvanizado, que satisface los requisitos de ASTM C-635, «Especificación de sistemas de suspensión metálicos para techos de baldosas acústicas y paneles interiores». La suspensión debe instalarse de acuerdo con ASTM C-636, «Prácticas recomendadas para la instalación de sistemas de suspensión de techos de baldosas y paneles acústicos».

30.17

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

Cámara superior Techo / suspendido

Oficina n" 2

~

" ' : vra del

sonido

Oficina n" 1 Partición ¡r- de separación

-

'--

FIGURA 30.14. Ilustración de la transmisión del sonido de habitación a habitación a través de los techos de oficinas adyacentes.

ABSORCION DEL SONIDO DE MATERIALES Y ELEMENTOS DE USO CORRIENTE

La Tabla 30.1 presenta los coeficientes de absorción de los materiales frecuentemente utilizados en la construcción de edificios. Los valores que aparecen son aproximados. Los valores reales de los coeficientes de absorción dependen de la construcción específica, la densidad del material, el tipo de acabado, el tamaño del panel, el tipo de montaje y otros factores.

Cortinas

Los coeficientes de absorción de las cortinas dependen de la resistencia al flujo de aire de la superficie del material, el porcentaje de amplituá y su distancia a la pared o ventana. La Figura 30.15 muestra los coeficientes de reducción del ruido para cortinas de fibra de vidrio (100 por 100 de amplitud), con distintos valores de resistencia al flujo. En la Figura 30.16 se presentan los coeficientes de absorción del sonido para cortinas con distintos porcentajes de amplitud. El efecto de la distancia entre las cortinas y la superficie dura se ilustra en la Figura 30.17, que muestra el coeficiente de absorción de una cortina a distintas distancias de una pared. Nótese el aumento significativo en absorción del sonido a frecuencias bajas cuando las cortinas están separadas de la pared; en el rango de frecuencias medias y altas, la distancia de la pared tiene poco efecto sobre la absorción.

* El porcentaje de amplitud es el porcentaje en que la anchura del material supera a la anchura de la cortina colocada; por ejemplo. un 100 por 100 de amplitud indica que la anchura del material original es el doble de la anchura de la cortina colocada.

30.18 TABLA 30.1.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Coeficientes de absorción del sonido de materiales de construcción Coeficientes de absorción del sonido 125Hz

:zso Hz

500Hz

0,19

0,23

0,43

0,37

0,58

0,62

0,27

0,58

0,48

0,54

0,73

0,63

0,41

0,53

0,64

0,84

0,91

0,63

0,22

0,64

0,70

0,79

0,88

0,72

Ladrillo no esmaltado

0,03

0,03

0,03

0,04

0,0

0,07

Ladrillo no esmaltado pintado

0,01

0,01

0,02

0,02

0,02

0,03

0,02 0,08

0,06 0,24

0,14 0,57

0,37 0,69

0,60 0,71

0,65 0,73

0,08

0,27

0,39

0,34

0,48

0,63

Bloque de hormigón tosco

0,36

0,44

0,31

0,29

0,39

0,25

Bloque de hormigón pintado

0,10

0,05

0,06

0,07

0,09

0,08

0,03

0,04

O,ll

0,17

0,24

0,35

0,07

0.31

0,49

0,75

0,70

0.60

0.14

0.35

0,55

0.72

0.70

0.65

0,08

0,25

0.65

0.85

0.80

0,75

0.17

0,55

0,80

0.90

0.85

0.80

0.15

0,55

0,80

0.90

0,85

0,80

0.33

0,79

0.99

0,91

0,76

0,64

Balasto u otra piedra triturada: 3,18 cm (1 1/4 in) de tamiz y 15,2 cm (6 in) de profundidad 3,18 cm (11/4 in) y 30,5 cm (12 in) de profundidad 3.18 cm (1 1/4 in) y 45,7 cm (18 in) de profundidad 0,64 cm (1/4 in) o menos de agregado de granito y 15,2 cm (6 in) de profundidad

Alfombra pesada: Sobre hormigón Sobre pelusa o espuma de caucho de 1350 glm2 (40 ozlyd 2) Sobre pelusa o espuma de caucho de 1350 glm 2 (40 ozlyd 2) con apoyo de látex impermeable

Cortinas (véase también Figuras 30.15-30-17): Visillo ligero, 338 glm 2 (10 ozlyd'), colgado recto, en contacto con la pared Visillo medio. 475 g/m' (14 ozlyd 2 ). drapeado hasta la mitad de su área Visillo pesado, 610 glm 2 (18 ozlyd'), drapeado hasta la mitad de su área Tableros y mantas de fibra de vidrio: Lana de vidrio de 2.54 cm (1 in). 24 kg a 48 kglm' (1,5 a 3,0 Ib/ft') Lana de vidrio de 5,1 cm (2 in), 24 kg a 48 kg/m' (1,5 a 3,0 Ib/ft') Lana de vidrio de 2,54 cm (1 in) y cámara de aire de 2.54 cm (1 in) Paneles de fibra de vidrio de 5.1 cm (2 in), instalados con cubierta de lámina plástica y panel frontal de metal perforado

1000Hz 2000Hz 4000Hz

30.19

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

TABLA 30.1. Coeficientes de absorción del sonido de materiales de construcción ( Continuación) Coeficientes de absorción del sonido 125Hz Suelos: Hormigón o terrazo Baldosas de linóleo, asfalto, caucho o corcho sobre hormigón Madera Parquet de madera sobre asfalto u hormigón

250Hz

500Hz

1000 Hz

2000 Hz

4000Hz

0,01 0,02

0,01 0,03

0,015 0,03

0,02 0,03

0,02 0.03

0,02 0,02

0,15 0,04

0,11 0,04

0.10 0,07

0,07 0,06

0,06 0,06

0,07 0,07

0,18

0,06

0,04

0.03

0,02

0,02

0,29

0,10

0,05

0,04

0,07

0,09

Tablero de escayola de 1,27 cm (112 in), clavado a travesaños de 5,1 por 10,2 cm (2 por 4 in), con 41 cm (16 in) de centro a centro

0.29

0.10

0,05

0,04

0,07

0.09

Baldosa de mármol o esmaltada

0.01

0,01

0,01

0,01

0.02

0.02

0,05 0,10 0,16 0,25

0,15 0,30 0,45 0.50

0,45 0,60 0,70 0,80

0,70 0,90 0,90 0,90

0,80 0,90 0,90 0,90

0.110 0,115 0,1'5 0,85

Masilla, escayola o cal, con acabado liso sobre baldosa o ladrillo

0,013

0,015

0,02

0,03

0,04

0,05

Masilla, escayola o cal, con acabado burdo sobre listón

0,14

0,10

0,06

0,05

0,04

0,03

Lo mismo con acabado liso

0,14

0,10

0,06

0,04

0,04

0,03

Panel de contrachapado, de 1 cm (3/s in) de grosor

0,28

0,22

0.17

0,09

0.10

0.11

La superficie del agua, como en una piscina

0,008

0.008

0,013

0,015

0,020

0.025

Vidrio: Grandes paneles de placas de cristal pesado Cristal ordinario de ventana

Spray mineral sobre materiales: Fibra mineral de 1,27 cm (112 in) Fibra minera de 1,9 cm (3/. in) Fibra mineral de 2.5 cm (1 in) Fibra mineral de 1,27 cm (112 in) sobre listones de metal con cámara de aire de 2,54 cm (1 in)

Alfombras

Los coeficientes de absorción de las alfombras dependen de la altura del pelo, del peso del pelo (cara), del tipo de material de soporte y de si está forrado con látex, del tipo de superficie (pelo cortado o rizo) y el tipo y grosor del relleno (tejido inferior). En general, el pelo cortado aporta mayor absorción que el rizo, en una alfombra que por lo demás tiene idéntica construcción. El tipo de fibra del pelo (si es nylon o lana, por ejemplo) no tiene un efecto significativo sobre la absorción. Los valores de los coeficientes de reducción del ruido (NRC) para alfombras extendidas

30.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1,00

100 rayls

c:

'o

0,80

.~ o

'"

.I:l

al

0,60

Q)

"O Q)

e Q)

:~ 0.40

'ai o u

1000 2000 4000 o125__ 250__ 500__-L' __ __ ~,

~'

~'

~'

~'

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.15. Coeficientes de absorción del sonido para cortinas con varios valores de resistencia específica al flujo expresado en rayls (dinas-segundos/cm3 ). Estos datos son para cortinas que cuelgan con 100 por 100 de amplitud, a una distancia de 76 mm (3 in) de la pared. Por lo general, las cortinas tensadas tienen un valor bajo de resistencia específica al flujo; las cortinas pesadas poseen un valor alto. (Cortesía de Owens-Coming Fiberglas Corp.)

0,5

150 % amplitu?/

0.4

Q) Q),o

c'ü

0,3

/'

Q)~

.- o

.~

(1)

-.I:l

0,2

/

~aI

U

--.---.- -.

"oc:

0,1

o

V

125

-

/

/

- -

- - - I _ v·~_~ 1-.100 % amplitud_

,----250

.---.-

- ---:\ O % amplitud

250

1000

2000

4000

NRC

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.16. Coeficientes de absorción del sonido para cortinas del mismo material, pero colgadas con distintos porcentajes de amplitud. (Cortesía de Owens-Coming Fiberglas Corp.)

directamente sobre el hormigón desnudo varían desde 0,30 hasta 0,55. Los valores NRC para una alfombra sobre un relleno (tejido inferior) de 1,4 kglm2 (400zlyd 2 ) suelen variar desde aproximadamente 0,40 hasta 0,7OS. Por ejemplo, una alfombra y un relleno con un NRC de 0,70 consisten en una alfombra de nudo con un pelo que pesa 1,5 kglm 2 (43 ozlyd 2 ) Y tiene una altura de 13 mm (112 in). La mayoría del alfombrado utilizado en oficinas comerciales posee un NRC en un rango entre 0,30 y 0,45. Las Tablas 30.2, 30.3 Y30.4 presentan listas de los coeficientes de absorción del sonido de varias alfombras, algunas con un relleno de 1,4 kglm2 (40 ozlyd 2), sobre suelo de hormigón.

30.21

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

0,8

/

0,7

-o 0,6 oen

- -\

'ü lo-

.a 0,5 0,4

~ c: 0,3 el) 'ü

¡¡::

el) o 0,2

~

)L ~,.¿;x.....15,2


el)

'O

/~ ~

7,6 cm (3 in.)'\.

c:

" '/ /,/

cm

(~ in.)

"- 30,5 cm (12 in.)

~/

u

0,1

O 125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia en herzios

FIGURA 30.17. Coeficientes de absorción del sonido para un material semiabierto de cortinaje, colgado a diferentes distancias de la pared (100 por 100 de amplitud).

Resonadores Helmholtz

Un resonador Helmholtz (también denominado cavidad resonante) es un volumen de aire encerrado que está conectado a un cuello corto abierto al exterior. Cuando las ondas sonoras inciden sobre el cuello del resonador, ponen el aire en movimiento; el aire en el cuello se comporta en cierto sentido como un tapón sólido que se mueve hacia adelante y hacia atrás, comprimiendo el aire en el volumen cerrado. A medida que el aire se mueve de un lado a otro, la energía acústica se convierte en calor, como resultado del rozamiento a lo largo de las paredes del cuello. Estas pérdidas pueden aumentarse colocando un material ligero poroso a través de la boca del cuello (o colocando material absorbente dentro del volumen cerrado). La absorción máxima del sonido se produce a la frecuencia de resonancia de la masa de aire en el cuello y el «muelle» que aporta el aire comprimido en el volumen encerrado; se absorbe muy poco sonido a otras frecuencias. Como indica la Figura 30.18, este resonador sólo es efectivo sobre una banda estrecha de frecuencias. Si el volumen del resonador es V, el cuello posee un área transversal de 5 y el volumen del cuello es v, la frecuencia del resonador, f, viene dada por

f=

55005 (vV)112

donde todas las dimensiones se expresan en centímetros, y 21605

f=

(VV)112

donde todas las dimensiones se expresan en pulgadas.

30.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 30.2.

Absorción del sonido de alfombras sobre hormigón desnudo

Construcción

Peso del pelo kg/m1 (ozlyd1 )

Altura del pelo, mm (in)

1,2 (35) 1,2 (35) 1,1 (3,2)

4 (0,175) 4 (0,175) 14 (0,56) 14 (0,56) 13 (0,50) 6 (0,25) 10 (0,375) 13 (0,50) 6 (0,25) 6 (0,25) 6 (0,25)

Tejida Tejida De nudo De nudo De nudo Tejida Tejida Tejida De nudo De nudo De nudo

1,3

(32) 1,5 (43) 1,5 (44) 2,3 (66) 3,1 (88) 0,5 (15) 1,4 (40) 2,1

(60)

Superficie

Fibra

Coeficiente de reducción del ruido

Cortado

Lana

0,30

Corte

Lana

0,35

Cortado

Nylon

0,50

Cortado

Acrílica

0,50

Cortado

Madera

0,55

Rizo

Lana

0,30

Rizo

Lana

0,40

Rizo

Lana

0,40

Rizo

Lana

0,25

Rizo

Lana

0,35

Rizo

Lana

0,30

Fuente: A partir de la Referencia 5.

TABLA 30.3. Absorción del sonido de varias alfombras sobre un relleno (tejido inferior) con pelo de 1,4 kg/m 2 (40 ozJyd 2 ) Construcción

Peso del pelo kg/m1 (oz/yd1 )

Tejida forrada

1.5 (44)

Tejida no forrada

1.5 (44) 1,4 (40) 0.5 (15) 1.5 (43) 1.4 (40)

De punto De nudo De nudo De nudo

Altura del pelo, mm (in) 6 (0,25) 6 (0.25) 5-10 (0.2-0,4) 6 (0,25) 6 (0.25) 10 (0.39)

Superficie

Fibra

NRC·

Cortado Lana

0,40

Rizo

Lana

0,40

Rizo

Lana

0,65

Rizo

Nylon

0,65

Rizo

Acrílica

0.50

Rizo

Lana

0,60

30.23

MATERIALES ABSORBENTES DEL SONIDO

TABLA 30.3. Absorción del sonido de varias alfombras sobre un relleno (tejido inferior) con pelo de 1,4 kg/m 2 (40 ozJyd 2 ) (Continuación) Construcción Denudo De nudo

Peso del pelo kglm1 (oz/yd1 )

Altura del pelo, mm (in)

1,1 (32) 1,5 (43)

14 (0,56) 13 (0,50)

Superficie

Fibra

NRC·

Cortado Nylon

0,70

Cortado

0,70

Lana

Fuente: A partir de la Referencia 5. • NRC = Coeficiente de reducción del ruido.

Frente perorado

Cavidad del resonante c:

'o

~j\ .,

E

;g., Frecuencia en herzios ~

o

U

Cámara de aire

RGURA 30.18. Características de absorción del sonido de un absorbente de «tipo resonadop). El frente perforado, separado de la pared, actúa como un resonador Helmholtz (una cavidad resonante).

30.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 30.4.

Típicos coeficientes de absorción del sonido para alfombras

Coeficientes de absorción Construcción Alfombra (sin relleno): Rizo de lana tejida, de 1,2 kglm 2 (35 ozlyd 2 ), altura del pelo 2,4 mm (3/32 in) Rizo de lana tejida, de lA kg/m 2 (40 oz/yd 2), altura del pelo 604 mm (1/4 in) Rizo de lana tejida, de 2,3 kg/m 2 (66 ozlyd 2), altura del pelo 9,5 mm (3/R in)

125

250

Hz

500 Hz

1000 Hz

2000 Hz

4000

Hz

Hz

NRC*

0,10

0,16

0,11

0,30

0,50

0,47

0,25

0,15

0.17

0,12

0,32

0,52

0,57

0,30

0.17

0,18

0,21

0,50

0,63

0,83

0,40

0,03

0,25

0,55

0,70

0,62

0,84

0,45

0.10

0040

0,62

0,70

0,63

0,88

0,60

0,20

0,50

0,68

0,72

0,65

0,90

0,65

0,04 0,10

0,08 0.19

0,17 0,35

0,33 0,79

0,59 0,69

0,75 0,79

0,30 0,50

Alfombra de nudo de rizo, de lA kglm 2 (40 ozlyd 2 ), altura del pelo 9,5 mm (n/¡6 in) Relleno de pelo, 1,4 kglm 2 (400zlyd 2 ) Relleno de pelo, 3,0 Kglm 2 (86ozlyd 2) Relleno de yute y pelo, 3,0 kg/m 2 (86 ozlyd 2 ) Alfombra de nudo de rizo, de 0,7 kglm 2 (20 ozlyd 2 ): Sin relleno Con relleno de pelo de 1,4 kglm 2 (40 ozlyd 2 ) Fuente: A partir de la Referencia 5.

• NRC

=

Coeficiente de reducción de ruido.

REFERENCIAS l. Mounting test specimens during sound absorption tests, ASTM standard E-795, American Society for Testing and Materials, Filadelfia (periódicamente revisada). 2. Surface buming characteristics of building materials, ASTM E-84 Test Method, American Society for Testing and Materials, Filadelfia (periódicamente revisado). 3. Standard c/assification for acoltstical ceiling products, ASTM standard E-1264, American Society for Testing and Materials, Filadelfia (periódicamente revisada). 4. Fire tests of building construction and materials, ASTM E-119 Test Method, American Society for Testing and Materials, Filadelfia (periódicamente revisado). 5. SO/Ifld conditionig ....ith carpet, American Carpet and Rug Institute.

Capítulo

31

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE A. C. C. Warnock J. D. Quirt

INTRODUCCION Este capítulo trata sobre el aislamiento aportado por varios elementos de partición (paredes, suelos, ventanas y puertas) contra el sonido transmitido a través del aire. que llega a ellos mediante la propagación desde la fuente. El Capítulo 32 considera el aislamiento contra el sonido transmitido a través de las estructuras, sonido que comienza como una vibración de la propia estructura de los edificios. El sonido de impacto es un caso particular de sonido transmitido por estructuras que se genera mediante golpes, habitualmente pasos sobre el suelo. Por conveniencia, a veces se incluyen datos tanto para aislamiento contra sonido transmitido por el aire como de impacto en algunas estructuras. Cuando las ondas sonoras chocan con una partición, las presiones sonoras variables que actúan sobre ella hacen que vibre. Una parte de la energía vibratoria transportada por las ondas sonoras es transmitida a la partición, cuya vibración pone en movimiento el aire situado del otro lado, generando sonido. En particiones complejas constituidas, por ejemplo, por capas de materiales y cámaras de aire. parte de la energía de las ondas sonoras se disipa dentro de la partición, reduciendo la energía sonora irradiada por el lado posterior. Por otra parte, si la partición es porosa o tiene agujeros o fracturas (escapes), las ondas sonoras pueden llegar al otro lado a través de ellas. La pérdida por transmisión (TL) es la relación entre la energía sonora incidente sobre la pared y la energía sonora transmitida y se expresa en decibelios. Cuanto menos energía sonora se transmite, mayor es la pérdida por transmisión. Por ejemplo, si la partición fuera completamente «transparente acústicamente». la pérdida por transmisión sería O dB. Para reducciones de ruido significativas entre 2 habitaciones, la partición (pared o suelo) que las separa debe transmitir tan sólo una pequeña parte de la energía sonora que recibe. En las construcciones típicas, las pér31.1

31.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

didas por transmisión varían entre 30 y 70 dB, que corresponden a reducciones de 0,1 y 0,00001 por lOO de la energía sonora, respectivamente. La reducción del ruido entre dos habitaciones es la diferencia entre el nivel m~ dio de presión sonora en una habitación que contiene una fuente de sonido y!el c~­ rrespondiente medido en la habitación adyacente. Depende de la pérdida pot'tratísmisión de la partición común, el área de la partición y la absorción del sonido en la habitación que recibe el sonido (el espacio receptor); cuanto mayor es la caotidatl de absorción, menor es el nivel sonoro en la habitación adyacente y mayor lateducción del ruido. Por contra, la pérdida por transmisión de una partición es independiente de su área y de la cantidad de absorción del sonido. En el Capítulo 33 se comentan más diferencias entre pérdida por transmisión y reducción del ruido. La reducción del ruido normalizada es la reducción del ruido que se produce entre dos habitaciones si el tiempo de reverberación T 60 en la habitación receptora es 0,5 segundos. Se calcula a partir de los valores medidos de reducción del ruido, añadiendo el término 10 log (TtdO,5). El valor corregido corresponde a la reducción del ruido en habitaciones amuebladas normalmente. No depende de la cantidad de absorción sonora (y por tanto del tiempo de reverberación) en la habitación receptora.

INOICES DE AISLAMIENTO ACUSTICO La pérdida por transmisión de una partición varía con la frecuencia del sonido, aumentando por lo general a medida que lo hace la frecuencia, como ilustra la Figura 31.1. (Aunque también depende de la dirección de la onda sonora incidente, la información disponible sobre la pérdida por transmisión es casi siempre una media para todos los ángulos de incidencia l.) Esta variación con la frecuencia hace difícil comparar la eficacia de dos particiones diferentes. Por esta razón, es conveniente tener un único índice numérico para caracterizar las particiones. A continuación se describen y Cl''11entan los índices unitarios más habituales.

Clase de transmisión sonora

La clase de transmisión sonora (STC) es un índice de número único calculado de acuerdo con la clasificación ASTM E413 2 , mediante el uso de valores de pérdida por transmisión del sonido. Este es el índice más frecuentemente utilizado para la insonorización en EE. UU. Se obtiene a partir de las pérdidas por transmisión del sonido en las 16 bandas de tercio de octava entre 125 y 4000 Hz. Se basa en el ajuste de una curva de referencia de valores de pérdida por transmisión sobre los datos medidos hasta que se satisfacen los requisitos de la norma: ningún valor individual de pérdida por transmisión está más de 8 dB por debajo de la curva de referencia y la suma de las discrepancias negativas no puede superar 32. La Figura 31.1 muestra los datos de pérdida por transmisión y la posición de la curva de referencia después de que se ha completado el proceso de ajuste; las desviaciones negativas se muestran sombreadas en la figura. Nótese que la curva de referencia es más alta a fre-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.3

50 , - - - - - - - - - - - - - - - - - ,

m 40 "C ¿

-o .¡¡;

'E

'"e

30

~

oc. 20

ca "C

'5

.a; a..

10

O

63

125

250

250 1000 2000 4000

Frecuencia, Hz

FIGURA 31.1. Procedimiento de ajuste para la obtención de la clase de transmisión sonora. La curva continua muestra los datos de la pérdida por transmisión del sonido. La curva a trazos es la curva de referencia STC y el área sombreada muestra las desviaciones negativas. La curva se ajusta hasta que la media de las desviaciones es 2 dB o menos y ningún valor de pérdida por transmisión está más de 8 dB por debajo de la curva de referencia. El STC (en este caso 27) es el valor del contorno para 500 Hz.

cuencias medias y altas que a frecuencias bajas; las particiones permiten pasar más energía a frecuencias bajas que a frecuencias altas o medias. En general, cuanto mayor es el índice STC, mejor es el aislamiento del sonido aportado por la partición. La finalidad de la clase de transmisión sonora es evaluar las particiones con respecto a ruidos tales como el habla, que tiene la mayoría de su energía en el rango de frecuencias medias y altas. Sin embargo, es muy utilizada para evaluar el aislamiento del sonido de particiones, puertas y ventanas. frente a otros tipos de ruido como el de los transportes, la música y la maquinaria. Cuando el ruido que hay que atenuar tiene un componente importante de baja frecuencia, la reducción percibida del ruido tiende a ser menor que la indicada por la clase de transmisión sonora. En tales casos, es mejor estimar la sonoridad del sonido transmitido utilizando la información sobre el ruido y la pérdida por transmisión en la frecuencia más baja de la que haya datos disponibles. Esto no es posible si no hay información por debajo de 125 Hz, la frecuencia más baja requerida para el cálculo de la clase de transmisión sonora. Cuando las medidas se llevan a cabo en edificios, de acuerdo con las normas apropiadas 3 , la clase de transmisión sonora se denomina clase de transmisión sonora de campo (FSTC).

31.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Clase de aislamiento del ruido

La clase de aislamiento del ruido 3 (NIC) es un índice de número único calculado de acuerdo con la clasificación ASTM E413 (el mismo procedimiento que para STC? a partir de valores medidos de reducción del ruido. Aporta una estimación del aislamiento acústico entre dos espacios cerrados que están conectados por una o más vías. La clase de aislamiento del ruido normalizado3 (NNIC) es un índice de número único calculado de acuerdo con la clasificación ASTM E413 (el mismo procedimiento que para STC)2 a partir de los valores normalizados de reducción del ruido. Aporta una estimación del aislamiento acústico entre habitaciones amuebladas, asumiendo que una habitación <
La clase de aislamiento del impacto (I1C) es un índice de número único obtenido, de acuerdo con la clasificación ASTM E9894 , a partir de los niveles de presión sonora de impacto medidos de acuerdo con el método ASTM E4925 • El método de ensayo utiliza una máquina normalizada de tecleado con cinco martillos de cobre que golpean el suelo 10 veces por segundo. En la habitación debajo del suelo, se miden los niveles de presión sonora en las bandas de tercio de octava desde 100 hasta 3150 dB, como ilustra la Figura 32.3. Al igual que con la clase de transmisión sonora, se ajusta una curva de referencia con respecto al nivel de presión sonora de impacto normalizado, hasta que los requisitos de la norma son satisfechos. La Figura 31.2 muestra un ejemplo de los datos medidos y la curva de referencia ajustada. Ningún valor de nivel de presión sonora de impacto normalizado está más de 8 dB por encima de la curva de referencia y la suma de las desviaciones por encima de la curva (zona sombreada) no pueden superar un total de 32 dB. Los valores I1C se leen a partir del eje de la derecha invertido, de manera que la clase de aislamiento del impacto aumenta a medida que lo hace la protección que aporta el suelo contra este tipo de impacto. Las medidas de la transmisión del sonido de impacto en edificios examinan el suelo y las estructuras asociadas6 • El índice de número único obtenido de acuerdo con la ASTM E989 para mediciones de campo del impacto sonoro se denomina clase de aislamiento del impacto de campo (FIlC). Diferencia normalizada de nivel de presión sonora

La diferencia normalizada de nivel de presión sonora Dn es un índice de número único del aislamiento acústico entre habitaciones, medido de acuerdo con la norma ASTM E597 1O • Este procedimiento mide la diferencia entre los niveles sonoros con ponderación A de dos habitaciones, utilizando una fuente especial de sonido, cuyas características se definen en la norma. Con este ensayo se obtiene un índice que concuerda, dentro de un rango de unos pocos decibelios, con el índice FSTC, pero es mucho más sencillo de medir.

31.5

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

30

80 al '"O

o

o

40 tí ca

tí 70 ca a. E Q)

'"O

a. E

60

50

15e

o(/l

50

60

e -o 'o; Q)

C.

70

40

Q)

'E

ca ~ ca Q) Q) (/l

'"O

>

2e

'"O

Q)

Q¡

Q)

'"O

ca

80 Uca

30

Z

20

63

125

250

500

1000

2000

4000

90

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.2. Procedimiento de ajuste para la obtención de la clase de aislamiento del impacto Ole). La curva continua muestra los niveles de presión sonora del impacto para un suelo típico de madera; los valores se leen en la escala de la izquierda. La curva a trazos es la curva lIe y el área sombreada muestra las desviaciones negativas. La curva de referencia se ajusta hasta que la media de las desviaciones para las 16 bandas es 2 dB o menos y ningún valor medido está más de 8 dB por encima de ésta. El lIe (en este caso 49) es el valor de la curva de referencia para 500 Hz, leído sobre la escala lIe del lado derecho. Indice ponderado de reducción del sonido

El índice ponderado de reducción del ruido Rw es un índice de un solo número calculado de acuerdo con la norma ISO 717 7 , a partir de los valores medidos del índice de reducción del sonido (el término ISO equivalente a pérdida por transmisión), Esta es una norma internacional para el sonido transmitido por el aire calculado de forma parecida a la clase de transmisión del sonido, Las diferencias son las siguientes: el rango de frecuencias de la curva de referencia y de la medición H está entre 100 Y 3150 Hz Y no hay una limitación de 8 dB en el procedimiento de ajuste. La clase de transmisión del sonido (STC) y el índice ponderado de reducción del sonido Rw suelen ser parecidos.

Nivel de presión sonora de impacto ponderado normalizado

El nivel de presión sonora de impacto ponderado normalizado es un índice de un solo número obtenido, de acuerdo con la norma ISO 7179 , a partir de los niveles de presión sonora de impacto normalizados medidos de acuerdo con la norma ISO 140 Parte VIs. Esta es una norma internacional de clasificación de la transmisión sonora del impacto que utiliza el mismo procedimiento de ajuste y curva de referencia que la clase de aislamiento del impacto (He), con la excepción de que no hay limitación

31.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de 8 dB en el procedimiento de ajuste. Sin embargo, se exige a los laboratorios que informen de la desviación máxima si ésta supera los 8 dB. En lugar de utilizar el eje de la derecha invertido, como en el ne, el índice se obtiene mediante el nivel de la curva de referencia a 500 Hz. El nivel de presión sonora de impacto ponderado normalizado aumenta a medida que lo hace la protección que aporta el suelo.

AISLAMIENTO ACUSTICO DE UNA PARTlCION SIMPLE Una partición simple es aquella que tiene sus dos caras exteriores rígidamente conectadas, de manera que se mueven como si fueran una. Este tipo de partición incluye todos los paneles homogéneos sólidos (como escayola, contrachapado, cristal, hormigón sólido y bloques de hormigón). Una construcción tipo «sandwich» puede actuar como una partición simple si su interior es rígido. La pérdida por transmisión del sonido de un panel simple depende sobre todo de su masa por unidad de área, su rigidez y el amortiguamiento intrínseco en el material o en los bordes del panel.

Ley de masa

La ley de masa es una expresión semiempírica que puede utilizarse para predecir la pérdida por transmisión de particiones delgadas, homogéneas, simples. La ley de masa se escribe simbólicamente como TL dondeTL m

f

= = =

=

20 10giO (mf) - 48

dB

(31.10)

dB

(31.1b)

pérdida por transmisión, dB masa de la superficie, kglm 2 frecuencia. Hz

En el sistema de unidades habitual en EE.UU. TL donde m

=

=

20 10giO (mf) - 34

masa por unidad de área. Ib/ft 2

Se espera un aumento en la pérdida por transmisión al aumentar la masa, ya que cuanto más pesada es la partición. menos vibra en respuesta a las ondas sonoras y. por tanto. menos energía sonora irradia hacia el otro lado. La ley de masa se aplica a paneles delgados de los materiales de construcción más frecuentes, a frecuencias por debajo de la frecuencia de coincidencia, lo cual se comenta en la siguiente sección. La ley de masa predice que la pérdida por transmisión aumentará en 6 dB por cada duplicación de la masa de la superficie o la frecuencia. Puede lograrse un aumento de la masa aumentando el grosor del material o seleccionando materiales más densos. La Tabla 3.1 incluye datos de masa superficial para particiones de va-

31.7

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

TABLA 31.1. Masa superficial para 1 mm de grosor y constante A (para el cálculo de la frecuencia crítica fe) de algunos materiales de edificación habituales

Material Aluminio Hormigón en masa Bloque de hormigón hueco Madera de abeto Vidrio Plomo Plexiglás o Lucite Acero Escayola Contrachapado

Masa superficial por mm de grosor

Constante A, HZ'mm

2,7 2,3 1,1 0,55 2,5 11,0 1,15 7,7 0,8 0,6

12.900 18.700 20.900 8.900 15.200 55.000 30.800 12.700 39.000 21.700

rios materiales con 1 mm de espesor. En la Figura 31.3 se presentan algunos ejemplos de comportamiento de la ley de masa para diversos materiales.

Rigidez y efecto de coincidencia

Por lo general, hay un rango de frecuencias en que la pérdida por transmisión de una partición está controlada por su rigidez y amortiguamiento. El efecto es más pronunciado a la frecuencia crítica, en que la longitud de onda de las ondas libremente flexionadas en el panel coincide con la longitud de onda del sonido incidente. La pérdida media por transmisión muestra una bajada por efecto de coincidencia característica a frecuencias que van desde las inmediatamente inferiores a la frecuencia crítica hasta una octava o más por encima de ésta. La forma de la bajada de coincidencia se determina por un panel de homogeneidad, a partir de las pérdidas de energía sonora en el material y la transferencia de energía a la estructura de apoyo. Cuanto mayores son estas pérdidas, menos profunda y más ancha es la bajada de coincidencia y menor es su efecto sobre la clase transmisión del sonido (STC). La frecuencia crítica a que se produce esta bajada depende de la rigidez y el grosor del material: cuanto más rígida o gruesa sea la capa del material, más baja será la frecuencia. Las dos curvas de la Figura 31.3, para escayola y contrachapado lambos de aproximadamente 10 kglm 2 (2 Ib/ft 2 )], tienen pérdidas por transmisión muy similares a frecuencias bajas, que aumentan gradualmente de acuerdo con la ley de masa. La bajada del contrachapado se produce a una frecuencia inferior que la de la escayola porque el contrachapado es más rígido. Aunque pesan lo mismo, el contrachapado posee una clase de transmisión del sonido (STC) inferior debido a esta bajada por efecto de coincidencia. La frecuencia de coincidencia para los materiales de edificación que aparecen en la Tabla 31.1 puede calcularse dividiendo el valor de la constante A entre el grosor del material en milímetros. Por ejemplo,_el hormigón posee A = 18.700, de ma-

31.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80

~--------------------------~

70 al

~ 60 c:: -o

:§E 50
c:: ~ 40

oo. 30 '" 'E "C oQ>

20

Q.

Contrachapado

10 125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.3. Curvas de transmisión del sonido que muestran el efecto de coincidencia para tres materiales comunes. El resultado para 100 mm (4 in) de hormigón (círculos negros) muestra una bajada de coincidencia próxima a los 200 Hz; la predicción correspondiente de la ley de masa aparece en la línea de puntos superior. Para 16 mm (5/8 in) de contrachapado (curva a trazos), la bajada se produce a 1600 Hz, y para un tablero de escayola de 13 mm ('/2 in) (línea continua) se produce a 3150 Hz.

nera que una capa de hormigón de 100 mm (4 in) de grosor tiene una frecuencia de coincidencia próxima a 187 Hz. Las particiones mixtas de hormigón y contrachapado se ven muy afectadas por el efecto de coincidencia, debido a que la frecuencia crítica del conjunto está dentro del rango de frecuencias importante para la acústica de edificios (80 a 4000 Hz). Para un panel flexible, como una plancha delgada de metal, la bajada de coincidencia se produce a una frecuencia muy alta; no hay reducción en la pérdida por transmisión (TL) en el rango de 80 a 4000 Hz. Los materiales «fláccidos», como láminas delgadas de plástico o plomo, tampoco muestran bajada por efecto de coincidencia en este rango. Dos capas de material pegadas juntas firmemente se comportan como una capa gruesa, con un descenso asociado de la frecuencia de coincidencia. Si las dos capas se unen de manera más holgada (con tornillos, por ejemplo) las superficies se pueden deslizar durante los movimientos de flexión. La bajada de coincidencia no cambia y el rozamiento entre capas puede aumentar las pérdidas de energía, dando lugar a una pérdida por transmisión más alta próxima a la coincidencia (Figura 31.4). Por ello, no hay razón acústica que exija que las capas de escayola o de otros materiales estén fuertemente pegadas, a menos que el adhesivo utilizado añada amortiguamiento a la pared. De la misma manera, dos láminas de cristal con plástico laminado entre ellas pueden aportar mayor STC que un único cristal del mismo grosor (véase «Ventanas de aislamiento acústico», más adelante). El uso de paneles ondulados, añadir nervaduras, viguetas, travesaños o algún otro elemento aumenta la rigidez en una determinada dirección. Esto introduce ba-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.9

40r--------------------------, Dos capas atornilladas ~

Dos capas

, , ....

pegadaS~

....-

Capa única

10

~~~~~~~~~~~~~~

125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.4. Pérdida por transmisión en función de las conexiones entre capas múltiples. la curva continua es el resultado de dos capas de 13 mm ('/2 in) de tableros de escayola pegadas (STC 31). la curva a trazos es el resultado de las capas atornilladas (STC 31). Como referencia, se incluye la pérdida por transmisión para una capa simple del mismo material (STC 28).

jadas de coincidencia adicionales. La Figura 31.5 muestra un ejemplo con paneles de acero. La rigidez adicional y el peso pueden tener beneficios estructurales, pero también hay una contrapartida acústica.

PARTICIONES DOBLES; PAREDES HUECAS Una sola capa de hormigón de 150 mm (6 in) de grosor tiene un STC de aproximadamente 55 y un peso de 345 kglm 2 (70 lb/ft 2 ). Los elementos de partición de este peso están próximos al límite práctico en una construcción normal. Si es precisa una clase de transmisión del sonido más alta o si se requiere una construcción de menos peso, que suele ser más barata, es necesario el uso de paredes huecas (dobles o múltiples). La transmisión del sonido depende del acoplamiento mecánico (si lo hay) entre las particiones individuales. sus masas. la profundidad de la cámara de aire y el material absorbente del sonido (si lo hay). A continuación se comenta la influencia de estos factores.

Profundidad de la cámara de aire y resonancia masa-aire-masa

En general, cuanto mayor es el espacio entre las dos particiones en una pared doble. mayor es la pérdida por transmisión. Sin embargo. el aire atrapado en el espacio entre las paredes actúa como un muelle. transfiriendo energía vibratoria de un panel

31.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

45,---------------------------, 40 al 'O

¿ 35

'0

:iEi!

30

f/l

e ~ 25

oc. 20 ca

'O

'E

'Q)

15

a..

10 5

:

Ondulada

LL...l..-L-L--'-...l..-L-L-L...l..-L-L-L...l..-L-L--'---'-J.....J

125

250 500 1000 2000 Frecuencia, herzios

4000

FIGURA 31.5.

Pérdida por transmisión de una lámina de metal. la curva continua muestra los resultados obtenidos para acero plano de calibre 24 (STC 25). la curva a trazos corresponde a paneles de acero ondulados del mismo material (STC 22).

al otro. Esta interacción entre los paneles produce una bajada en la curva de pérdida por transmisión y, a menudo, una reducción en la clase de transmisión del sonido, como ilustra la Figura 31.6. que muestra el efecto de un espacio de aire de 6 mm (1/4 in) entre dos cristales en una ventana sellada. Esta bajada se denomina resonancia masa-aire-masa, debido a que su frecuencia depende fundamentalmente de la masa de los dos paneles y del espacio de aire entre ellos. Cuanto mayor es el espacio o más pesados los materiales, menor es la frecuencia a la que se produce la resonancia. Añadir material absorbente del sonido a la cámara de aire también reduce la frecuencia de resonancia y mejora el aislamiento acústico. La Figura 31.7 muestra la pérdida por transmisión para la misma construcción con y sin material absorbente del sonido en la cámara de aire. El descenso de la frecuencia de resonancia masaaire-masa con la absorción añadida da como resultado una mejora en la clase de transmisión del sonido. La pérdida por transmisión se reduce alrededor de la resonancia masa-airemasa con respecto a la esperada a partir de la ley de masa. Muchos diseños de particiones comunes se resienten al tener la resonancia masa-aire-masa en el rango de frecuencia de las fuentes de ruido de baja frecuencia más habituales. Las deficiencias resultantes en su pérdida por transmisión de baja frecuencia se hacen patentes cuando suena un sistema de sonido estereofónico en la habitación adyacente; la línea de la melodía es vagamente audible, pero la línea del bajo late a través de la pared. La frecuencia de resonancia masa-aire-masa,fmam, puede calcularse a partir de: (31.2)

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.11

50

~:~~;:>,...-\,'

45 al

~ 40 e -o

:!i!

E

35

Ul

e

... 30 ~

o a. 25

!

~----'r\-/

CQ

"O

'E

-G)

20

Q..

15 10

.": '"

\

" 125

\", Cristal único

Cámara de aire de6mm 250

500

1000 2000

4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.6. Influencia de la cámara de aire sobre la pérdida por transmisión de los sistemas de ventanas. La curva continua es la pérdida por transmisión para cristal doble de 3 mm (1/a in) con una cámara de aire de 6 mm (1/4 in) (STC 28). La curva de puntos corresponde al mismo cristal con una cámara de aire de 19 mm (3/4 in) (STC 32). Como referencia. se presenta la pérdida por transmisión del sonido para un cristal único de 3 mm (1/a in) (STC 29).

donde

/mam = frecuencia de resonancia masa-aire-masa, Hz masa de la superficie de la primera capa, kglm 2 m2 = masa de la superficie de la segunda capa, kglm 2 d = su separación, mm K = 60 para una cámara vacía, 43 para una cámara rellena de material absorbente del sonido mI =

La mejora en la pérdida por transmisión debida a la construcción de paredes dobles comienza aproximadamente una octava por encima de la/mamo Para maximizar la mejora debida a la cámara de aire, la frecuencia de resonancia masa-aire-masa debe ser tan baja como sea posible. Como directriz general, diseñar para una resonancia masa-aire-masa de 63 Hz significa que la presencia de la cámara mejora la pérdida por transmisión desde 125 Hz hacia arriba, asegurando por tanto un aumento del índice STC.

Uso de material absorbente del sonido en la cámara de aire

Una forma habitual de mejorar el aislamiento acústico de paredes y suelos es añadir material absorbente del sonido a la cámara de aire. Los materiales fibrosos empleados para el aislamiento térmico, como fibra de celulosa, fibra de vidrio y lana mineral, son adecuados para este propósito. Los aislantes de espuma de células cerradas, como el poliestireno, no absorben mucho sonido. La Figura 31.8 muestra los valores de pérdida por transmisión para un suelo en que se emplean distintos ma-

31.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80 , . . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , Bloque de hormigón

70

co~ tablero. de escayola

ID "C

Y flbra\deVldrto

.g 60

.¡¡;

o'"

...........

'E

'" .,

c: ~ 50

// \ // / _ /

"C

."

"C

=o

..............

/,

;:r. . . . .... /

/ /

..' ...../ / / "..

Bloque de hormigón

40

.4; !lo

Bloque de hormigón con tablero de escayola

30 20

LL...L...L.L.....LL.J.-'--.L..IL.!....J..J...L.L.....LL.J.-'--...L..-L...L.J

63

125

250 500 1000 2000 Frecuencia. herzios

4000

FIGURA 31.7. Influencia del material absorbente sobre la pérdida por transmisión de una pared hueca. La línea continua muestra la pérdida por transmisión para una pared de bloques de hormigón de 190 mm, con un tablero de escayola adherido a un lado mediante elementos de acero ligero (barras Z) (STC 52); nótese que la resonancia masa-aire-masa está alrededor de 80 Hz. La línea de puntos corresponde a la misma construcción con una cámara detrás del tablero de escayola, rellena con fibra de vidrio (STC 59). Como referencia, se presenta el resultado del bloque de hormigón simple (STC 50).

teriales absorbentes del sonido en la cámara de aire. La densidad del material absorbente del sonido no es muy importante. Si se rellena más de dos tercios del volumen de la cámara de aire se obtiene poco aumento del STC. La Figura 31.9 muestra los efectos de las diferencias de grosor de la fibra de vidrio en la misma estructura del suelo. Además de reducir la frecuencia de resonancia masa-aire-masa (comentada anteriormente). rellenar la cámara de aire con material absorbente del sonido aumenta la pérdida por transmisión a frecuencias por encima de la frecuencia de resonancia y puede limitar los efectos negativos de las grietas alrededor de las salidas de potencia y otros escapes.

Acoplamiento mecánico

La cámara de aire ideal de una pared doble no tiene conexiones rígidas mecánicas entre sus superficies. Así se evita que el sonido se transmita directamente de un lado al otro de la pared. como ocurre con la vibración en los materiales sólidos. En vez de ello, ha de transmitirse a través del aire de la cámara (un proceso de transmisión de sonido menos efectivo, salvo para frecuencias próximas a la resonancia masa-aire-masa). En la práctica. si las uniones mecánicas son suficientemente flexibles. la transmisión a través de la estructura sólida estará atenuada. Añadir ma-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

80

31.13

r---------------,

70 al

"060 c'

-o .¡¡;

'E c"'

50

~

~ 40

.

"O

..,'E

30

a..

20 10

~~~~~~~~~~~~~~~

63

125

250

500 1000 2000 4000

Frecuencia, harzias

FIGURA 31.8. Transmisión del sonido para un suelo de viguetas de madera con distintos tipos de material fibroso absorbente del sonido. Como referencia, se muestra la pérdida por transmisión con una cámara vacía (línea continua, STC 41). Los cuatro resultados de la cámara rellena con material absorbente son parecidos, a pesar de las distintas densidades de las superficies: de puntos, fibra de celulosa, 14 kg/m 2 (2 3/4Ib!W) (STC 51); guiones y puntos, fibra mineral, 8 kg/m 2 (1 5/8Ib/fr) (STC 51); guiones cortos, fibra de vidrio, 3,5 kg/m 2 (3/4Ib/fr) (STC 51); guiones largos, fibra mineral, 16 kg/m 2 (STC 50).

terial absorbente a la cámara es beneficioso sólo si las conexiones estructurales entre las superficies no transmiten mucha energía vibratoria. La Figura 31.10 compara la pérdida por transmisión de una pared doble convencional con tirantes de madera; en uno de los casos expuestos las capas de escayola se encuentran sobre el mismo lado de los tablones, eliminando el espacio de aire. Debido a la eficiente transmisión de la vibración a través de los tirantes, la cámara de aire entre las dos capas de escayola aporta poca mejora. A frecuencias bajas, la cámara de aire aporta en realidad una pérdida por transmisión más baja, debido a la resonancia masa-aire-masa. Si se añade fibra de vidrio aumenta el STC, pero sólo aproximadamente 3 puntos, porque la vía dominante de transmisión de la vibración a través de los tirantes no está afectada.

DISEÑOS ESPECIFICaS DE PAREDES Es relativamente frecuente que se informe de que dos construcciones aparentemente idénticas poseen valores de pérdida por transmisión y de clase de transmisión del sonido (STC) bastante distintos. Las razones de tales discrepancias incluyen variaciones en detalles de construcción, materiales distintos, diferencias inherentes entre laboratorios de ensayo y falta de control de calidad de las construcciones de campo. Los siguientes datos son representativos del rendimiento típico de las construccio-

31.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80 . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,

70

I

al "'O

¿

,':... I ;:/ '-~/

60

-o "¡¡;

"E

'"c:

:;---

1

50

I

"'-- '..-/ /

'r -

/1

~

,1

., 40

1, 1

"'O

ca

__ ~1 1

"'O

..,'E

I

30

o..

20 10

~~~~_L~_L~~LL~~~_L~

63

125

250

500

1000 2000 4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.9. Transmisión del sonido para un suelo de viguetas de madera con material absorbente del sonido de fibra de vidrio de distintos grosores. Como referencia, la curva continua muestra la pérdida por transmisión con una cámara vacía (STC 41). los resultados con absorción en la cámara muestran un ligero incremento al aumentar el grosor: guiones largos, 90 mm (3 1/2 in) (STC 49); puntos, 180 mm (STC 50); guiones cortos, 235 mm (9 1/4 in) (STC 52).

nes más habituales; han sido elegidos para destacar aspectos fundamentales y tendencias y evitar equivocaciones importantes, por lo que es posible obtener aislamientos mejores y peores para cualquiera de los ejemplos presentados. En las tablas que siguen se presenta una pequeña selección de estos ejemplos tipo. En las referencias al final del capítulo pueden encontrarse colecciones completas de datos de ensayos.

Particiones de escayola y tirantes

El aislamiento acústico de una pared construida con un tablero de escayola puede aumentarse reduciendo las uniones mecánicas entre las capas de la partición. Entre estos métodos constructivos destacan: (1) tirantes de madera al tresbolillo, (2) hileras separadas de tirantes de madera o acero y (3) una sola fila de tirantes con acanaladuras de metal flexibles. Los tirantes de acero que no soportan carga (habitualmente fabricados en láminas de acero de calibre 24) suelen ser suficientemente flexibles como para que la vibración transmitida entre las capas de escayola de ambos lados sea insignificante. Para los tirantes de acero que soportan carga, pueden obtenerse buenos resultados añadiendo acanaladuras flexibles como las que ilustra la Figura 31.1l. La Tabla 31.2 presenta los valores aproximados de clase de transmisión del sonido (STC) para algunas paredes construidas con tirantes y escayola. Hay que esperar algunas desviaciones de los valores listados debido a las variaciones en el tipo

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.15

~r---------------------------~

/--

Fibra de vidrio en la Cámara~

!g

50

/ /

~:~30

~ ,,""'-\ /' ,/",

/1

~

/

\ Ambas al mismo lado de los tirantes

1/"""'"

t/

"'>~:~

.../'

/'-/

~

"'\

Tirantes de madera en medio

/i

10WLLL~LL~~~~~~~~~~~

125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia. herzios

FIGURA 31.10 Una pared con tirantes de madera de 90 mm entre dos capas de 13 mm de tableros de escayola (curva de puntos) aporta sólo una pérdida por transmisión ligeramente superior (STC 35) que una pared con ambas capas de escayola sobre el mismo lado de los tirantes (curva continua) (STC 33). Rellenar la cavidad con material absorbente del sonido de fibra de vidrio (curva de guiones) (STC 37) aumenta la pérdida por transmisión, pero la transmisión de la vibración a través de los tirantes limita su efecto.

pared (p. ej., a prueba de fuego, normalizada), uniones, tipo y grosor del material absorbente y rigidez de los tirantes de acero o los canales flexibles. Otras construcciones con conexiones estructurales y grosor de cámara de aire parecidos ofrecen valores similares de pérdida por transmisión. Los valores mostrados se refieren a tableros de escayola de 13 mm (112 in), Para paredes más gruesas o más delgadas de construcción similar, el cambio en la transmisión del sonido puede calcularse a partir de: Cambio de STC == 20 log (grosor total de escayola/grosor de la plancha) Por ejemplo, si se utilizan cuatro capas de 16 mm (51R in) de escayola en vez de cuatro capas de 13 mm (1/4 in) debe dar como resultado un aumento de STC de aproximadamente 20 log (64/52) == 2. Si se emplea una capa doble de escayola, las juntas de las dos capas han de estar colocadas al tresbolillo. Es esencial sellar las juntas con una material acústico no resistente, sobre todo en la base de la pared. (Véase Capítulo 33.)

Paredes de bloques de hormigón

Los bloques de hormigón se fabrican en una amplia gama de grosores y pesos. Las paredes de bloques de hormigón no producen valores de pérdida por transmisión

31.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

]

]

]

t-~

~

-~-l

1 .}

1

- - - - - IX IX X - - - - - IX

...

] x =

x

X

IX

...

X

IX...

] X

X

=

= x

X

FIGURA 31.11. Construcciones para reducir la transmisión de la vibración entre las superficies (desacoplamiento) en una pared hueca (la efectividad aumenta de arriba abajo): tirantes ligeros de acero, tirantes de madera con canales de metal flexibles en uno o ambos lados, tirantes de madera al tresbolillo, tirantes de acero con canales de metal flexibles y tirantes dobles de madera.

tan altos como los predichos por la ley de masa para su peso, debido a su espesor y rigidez. La transmisión a través del material poroso del bloque puede reducir aún más el aislamiento acústico previsto de una pared de bloques sin tratamiento. Para

31.17

AISLAMIENTO DEl SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

TABLA 31.2. Valores aproximados de clase de transmisión del sonido (STC) para paredes con 13 mm de escayola sobre ambos lados

Capas de escayola (lado lJIado 2) Sin cámara de Con cámara de absorción absorción Estructura Tirantes de madera de 38 por 89 mm Tirantes de acero de calibre 24 de 65 mm Tirantes de acero de calibre 24 de 90 mm Tirantes de madera de 38 por 89 mm con canales flexibles de acero sobre un lado Tirantes de madera de 38 por 89 mm al tresbolillo Tirantes de acero que soportan carga, de 150 mm, con canales flexibles de acero sobre un lado Tirantes de madera dobles de 38 por 89 mm con un espacio de 25 mm entre ellos

(111) (112) (212) (111) (1/2) (212) 43 46 50 52

51 52

33 36 39

44

41

40

44

41 45

47

46

45

36

44

44

45 48

48 49 52

46 52 56 56

52 56

50 56

53 58

55 61

57

57

60

63

lograr el máximo rendimiento de este tipo de construcciones o de mampostería que no está cubierta de escayola, todas las juntas han de estar bien acabadas y la pared sellada por un lado mediante masilla, sellador de bloques, pintura aglutinante o pintura epoxy. También resulta efectivo añadir una capa de escayola, como se describe a continuación. Cuanto más poroso es el bloque, más sonido se perderá a través de la estructura del bloque y mayor será la mejora lograda por el sellado. Las propiedades físicas de los bloques de hormigón pueden variar significativamente de un fabricante a otro. Sin embargo, la Tabla 31.3 muestra valores STC representativos de las típicas paredes de bloques únicos blancos que han sido sellados correctamente. Supeñicies de escayola en paredes de bloques de hormigón

Un método frecuente para mejorar el aislamiento acústico de una pared de bloques de hormigón ya existente es añadir capas de escayola sobre uno o ambos lados de la misma. Esta técnica puede aumentar la clase de transmisión del sonido (STC) del sistema de pared, pero también puede reducir los valores de la pérdida por transmisión (TL) en el campo cercano a la resonancia masa-aire-masa. La Figura 31.12 muestra los valores obtenidos para una pared de bloques de hormigón con capas de escayola; se observa que el STC es más alto que el del muro sin acabado, pero por debajo de 125 Hz la pérdida por transmisión se ha reducido debido a la resonancia masa-aire-masa. Regla empírica: Se elige la combinación de espesor de la cámara de aire, masa superficial y material absorbente del sonido de manera que la resonancia masa-airemasa sea aproximadamente 63 Hz. La Tabla 31.4 muestra los valores recomendados de cámara de aire correspondientes a capas únicas y dobles de escayola. El es-

31.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 31.3. Valores STC para paredes de bloques normales y ligeros selladas al menos por un lado

Grosor nominal, mm

Peso ligero

PesonormaI

kglbloque

STC' 43

10

44

44

200

7 10 13

250

15

300

18

15 17 21 25

46 48 49 51

90

150

45 47 48

kglbloque

STC

• STC = Clase de transmisión del sonido.

pe sor debe ser incluso mayor para aplicaciones en que el ruido de baja frecuencia es especialmente importante, como para las paredes de salas de maquinaria. La Tabla 31.5 presenta los valores de clase de transmisión del sonido (STC) para paredes de bloques de peso normal de 190 mm (7 112 in) con una variedad de superficies de acabado. Si se utilizan bloques más gruesos o más delgados que los de 190 mm (7 112 in) se modifican los valores STC presentados en la tabla. Los índices STC para construcciones parecidas a las de la Tabla 31.5, pero con bloques más gruesos o más delgados, pueden estimarse aproximadamente de la siguiente manera: (1) se determina la diferencia entre el STC listado en la tabla para la construcción particular y el del bloque desnudo de 190 mm (7 112 in), que es un valor de 50; (2) se añade esta diferencia al STC para el bloque más grueso o más delgado.

Paredes dobles de mampostería

Las paredes dobles de mampostería pueden, en principio, ofrecer un aislamiento acústico muy alto. Parecen ideales: dos particiones independientes pesadas separadas por una cámara de aire. La mejora respecto a una pared sencilla con el mismo peso total debe ser considerable. En contra de esto, hay que sopesar las dificultades prácticas asociadas con la construcción de dos particiones que no están conectadas sólidamente. El sonido puede transmitirse a través de los tirantes, cuya instalación es necesaria por razones estructurales. Además, siempre existe cierta transmisión de energía a través del suelo y el techo, a través de las paredes que sirven de cerramiento exterior de la cámara de aire y a través de otras partes de la estructura. Es necesario instalar juntas físicas en el suelo, techo y cerramientos laterales para reducir la transmisión a través de estas vías. Aunque se incluyan estos elementos en el diseño, los goteos de mortero o algún otro error de ejecución pueden servir de puente sobre la cámara de aire y aumentar la transmisión del sonido. La Figura 31.13 muestra la pérdida por transmisión del sonido que resulta de una pared compuesta por dos paredes de bloques de hormigón de 90 mm (3 112 in) con una cámara de aire de 90 mm (3 112 in) entre ellas, parcialmente rellena de fibra de vidrio; las paredes están bien aisladas. También se muestran los resultados para un muro con las mismas paredes de bloques de hor-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

90

r-------------------, Bloques con canales de acero de 50 mm, aislamiento y tablero de escayola

80

!g

31.19

,

70

/

c'

-o

:!1i 60

/

E

'"e ~ .,

I

I

50

I

_----

~ Bloques de

hormigón

"O

'" 40

"O

~

if

Bloques con cubierta de madera de 40 mm y tablero de escayola

30

20

63

125

250

500

1000

2000 4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.12.

Paredes de bloques de hormigón con superficies de escayola. La línea continua muestra la pérdida por transmisión para una pared de bloques de hormigón de 190 mm con tableros de escayola de 16 mm colocados sobre ambos lados mediante correas de madera de 40 mm (STC 54). La línea a trazos corresponde a una construcción parecida con canales de acero ligero de 50 mm y con la cámara entre el tablero de escayola y los bloques rellena con fibra de vidrio (STC 64). Como referencia, se presenta el resultado para los bloques de hormigón simples (STC 50).

migón. pero con espuma de estiroleno en lugar de fibra de vidrio y con restos de mortero que reducen el aislamiento esperado entre ambas paredes. Los defectos interiores de construcción dan como resultado una pérdida por transmisión muy inferior. Estos últimos resultados son más representativos del rendimiento real de este tipo de particiones en los edificios habituales. Estos errores suelen estar ocultos y son imposibles de corregir una vez que la pared está terminada. Si se especifica que la cámara de aire debe tener de 25 a 50 mm de anchura rellena con aislante flexible. como fibra de vidrio. se reduce el riesgo de que los desechos sirvan de puente en la cámara. Sin embargo. la mampostería simple con superficies de escayola es una alternativa más práctica. ya que es más fácil asegurarse de que la escayola está montada correctamente y remediar cualquier problema.

Hormigón en masa

Las paredes y los suelos de hormigón en masa. con los espesores habitualmente empleados en la edificación. poseen una transmisión del sonido inferior a la predicha por la ley de masa [Ecuación (31.1)]. La Figura 31.14 presenta las curvas típicas de pérdida por transmisión y los valores de clase de transmisión del sonido para algunos espesores frecuentes.

31.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 31.4. Espesores mínimos recomendados para las cámaras de aire, en mm, al añadir capas de escayola a los bloques de hormigón Número de capas de escayola de 13 mm

Sin material absorbente del sonido Con material absorbente del sonido

Número de capas de escayola de 16 mm

1

2

1

2

90

45

30

75 55

40

65

30

Como en cualquier otra partición simple, si las superficies ligeras (como la escayola) se montan de manera flexible puede obtenerse un considerable aumento en la pérdida por transmisión. Las consideraciones respecto a las resonancias de frecuencia baja y el cambio en la pérdida por transmisión son esencialmente las mismas que cuando se montan superficies ligeras sobre paredes de bloques de hormigón.

AISLAMIENTO ACUSTICO DE PUERTAS El aislamiento acústico aportado por una puerta depende no sólo del tipo de la misma, sino también de los detalles de aislamiento (incluyendo su marco y las juntas alrededor del perímetro).

Puertas simples

La Tabla 31.6 presenta los valores de clase de transmisión del sonido (STC) para algunos tipos convencionales de puertas de interior. La primera columna de los datos STC indica la reducción del ruido mediante puertas con holgura entre los bordes y el marco [aproximadamente 6 mm (1/4 in) en total para la parte superior e inferior y 3 mm (1/8 in) en total para los lados]. El STC sería inferior con holguras más grandes. A menos que se reduzcan los escapes alrededor de la puerta, el STC efectivo no será muy superior a 20, sea cual sea la mejora de los paneles de la puerta. La curva continua de la Figura 31.15 muestra la pérdida por transmisión para una puerta típica de madera de núcleo sólido sin sellar. Aumentar el peso de esta puerta no aumentaría sustancialmente su STC debido a los escapes de sonido a través de las aberturas alrededor del perímetro de la puerta. La curva a trazos de la Figura 31.15 muestra la mejora del aislamiento al añadir juntas de espuma alrededor del perímetro de la puerta. La línea de puntos presenta el resultado obtenido con sellados magnéticos más pesados y más efectivos (acompañados de una banda de acero pegada a la cara de la puerta). La bajada de coincidencia próxima a los 1000 Hz es debida a la rigidez del panel sólido de madera. Los datos de pérdida por transmisión para la mayoría de las puertas se parecen a los de la línea a trazos. Las puertas convencionales de metal hueco también se comportan como las puertas de madera de núcleo sólido, aunque su bajada de coincidencia no suele ser tan aguda.

31.21

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

TABLA 31.5. Valores de la clase de transmisión del sonido (STC) para paredes de bloques de peso normal de 190 mm con distintos métodos de montaje de escayola de 16 mm, con y sin fibra de vidrio rellenando las cámaras

Sin fibra de vidrio Cubierta de escayola

Un lado

Bloques sin revestir Aplicada directamente Cubierta de madera de 40 mm Canales flexibles de 13 mm Cubierta flexible de 50 mm Tirantes de acero de 65 mm Cubierta flexible de 75 mm

50 50 53 51

52 58 57

Con fibra de vidrio

Ambos lados

Un lado

Ambos lados

49 54 49 52 57

55 54 59

59 49 64

60

72

61

Los valores de STC dentro del rango de 25 a 30 son típicos de puertas convencionales de acero o madera maciza con sellados instalados adecuadamente. Los valores típicos de clase de transmisión del sonido (STC) para puertas con buenos sellos acústicos aparecen en la última columna de la Tabla 31.6. Las juntas de caucho o neopreno comprimidas entre la puerta y el marco son muy eficaces, pero pueden aumentar el esfuerzo necesario para cerrar la puerta. Los sellos magnéticos (como los empleados en las puertas de los refrigeradores) funcionan bien con puertas de metal. Como prueba, la junta debe estar lo suficientemente ajustada como para que sea necesario un gran esfuerzo para insertar una tarjeta rígida de plástico entre la junta y la puerta. El marco de la puerta ha de ajustarse en la pared de tal manera que se eviten grietas o cavidades huecas que actúen como vías de escape del sonido.

Puertas simples especiales Las puertas simples especialmente diseñadas para aislamiento acústico pueden lograr unos valores de clase de transmisión del sonido (STC) de 35 o superiores, si los sellos acústicos son adecuados. Muchos fabricantes producen puertas «acústicas» con valores STC desde 35 hasta por encima de 50. Los valores de aislamiento del sonido para productos específicos aparecen en la información del fabricante y publicaciones como Sweet's Catalogo Debido a que los métodos de ensayo han evolucionado significativamente, hay que desconfiar de los valores de los productos que tengan más de 10 años. La instalación tiene una importancia crítica en el logro de un buen aislamiento. En la práctica, el rendimiento previsto no se alcanzará a menos que las juntas estén adecuadamente ajustadas y el marco de la puerta esté bien colocado en la pared, evitando grietas o huecos que transmitirían el sonido. Hay que seguir rigurosamente las recomendaciones del fabricante acerca de la instalación. Para mantener el rendimiento acústico de estas puertas, es preciso reemplazar periódicamente o readaptar los sellos.

31.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

90

r-----------------------------, Aislamiento de fibra

80

., 1:1

Aislamiento de espuma de estiroleno y conexión debida a restos de mortero

/

I

I

40

63

125

250 500 1000 2000 Frecuencia, herzios

4000

FIGURA 31.13. Pérdida por transmisión para una pared doble de bloques de hormigón de 90 mm. la curva continua corresponde al caso de 65 mm de fibra de vidrio como aislante, pero sin conexión sólida a través de una cámara de 90 mm (STC 77). la curva a trazos es el resultado de las mismas capas de bloques, pero con espuma de estiroleno en la cámara y restos de mortero que permiten la transferencia de vibración entre los dos paneles (STC 62).

Mejora de puertas existentes

El aislamiento acústico de una puerta existente puede mejorarse aumentando su peso. En una puerta ligera de madera de núcleo hueco, si se retira una de las caras y se rellena la cavidad con planchas de escayola unidas al reverso de la otra cara puede obtenerse un rendimiento comparable al de una puerta de madera de núcleo macizo. También puede ser efectivo pegar una capa dura sobre la superficie de la puerta; las láminas de metal tienen la ventaja de su alta densidad y del uso de juntas magnéticas. Unos buenos sellos en el perímetro (comentados anteriormente) son esenciales para lograr valores de clase de transmisión del sonido (STC) por encima de 20. Los valores STC por encima de 35 no son factibles sin un control efectivo de la transmisión de la vibración entre las superficies de la puerta; para alcanzar estos valores se precisa una puerta «acústica» adecuadamente instalada o puertas dobles. como se comenta a continuación.

Puertas dobles

Añadir una segunda puerta, con un espacio de aire entre ambas, es la alternativa más barata y más efectiva acústicamente en situaciones en que no interfieren con el acceso. Estas se usan frecuentemente como puertas de comunicación entre habitaciones adyacentes de hoteles y se utilizan habitualmente entre el pasillo y las habitaciones en los hoteles europeos. La Tabla 31.6 muestra los valores STC típicos.

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.23

80,----------------------------,

70 200 mm

ce 'O

.g 60

./r/'

./

-¡¡;

./

"E

'"e~

./

~

100mmx

50

o

-

c.

../

~ 40

-.,~

50 mm

Q..

30

63

125

250 500 1000 2000 4000 Frecuencia. herzios

FIGURA 31.14. Pérdida por transmisión para planchas de hormigón en masa. Los resultados corresponden a 50 mm de hormigón (STC 43), 100 mm de hormigón (STC 52) y 200 mm de hormigón (STC 58).

Si se añade absorción acústica entre las puertas [una capa de 25 mm (1 in) en uno o los dos lados de las puertas que dan al espacio intermedio] pueden obtenerse valores STC iguales o superiores a 45. Con tratamiento de absorción del sonido en el espacio interior, las puertas de comunicación son menos sensibles a las imperfecciones en los sellos del perímetro que las puertas únicas «acústicas».

Cierres inferiores automáticos

Puede usarse una puerta con cierre inferior automático, a veces denominado cierre automático de umbralo sello inferior, para controlar los escapes de sonido bajo la puerta. Los hay de dos tipos: los que tienen un mecanismo en el interior de la puerta (como la que muestra la Figura 31.16) y los que pueden conectarse a la superficie exterior de la puerta. Estos se utilizan cuando no es aceptable el mismo tipo de sello de los lados o la parte superior del marco de la puerta porque sobresaldría por encima del nivel del suelo, constituyendo un peligro. Salvo que estén cuidadosamente ajustados, los cierres automáticos no aportan un rendimiento tan bueno como las juntas comprimidas o los sellos magnéticos. Es esencial que exista un suelo duro plano para que un cierre automático de puerta sea efectivo; el sello tiene que presionar firmemente contra esta superficie cuando la puerta se cierra y adherirse bien al borde inferior y a las juntas laterales de la misma. El rendimiento de estos sellos se deteriora significativamente salvo que sean cuidadosamente mantenidos. Una solución alternativa es usar una banda de caucho en el borde inferior de la puerta, pero por lo general no constituye un buen sello y produce desgaste en la alfombra.

31.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 31.6. Aislamiento acústico de puertas convencionales y puertas (dobles) de comunicación

Masa superficial, Tipo de puerta

STC (sin sellar)

STC (bien selladas)

kglm2

Madera con núcleo hueco

7

17

20

Madera con núcleo macizo

20

20

28

Acero con núcleo hueco (calibre 18)

25

20

30

Puertas de comunicación (2 puertas de madera de núcleo hueco, cámara de 100 mm)

7 each

22

26

Puertas de comunicación (2 puertas de madera maciza o de acero hueco, con 70 mm de cámara de aire)

20 each

28

40

Puertas de comunicación (2 puertas de madera maciza o de acero hueco, con 70 mm de cámara con absorción)

20 each

40

44

Puertas de comunicación (2 puertas de madera maciza o de acero hueco, con 230 mm de cámara con absorción)

20 each

42

50

Puertas exteriores

La construcción y aislamiento de las puertas exteriores son algo distintas de las de las puertas interiores típicas. El marco de las puertas exteriores suele incluir un umbral y las puertas suelen tener burletes plásticos o sellos de muelle metálico en los cuatro bordes. Aunque el burlete no está diseñado específicamente como sello acústico, reduce el escape de sonido alrededor de la puerta. La Tabla 31.7 presenta los datos típicos para puertas exteriores; debido a la variabilidad de los sellos, el rendimiento real de algunas puertas concretas puede ser significativamente peor. (Estos datos no incluyen puertas especiales con valores altos de aislamiento fabricadas por compañías especializadas en puertas «acústicas»; los valores para productos específicos aparecen en la información del fabricante y publicaciones como Sweet's Catalog). Si se añade una contrapuerta ligera [habitualmente con una ventana de dos secciones con cristal único y un área de aproximadamente 1 m2 (10 ft 2 )] a una puerta exterior aumenta la clase de transmisión del sonido aproximadamente en 7. Con buenos sellos, el aumento en el rendimiento puede superar los 10 dB.

Puertas plegables, particiones correderas

La puertas plegables. en tamaños de hasta 2 m2 (21 ft2 ) se comportan esencialmente de la misma manera que las puertas normales. salvo que las juntas entre los segmentos pueden actuar como una vía extra de escape. Una partición corredera es

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.25

40 ,---------------------------------,

35

Sellos magnéticos \

al 'O

,,',"'--:--=-~-~,,_

.g 30

'iii

'E "' ~

Sellos de

"

25

oc.

,..

.'

~ 20

/

~

.., n.

"

,'"

, I "1

-

I

....

-

espum~,/

X

I r , '--"

'-/

/

I

Sin sellar

15

63

125

250 500 1000 2000 Frecuencia, herzios

4000

FIGURA 31.15. Pérdida por transmisión para una puerta de madera de núcleo macizo. La curva continua corresponde a aberturas normales sin juntas (STC 22). La curva a trazos corresponde al resultado con sellos de espuma (STC 26). La curva de puntos corresponde a juntas magnéticas ajustadas adecuadamente (STC 30).

esencialmente una gran puerta plegable que subdivide un gran espacio. Las particiones comercializadas de este tipo tienen valores de clase de transmisión del sonido (STC) en un rango entre 20 y 50. Es difícil sellar una partición corredera porque los suelos y los techos rara vez son planos y paralelos a lo largo de las distancias cubiertas. Así, los sellos encima y debajo de la partición deben acomodarse a variaciones de varios centímetros, cuando los esfuerzos aplicados a la tarea de abrir y cerrar la partición son razonables. El rendimiento mecánico y la durabilidad son consideraciones importantes en estos casos. En particiones que tienen raíles sobre el suelo, éstos pueden llenarse de suciedad, haciendo difícil que las particiones funcionen. Otro problema adicional es la vía de transmisión del sonido entre el borde superior de la partición o su marco de apoyo y el techo adyacente l9 . Dado que la clase de transmisión del sonido de una partición corredera depende fundamentalmente de los detalles de su instalación, es muy importante verificar que se logra el valor de aislamiento acústico previsto para la instalación propuesta. A menudo, esto puede conseguirse inspeccionando el informe normalizado de prueba (que tiene que describir todos los detalles de instalación) y contrastándolo con la solución propuesta. En circunstancias en que es factible una prueba de camp03, es adecuado pedir que el fabricante o el contratista de una partición corredera garanticen su rendimiento una vez instalada. En cualquier caso, el contratista debe estar de acuerdo con que las condiciones de campo son satisfactorias antes de empezar su instalación.

31.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

Embolo automático

FIGURA 31.16. Un cierre inferior automático de puerta que contiene un émbolo móvil que es empujado hacia abajo contra el umbral cuando la puerta se cierra.

AISLAMIENTO ACUSTICO DE VENTANAS La transmisión del sonido a través de ventanas se rige por los mismos principios físicos que afectan a las paredes. Las medidas prácticas de control del ruido están influidas por las propiedades del cristal y las características de los montajes de las ventanas (incluyendo los escapes en las ventanas practicables).

Cristal único

El aislamiento acústico que aporta el cristal único aumenta al hacerlo el grosor del cristal (es decir, al aumentar la masa por unidad de área), como ilustra la Figura 31.17. La curva de pérdida por transmisión con respecto a la frecuencia se ajusta de forma razonable a la ley de masa para frecuencias medias, pero a frecuencias altas la bajada por efecto de coincidencia (véase «Rigidez y efecto de coincidencia») limita las prestaciones. Para cristal de 4 mm (3/16 in), la bajada de coincidencia está próxima a los 3000 Hz; para cristal de 12 mm (112 in), la bajada se desplaza hacia 1000 Hz (como muestra la Figura 31.17) y el cristal más grueso tiene la bajada a frecuencias aún inferiores. Este desplazamiento de la bajada de coincidencia hacia las frecuencias medias limita el aumento de la clase de transmisión del sonido (STe) al aumentar el grosor del cristal sólido. Si es preciso un valor de STC por encima de 35, un solo cristal no es una alternativa práctica. El cristal laminado (dos o más capas de cristal unidas mediante finas láminas de plástico) puede proporcionar una pérdida por transmisión más alta que el cristal sólido para frecuencias próximas a la bajada de coincidencia. Esto se ilustra en la Figura 31.17. La mejora es debida fundamentalmente al amortiguamiento (disipación de la energía vibratoria) del plástico entre las capas. El amortiguamiento depende significativamente de la temperatura; en general, el mejor rendimiento acústico se

31.27

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

TABLA 31.7.

Aislamiento acústico de puertas exteriores con burlete

Peso Tipo de puerta puertas 45 mm (1 3/4 in) de grosor Madera de núcleo hueco Madera de núcleo hueco (30 % de área acristalada con vidrio de 3 mm) Madera de núcleo macizo Puerta con cubierta de acero, núcleo de poliuretano rígido Puerta de plástico reforzado con fibra de vidrio, núcleo de poliuretano rígido

Ib/W

Clase de transmisión del sonido

7 7

1,5 1,5

20 19

17 16

3,6

3.2

26 26

12

2,4

24

logra cuando el cristal laminado se mantiene próximo a la temperatura normal de la habitación.

Cristal doble

El uso de cristales dobles o triples aumenta la pérdida por transmisión a frecuencias altas, pero la mejora global depende de la separación entre los cristales. Como muestra la Figura 31.6, la resonancia masa-aire-masa produce una bajada significativa en la pérdida por transmisión para frecuencias bajas o medias. En un cristal doble típico sellado en fábrica, la cámara de aire varía entre 6 y 18 mm (1/4 y 3/4 in); la resonancia resultante está dentro del rango de frecuencia de 400 a 150 Hz. Cerca de la frecuencia de resonancia, la pérdida por transmisión es en realidad inferior a la de una capa única del mismo cristal, ya que la cámara de aire sólo aporta un aumento en la pérdida por transmisión a frecuencias por encima de la resonancia. Al aumentar la cámara de aire y/o usar cristales más pesados, la bajada puede desplazarse fuera del rango de frecuencias de interés, consiguiendo una pérdida por transmisión mucho más alta, como muestra la Figura 31.18. La Tabla 31.8 muestra algunos valores típicos de clase de transmisión del sonido (STC) en función de la cámara de aire entre los cristales. Estos valores STC se refieren a ventanas selladas (que no pueden abrirse). Para ventanas funcionales con burletes, los valores STC típicos suelen ser inferiores. La reducción en la pérdida por transmisión tiende a ser mayor para frecuencias altas que para bajas; en general, la reducción suele ser de 3 a 5 dB para ventanas con buenos burletes. Los datos de la Tabla 31.8 muestran la tendencia general de que por cada duplicación del grosor de la cámara de aire, el STC aumenta aproximadamente en 3. Duplicar el grosor del cristal tiene un efecto parecido a duplicar el espacio de aire. Las ventanas dobles con apoyos separados tienen un rendimiento acústico parecido a las unidades de cristal doble selladas de fábrica con la misma cámara de aire. La transmisión de la energía sonora a través del marco de la ventana puede reducir significativamente la pérdida por transmisión, sobre todo en ventanas en que esta última es alta. Las ventanas con marco metálico ligero tienden a poseer valores STC más bajos que los que aparecen en la Tabla 31.8. En general, debe evitarse el

31.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~.-----------------------------.

/

al

/,

50

Laminado

/

't:>

/

¿

12mm\

-o

"iii

/

I

"E

40

oc.

30

-

'"c: ¡;

--/,--

/,

/

'"

-

~

,',

o..

20

--'

/\\--

12mm

't:>

"Q)

I

--

4mm "

125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.17. Pérdida por transmisión de un único cristal. Al aumentar el grosor, desde el cristal de 4 mm (STC 28) hasta 12 mm, aumenta la pérdida por transmisión en la mayoría de las frecuencias, pero el STC de 36 está limitado por la bajada de coincidencia alrededor de 1000 Hz. El uso de un cristal laminado de 12 mm (línea a trazos) aumenta la pérdida por transmisión próxima a la coincidencia y se obtiene un STC de 38.

uso de marcos ligeros. Si es preciso un STC muy alto, el uso de marcos separados apoyados en paredes estructuralmente independientes elimina la transmisión a través del marco. Para obtener valores de clase de transmisión del sonido fiables por encima de 45, se recomienda el uso de ventanas acústicas con marcos y montajes de cristales especialmente diseñados. Los valores para productos específicos aparecen en la información del fabricante y publicaciones como Sweet's Catalogo Cristal inclinado

El montaje no paralelo de cristales es una práctica habitual para ventanas en estudios de grabación, fundamentalmente con el fin de evitar reflexiones ópticas múltiples. Este montaje no introduce ninguna mejora sobre el aislamiento acústico. La pérdida por transmisión de ventanas con cristales inclinados es esencialmente idéntica a la de los cristales paralelos con el mismo espaciamiento medio entre paneles. Los cristales paralelos con el máximo espaciamiento que permita la partición de apoyo logran una reducción óptima del ruido.

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.29

OOr-------------------------------, Cámara de aire de 100 mm ~

50 al

\

"¿

\ \

.~ 40

!", \

/

'Een

/ /

c:

/

~ 30

/

oa. ca

Sin cámara de aire

~ 20

.:;; eL

10

125

250 500 1000 Frecuencia, herzios

2000

4000

FIGURA 31,18. Efecto del aumento de la cámara de aire sobre la pérdida por transmisión de un cristal doble de 3 mm. la cámara de aire de 6 mm (curva continua) (STC 31) aumenta la pérdida por transmisión con respecto a la ausencia de cámara de aire (STC 34) sólo muy por encima de la resonancia masa-aire-masa a 400 Hz. la curva a trazos corresponde a una cámara de aire de 100 mm (STC 42).

Cristal triple

El cristal triple proporciona esencialmente la misma reducción del ruido que el cristal doble. Por debajo de la resonancia masa-aire-masa, la pérdida por transmisión del cristal triple es más alta, de acuerdo con la predicción de la ley de masa (3 dB por 3 capas iguales de cristal), pero las pérdidas por transmisión a frecuencias altas son casi idénticas. Salvo que ambas cámaras de aire sean significativamente superiores a 25 mm (1 in), la clase de transmisión del sonido de las ventanas triples es la misma que la de las ventanas dobles del mismo grosor total.

Relleno con gas pesado

Los datos de la Tabla 31.8 corresponden a ventanas con acristalamiento doble en que la cámara entre los dos cristales está rellena de aire. Usar otros gases (como argón o SF6 ) altera significativamente las propiedades de transmisión del sonido. Algunas pruebas iniciales de estas ventanas demostraron aumentos muy grandes en la pérdida por transmisión con gas pesado. Posteriormente se demostró que este efecto pudo verse exagerado por un montaje inapropiado del elemento de ensayo; hay que utilizar con precaución los datos de los fabricantes acerca de medidas previas al desarrollo de la norma internacional para el montaje de acristalamiento para pruebas de pérdida por transmisión 20 . El efecto sobre el valor STC suele ser escaso, pero el gas pesado aporta mejoras significativas sobre el control del ruido en el rango de las frecuencias medias, como

31.30

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 31.8.

Clase de transmisión del sonido para ventanas selladas típicas

Para el cristal doble, los valores de la tabla corresponden a la cámara de aire especificada. Las ventanas funcionales con el mismo cristal suelen tener valores STC de 3 a 5 inferiores

STC típico para ventana sellada

Cristal único

Cristal doble,

Cristal doble,

Cristal doble,

3mm y3mm

6mm y6mm

6mm y L-7mm· t

.

48 46 44

42 40 38 36 34 32 30

L-20 mm t L-12 mm' 12mm L-6mm' 6mm 3mm,4mm

150mm 100 mm 70 mm 50mm 30mm 20 mm 10 mm 6mm

.

120 mm 80 mm 50mm 30 mm 20 mm 13 mm 8mm

100 mm 60 mm 40 mm 25 mm 16mm 10 mm

• Estos valores indican la anchura de la cámara de aire entre los dos cristales. t L denota cristal laminado (p. ej .•• L-6 mm- es cristal laminado de 6 mm de grosor).

muestra la Figura 31.19. La combinación de aislamiento térmico y una mejora en el aislamiento de las fuentes de ruidos exteriores, como el tráfico de autopista, puede justificar el uso de estas ventanas.

SUELOS Aislamiento del suelo contra el sonido transmitido por el aire

Los mismos factores físicos que controlan la pérdida por transmisión de las paredes se aplican a los suelos. Los suelos de hormigón con núcleo macizo o hueco son ejemplos de particiones simples: suelen ser lo suficientemente pesados como para aportar un buen aislamiento del sonido transmitido a través del aire. Los sistemas de viguetas de acero o madera con techos de escayola corresponden a particiones dobles. La profundidad de la cámara es tan grande que la frecuencia de resonancia masa-aire-masa es muy baja, pero el aislamiento del sonido puede ser inadecuado con superficies de solado ligeras, como conglomerado. La Tabla 31.9 incluye datos de la clase de transmisión de sonido y la evaluación de impacto para una selección limitada de construcciones de suelo. Los datos son representativos del rendimiento típico y han sido elegidos para destacar tendencias y evitar grandes errores. Pueden obtenerse aislamientos mejores y peores para la mayoría de los ejemplos presentados. En las referencias al final del capítulo pueden encontrarse recopilaciones de datos de ensayosll-18. Como con las paredes, hay que evitar las uniones estructurales rígidas entre las capas del suelo y del techo. Generalmente esto se consigue mediante el uso de ca-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.31

45r---------------------------~

en ¿ 35

."

-o "¡¡;

..

"E

30

c:

~

&. 25 ca

."

'ti 20

~

\

15

63

125

,

\,

250

500

1000 2000 4000

Frecuencia. herzias

FIGURA 31.19. Efecto de rellenar con gas la cámara entre los cristales dobles. La curva continua es la pérdida por transmisión correspondiente a acristalamiento doble de 6 mm con una cámara de 12 mm rellena de aire (STC 30). La curva de guiones corresponde al mismo acristalamiento en el que el aire se ha reemplazado por una mezcla de SFe y argón (también STC 30).

nales flexibles para conectar la escayola a la parte baja de las viguetas del suelo. La Figura 31.20 muestra un diseño genérico para suelos de viguetas. Aislamiento de los suelos contra el sonido de impacto

Los objetos sólidos que golpean el suelo o la pared producen mucho más ruido que las fuentes que se transmiten por el aire y no están en contacto con la partición. Los parámetros físicos que controlan la transmisión del sonido de impacto a través de un suelo son básicamente los mismos que los que controlan el sonido transmitido por el aire. Aumentar la masa de las capas del suelo reduce la respuesta a la fuerza y por tanto reduce el sonido transmitido. Esto no implica que una buena reducción del ruido transmitido por el aire garantice una buena reducción del ruido de impacto y viceversa. La flexibilidad de las capas de la superficie del suelo juega un papel importante en la reducción de la generación del ruido de impacto. Si se extiende una capa flexible y suave, como una alfombra, encima del suelo, se amortiguan las fuerzas de impacto y se reduce la energía vibratoria transferida a la estructura del suelo. Por ejemplo, añadir una alfombra y un paño debajo a una plancha de hormigón de 150 mm (6 in) aumenta la clase de aislamiento de impacto (IIC) desde aproximadamente 40 hasta 60 o más, dependiendo del tipo de alfombra; la Figura 31.21 muestra un resultado típico de este tipo de instalaciones. Sin embargo, este montaje surte poco efecto sobre el índice de la clase de transmisión de sonido por aire, que permanece en tomo a 55. El material absorbente del sonido en el interior de la cámara de aire del suelo

31.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 31.9. Indicas de transmisión dal sonido para sistemas de suelo/techo Los índices acústicos expuestos se basan en datos disponibles de pruebas de laboratorio con alto grado de fiabilida~ Los resultados de ensayos específicos pueden diferir ligeramente debido a las técnIcas de medición ya detalles constructivos menores. Los materiales absorbentes incluidos en la tabla son fibra mineral y de vidrio, o celulosa, y el relleno debe superar los dos tercios del volumen de la cámara de aire

Suelo

Techo

STC

Viguetas de hormigón Ninguno Ninguno

Hormigón reforzado 90 mm 2 Hormigón reforzado 130 mm

48 52

Perfiles de acero 3 Perfiles de acero con un tablero de hormigón de 50 mm mínimo

Capas de escayola de 16 mm para re- 53 vestir los canales en donde encajan los perfiles, con material de absorción en la cámara optativo

Tirantes de madera o marcos 4 Subsuelo de 19 mm T&G o tablero de láminas de madera de 15,5 mm 5 Igual que 4, con un tablero adicional de láminas de madera de 15,5 mm en el suelo 6 Capa de hormigón-escayola de 19 mm (de al menos 34 kglm 2 ) sobre subsuelo con T&G de 19 mm o con tablero de láminas de madera de 15,5 mm 7 Igual que 6

8 Capa de hormigón ligero de 50 mm (de al menos 70 kglm 2 ) sobre subsuelo con T&G de 19 mm o con tablero de láminas de madera de 15,5 mm 9 Igual que 8 10 Igual que 8

Capa de escayola de 16 mm adherida a 48 los canales metálicos flexibles, con material absorbente en la cámara Capa de escayola de 16 mm adherida a 52 los canales metálicos flexibles, con material absorbente en la cámara Dos capas de escayola de 13 mm o 55 16mm

Dos capas de escayola de 13 mm o 55 16 mm, adheridas a los canales metálicos flexibles, con material absorbente en la cámara Dos capas de escayola de 13 mm o 56 16mm

Capa de escayola de 16 mm, adherida a 57 los canales metálicos flexibles Capa de escayola de 16 mm, adherida a 60 los canales metálicos flexibles con material absorbente en la cámara

reduce la transmisión del ruido de impacto a la vez que la del sonido transmitido por el aire, si el techo y el suelo no están sólidamente conectados. Desafortunadamente, en edificación, un techo flexible suspendido no impide la transmisión de la

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.33

COMPONENTES BASICOS DEL SUELO

Superficie del suelo (50 kg/m 2 o más)

Viguetas (acero, madera, armazón de madera)

Techo (sobre - - - - - - - - - soporte flexible)

FIGURA 31.20. Características de un suelo genérico de viguetas. El tipo de vigueta (madera maciza, armazón de madera, vigas de acero, armazón de acero) tiene poca influencia sobre la pérdida por transmisión del sonido de impacto. Un buen rendimiento requiere superficies pesadas y un techo apoyado de forma flexible.

energía sonora desde la estructura del suelo a otras partes del edificio. Ruidos de impacto significativos pueden transmitirse hacia abajo, por las paredes, desde el suelo superior hasta la habitación inferior. Esto se comenta en más detalle en el Capítulo 33. Si la superficie del suelo ha de ser dura, como en la cocina o en el baño, el ruido de impacto se controla más eficazmente utilizando un suelo flotante. En un suelo flotante, la superficie superior se apoya sobre un subsuelo mediante una capa flexible que reduce la transmisión de la vibración al resto del suelo y a la estructura principal. (Véase Capítulo 32 para un comentario más en detalle sobre suelos flotantes.) El IIC no es un índice apropiado para todos los tipos de ruido transmitidos por la estructura. Puede haber crujidos o repiqueteos cuando las personas caminan sobre estructuras ligeras, flexibles, como suelos de viguetas de madera o acero. Además, los suelos ligeros resuenan a frecuencias bajas; al caminar sobre ellos, emiten ruidos molestos que resuenan, con mucha energía en las frecuencias bajas. En algunos tipos de suelos ligeros, es posible mejorar el aislamiento contra los impactos añadiendo una alfombra, pero el ruido enorme de baja frecuencia de las pisadas puede producir serias molestias. El índice HC tiende a dar una impresión optimista de la aceptabilidad subjetiva de los suelos de poco peso. Un ensayo que mide la transmisión del ruido de impacto de baja frecuencia a través de las estructuras del suelo utiliza una rueda y un volante de un automóvil pequeño, que pesan aproximadamente 7 kil. Se tira el volante desde una altura de 0,9 m (3 ft) sobre la superficie del suelo y se miden los niveles de ruido en la habi-

31.34

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80 ID

80

o t;

70

"C

IV

a.

.§

'~"

60

Suelo desnudo

,,

"C

/

,

o 50 c: o ti) c: 40 '0 .¡¡; ~

30

'" -¡¡;

20

a. "C

,,

Con alfombra y cañamazo

, "' "' " -

JI"

\

\

....

.~

Z

-----

10 20

63

125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia, herzios

FIGURA 31.21. Efecto de una alfombra sobre el sonido de impacto en un suelo de viguetas de madera. El suelo está formado por contrachapado de 16 mm, viguetas de madera de 235 mm, canales de metal flexible de 13 mm y dos capas de 13 mm de escayola; hay material absorbente del sonido en la cámara. La curva continua es el nivel sonoro de impacto para el suelo desnudo (IIe 43). La curva de guiones es el nivel sonoro de impacto para el mismo suelo cubierto con alfombra de cañamazo (IIe 73).

tación inferior. Hay información disponible para algunos tipos de construcciones. En ausencia de estos datos, es más seguro elegir sólo suelos con superficies duras que obtengan buenos valores He; añadir alfombras no puede sino mejorarlos. RENDIMIENTO REAL DE LAS PARTICIONES

Los datos presentados en este capítulo han sido seleccionados de pruebas de laboratorio o de campo diseñadas para medir el rendimiento de las particiones nominales sin efectos negativos para las estructuras adyacentes. El Capítulo 33 comenta las precauciones necesarias para lograr este rendimiento cuando los componentes están montados en un edificio.

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR EL AIRE

31.35

REFERENCIAS· 1. Standard test method for laboratory measurement of airborne sound transmission loss of building panitions, ASTM E9O. 2. Classification for rating sound insulation, ASTM E413. 3. Standard test method for measurement of airborne sound insulation in buildings, ASTM E336. 4. Classifications for determination of impact insulation class (I/C), ASTM E989. 5. Standard method oflaboratory measurement ofimpact sound transmission through floor-eeiling assemblies using the tapping machine, ASTM E492. La nonna internacional correspondiente es ISO 140M, Laboratory measurements of impact sound insulation of floors. 6. Standard test method for field measurement of tapping machine impact sound transmission through floor-ceiling assemblies and associated support structures, ASTM El007. 7. Rating of sound insulation in buildings and building elements - Pan /: Airborne sound insulation in buildings and ofinterior building elements, ISO 717/1. 8. Laboratory measurements of airborne sound insulation of building elements, ISO 140/111. 9. Rating of sound insulation in buildings and building elements - Pan 2: /mpact sound insulation, ISO 717/1. 10. Standard practice for determining single number rating of airborne sound isolation for use in multiunit building specifications, ASTM E597. 11. Catalog of STC and I/C ratings for wall and floorlceiling a.ssemblies, R. B. Dupree, Office ofNoise Control, California Department of Health Services. Berckeley, CA 94704. 12. A. C. C. Warnock, «Field sound transmission loss measurements», Building Research Note 232. 13. J. D. Quirt, «Measurements of the sound transmission loss of windows», Building Research Note 172. 14. A. C. C. Warnock y D. W. Monk. «Sound transmission loss of masonry walls: Tests on 90, 140,240 and 290 mm concrete block walls with various surface finishes», Building Research Note 217. 15. T. D. Northwood y D. W. Monk, «Sound transmission loss of masonry walls: Twelve inch lightweight concrete blocks with various surface finishes», Building Research Note 90. 16. T. D. Northwood y D. W. Monk, "Sound transmission loss of masonry walls: Twelve inch lightweight concrete blocks - comparison of latex and plaster sealers», Building Research Note 93. 17. P. H. Parkin, H. J. Purkis y W. E. Scholes. "Field measurements of sound insulation between dwellings», Her Majesty's Stationery Office. Londres. 1960. 18. N/OSH compendium of materials for noise control. R. A. Hedeen, DHEW Publication 80-116, U.S. Department of Health. Education and Welfare. 4676 Columbia Parkway. Cincinnati, OH 45226. 19. Standard practice for architectural app/ication and installation of operable partitions, ASTME557. 20. Addendum to ISO 140/111. Amedment with respect to airborne sound insulation of windows and glazing, 1989. 21. JIS 1418, norma nacional japonesa describiendo pruebas de impacto sobre suelos; para infonnación véase App/ied Acousties. vol. 26. 1989. p. 263.

* Las normas ASTM pueden obteneJ>e en la American Society for Testing and Materials. 1916 Race Street. Filadelfia, PA 19103-1187. Las normas ISO están disponibles en la International Organization for Standarization. CH-1211 Ginebra 20, Suiza. Las «Building Research Notes» pueden solicitaJ>e al Servicio de Publicaciones del NationaJ Research Council Canada. MontreaJ Road. Ottawa. Ontario K 1A OR6. Canadá.

---------------------------------------------------

Capítulo

32

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS István L. Vér Douglas H. Sturz

INTRODUCCION El ruido transmitido por las estructuras es aquel que se origina por la vibración de estructuras sólidas; estas vibraciones pueden propagarse por la estructura, con poca atenuación, hacia diversos lugares donde ponen en vibración algunas superficies. El ruido transmitido por las estructuras es percibido entonces por el oyente como sonido transmitido por el aire irradiado directamente por la superficie vibratoria o por los objetos que se mueven (como ventanas, porcelana o estanterías, etc.) debido a la vibración de la estructura. La Figura 32.1 muestra algunas de las fuentes y vías de transmisión más frecuentes. Este capítulo describe las fuentes, vías de transmisión y técnicas de control adezcuadas para el ruido transmitido por las estructuras.

EXCITACION DEL RUIDO El ruido transmitido por la estructura está producido por fuerzas dinámicas que actúan sobre ella. Una estructura puede comenzar a vibrar debido a fuentes estables (acondicionadores de aire, ventiladores, bombas, lavadoras, etc.) o debido a fuentes de impacto (portazos, martillazos, caída de objetos, saltos, pisadas, tirar la basura por el conducto de desperdicios, etc.). Excitación estable

Si una fuerza de vibración estable se aplica sobre la estructura de un edificio, por ejemplo, a causa de una bomba que está anclada al suelo, como muestra la Figura 32.1, la estructura es alimentada continuamente con una energía vibratoria. Es ne32.1

32.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 32.1. edificios.

Fuentes y vías habituales del ruido transmitido por la estructura en

cesaria una gran fuerza para introducir incluso una pequeña cantidad de energía mecánica en una estructura rígida; sólo una fracción muy pequeña de esta energía mecánica introducida es irradiada desde la estructura como sonido que se transmite por el aire. Sin embargo, incluso esta pequeña potencia sonora irradiada es capaz de producir un nivel alto de ruido. Por ejemplo, 10 vatios de potencia mecánica aplicados en un suelo de hormigón típico pueden dar como resultado la irradiación de tan sólo 0,1 vatios de potencia sonora en la habitación inferior, pero el nivel de presión sonora resultante puede alcanzar los 75 dB. Dado que la disipación de la energía en la estructura es proporcional a la amplitud de la vibración y a la masa de la

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.3

estructura y su amortiguación, una estructura ligera y poco amortiguada responde más vigorosamente (e irradia más ruido) que otra que es masiva y está muy amortiguada. La excitación estable de ruido transmitido por una estructura en un edificio suele deberse al funcionamiento de aparatos mecánicos. La fuerza excitatoria puede ser de carácter periódico, producida por el desequilibrio de una máquina rotatoria, o puede ser de carácter aleatorio, producida por el flujo turbulento en las cañerías. La fuerza suele transmitirse a la estructura en los puntos en que la máquina está rígidamente conectada a ella. Este tipo de vibración puede controlarse mediante un soporte elástico de la fuente con un aislador de la vibración y permitiendo, por tanto, que responda «libremente» a las fuerzas que actúan sobre ella. La amplitud de la vibración de la fuente está entonces controlada por la inercia combinada de la fuente y de cualquier base a la que esté conectada. La fuerza transmitida a la estructura a través de los aisladores de vibración es entonces proporcional a esta respuesta de «libre» desplazamiento de la fuente multiplicada por la rigidez o elasticidad del montaje. De forma acorde, la fuerza que actúa sobre la estructura puede reducirse mediante la selección del aislador adecuado, como se detalla en el Capítulo 29.

Excitación de impacto

Un impacto es el resultado de una fuerza de corta duración que es suficientemente grande como para hacer que la estructura vibre; por ejemplo, un portazo. Consideremos el impacto producido cuando un objeto duro cae al suelo. Se asume que el objeto es una masa rígida m y que cae sobre el suelo con una velocidad v, como muestra esquemáticamente la Figura 32.20. Tanto la fuerza de impacto como el ruido de impacto aumentan linealmente con el producto de la masa y la velocidad del objeto que cae. Cuando el objeto entra en contacto con el suelo, su velocidad se reduce repentinamente a cero. La fuerza que produce este descenso de velocidad es proporcional a la masa del objeto y a la tasa de cambio en velocidad. Si el suelo es muy duro, el descenso de la velocidad es rápido y el objeto que cae genera un pulso de fuerza de mucha amplitud y muy poca duración. Sin embargo, si el suelo tiene una capa de superficie elástica, la tasa de descenso de la velocidad es menos rápida y se genera un pulso de fuerza con poca amplitud, pero gran duración, como ilustra la Figura 32.2b. La distribución espectral del sonido que resulta de estos dos pulsos de fuerza distintos se muestra en la Figura 32.2c. El impacto de la masa sobre el suelo duro produce un espectro rico en frecuencias altas, en tanto que el impacto sobre el suelo con una superficie elástica produce sólo sonido (resonante) en frecuencias bajas.

INDICES DEL AISLAMIENTO DEL RUIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS EN EDIFICACIONES El impacto de las pisadas sobre el suelo es una fuente frecuente de ruido transmitido por la estructura en edificios multifamiliares y comerciales. Se ha desarrollado

32.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO m

(a)

Suelo duro Capa de superficie elástica

, Tiempo (b)

~

c: .,

'"oc: ., ~

Suelo duro

Capa de superficie elástica

:l 1--""",0'--_ _

'0 '¡;j o

l!?

o..

Frecuencia (e)

FIGURA 32.2. Impacto de un objeto que cae sobre el suelo. (a) La masa m, con una velocidad v, impacta sobre el suelo; (b) fuerza de impacto en función del tiempo resultante del impacto de la masa sobre un suelo duro y sobre una superficie elástica; (e) distribución de frecuencias del sonido de impacto producido por la masa al golpear un suelo duro en comparación con el sonido de impacto producido sobre una superficie elástica.

una metodología objetiva de puntuación para evaluar el rendimiento de distintos edificios. Para estimar el aislamiento aportado por los diferentes tipos de construcciones de suelos contra estos impactos se utiliza una máquina normalizada de golpes'. Este aparato produce una serie rápida y continua de impactos sobre el suelo a prueba. que es suficiente para crear un nivel de ruido estable en la habitación receptora inferior. utilizando la respuesta lenta (slow) en el sonómetro (véase Figura 32.3). Se realizan medidas del nivel de presión sonora generado en la habitación bajo el suelo a examen (habitualmente en bandas de tercio de octava con el fin de comparar los resultados con las normas). Cuanto más bajo es este nivel, mejor es el • La máquina normalizada de golpes ISO I consiste en cinco martillos. cada uno de ellos de 0.5 kg de peso. que están igualmente espaciados a lo largo de una línea recta de 40 cm de longitud. Los martillos. accionados mediante un motor eléctrico. producen impactos sucesivos sobre el suelo que se ensaya 10 veces por segundo.

--

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.5

Habitación fuente Máquina de golpeo Habitación receptora Sonómetro con analizador

FIGURA 32.3. Sección de un edificio mostrando el montaje de ensayo para las mediciones de sonido de impacto.

aislamiento contra el ruido de impacto del suelo. La cantidad de absorción del sonido en la habitación receptora afecta a su nivel de ruido; cuanto mayor es la absorción, menor será el nivel de ruido. Por tanto, al evaluar las construcciones, se corrigen los niveles de ruido en la habitación receptora, de manera que sean independientes de la absorción total del sonido en ella, haciendo así que los resultados obtenidos en habitaciones con distintas condiciones acústicas sean comparables. A continuación se comentan las correcciones apropiadas según los esquemas de valoración. La Figura 32.4 muestra una gráfica con los niveles normalizados de transmisión del sonido de impacto en función de la frecuencia. Esta gráfica ilustra los resultados obtenidos con un suelo de hormigón armado de 10 cm (4 in) de grosor con y sin alfombra y revestimiento. Al comparar el rendimiento del aislamiento del ruido de impacto de varias construcciones de suelos, es conveniente describir el valor de cada construcción con un índice de número único, que se obtiene mediante la evaluación de curvas como las que muestra la Figura 32.4 en comparación con las curvas normalizadas. A continuación se describen estos sistemas de evaluación. Mientras que los resultados de pruebas normalizadas que utilizan máquinas de golpeo correlacionan bien con la reacción de las personas frente a impactos agudos corno los producidos por los zapatos de tacón, no correlacionan bien con la reacción de las personas frente al ruido sordo de baja frecuencia de las pisadas, sobre todo en construcciones de edificios ligeras. Dado que existen relativamente pocas fuentes de ruido que produzcan impactos sobre las paredes, éstas no se evalúan para la transmisión del ruido a través de la estructura. También porque debido a la variedad y gama de las fuentes mecánicas que pueden producir problemas de ruido transmitido a través de las estructuras, no es posible desarrollar metodologías normalizadas con las cuales evaluar tales condiciones.

32.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

IC =~~

In

,2 Qj .J:J '(3

.......

810

c:

V ---- H plm gpr / le e n ~eo

7'(

B tJ

r\~ r---

1\.

1\.

,/


a.

E

""

I-~

/

Q)

"O Q)

........

6

Q)

"O

V-

o

~

§

5

In

Qj "O

,§ '¡;;

'EIn c:

~

4

'""

/'~

3O-II(

'\

"O

Z

r

i"-

8

Q)

~

1-0 rrig :>n o Ifpn b a V a ém ~z t--

"

~

2O

1\

1\ l'

~

100 160 1250 400 630 100 160 250 400 125 Ir515~11s:>?112512~ 1~151

101

100

I2po 2

5

1

1000 Frecuencia en herzios

2

FIGURA 32.4. Niveles normalizados de transmisión del sonido de impacto, Lno Y valores de la clase de aislamiento del impacto aplicable (IIe) para una plancha de suelo de hormigón armado de 10 cm (4 in) de grosor, con y sin alfombra sobre un cañamazo.

Clase de aislamiento de impacto (IIC)

La clase de aislamiento de impacto (HC) es un índice de número único 1,2 que aumenta al hacerlo el rendimiento del aislamiento contra el impacto del suelo (cuanto mayor es su valor, mayor es el aislamiento). La escala de valoración se ajusta para dar valores numéricos que son aproximadamente los mismos que los del índice que mide la pérdida de transmisión del sonido transmitido por aire, la clase de transmisión del sonido (STC), para un grado igual de satisfacción de aislamiento contra el ruido transmitido por el aire y de impacto, Esta correspondencia entre los valores numéricos de las valoraciones I1C y STC para un grado igual de ruido de impacto y transmitido por el aire facilita la elección de construcciones de techo y suelo, dando como resultado un diseño acústico relativamente equilibrado. El índice I1C se obtiene trazando la curva del nivel normalizado de transmisión del sonido de impacto de bandas de tercio de octava en función de la frecuencia y siguiendo las reglas establecidas en la norma 2, El nivel medio de presión sonora en la habitación recep-

--

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.7

tora L, está normalizado para una absorción de referencia Ao de 10 m2, para obtener el nivel normalizado de transmisión del sonido de impacto Lno dado por dB

(32.1)

donde A es la absorción total en la habitación receptora a la frecuencia central de la banda en que se mide L,.

Métodos alternativos

La índice de ruido de impacto (INR) de una construcción de suelo-techo era un índice de número único empleado por la Federal Housing Administratiorf, antes del establecimiento del método nc. En la metodología INR, el efecto de las distintas cantidades de absorción en las habitaciones receptoras es corregido mediante la normalización de datos de una manera parecida a la descrita para el método de valoración HC, salvo que el tiempo de reverberación Too se utiliza como medida de la absorción en la habitación receptora. El tiempo de referencia de reverberación es 0,5 segundos. En un rango de aproximadamente ± 2 dB, la relación entre la clase de aislamiento de impacto (HC) y el índice del ruido de impacto viene dada por I1C"", INR

+ 51

(32.2)

En la Referencia 4 se incluye otro método para medir la transmisión del sonido de impacto a través de las construcciones de suelo-techo que utiliza una máquina modificada de golpeo o un caminante vivo.

RENDIMIENTO DEL AISLAMIENTO CONTRA IMPACTO DE TECHOS Y SUELOS DE CONSTRUCCIONES TIPICAS

Las siguientes tablas presentan la cIase de aislamiento de impacto (I1C) de algunas construcciones de suelo-techo frecuentemente utilizadas. Estos datos se basan sobre información contenida en la Referencia 5. En el Capítulo 31 se presenta más información adicional. Las tablas contienen datos de mediciones del aislamiento del ruido de impacto de las siguientes construcciones de suelo-techo: Tabla 32.1: Hormigón armado. Tabla 32.2: Hormigón anisotrópico. Tabla 32.3: Hormigón hueco. Tabla 32.4: Viguetas de madera. Tabla 32.5: Viguetas de madera con aislamiento. Tabla 32.6: Viguetas de madera con suelos flotantes. Tabla 32.7: Viguetas de acero.

32.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 32.1. mado

Aislamiento del impacto de conjuntos de suelo-techo de hormigón arCllSede

Construcción Descripción

Esquema

lisluúeato del impacto (De¡

Losa de 10 cm (4 in) de espesor de hormigón armado con una malla A WG del número 6, de 15 por 15 cm, colocada en la línea central del plano horizontal de la losa. Todas las cavidades de la superficie están selladas con una mezcla delgada de mortero.

2S

Igual que 1 salvo que se adhiere una baldosa de vi nilo de 0,32 cm (118 in) de grosor al hormigón

28

Igual que I salvo que se adhiere tarima de roble de 1,27 cm (1/ in) de grosor al hormigón

4S

4

Igual que 1, pero con una alfombra de rizo de lana de 0,64 cm (1/4 in) de grosor, con un cañamazo de yute tejido de 0,32 cm (118 in) y un forro de espuma de caucho de 0,64 cm (1/4 in).

80

5

Igual que 1, con tarima de roble de 1,27 cm (112 in) de grosor, de 22,8 cm por 22,8 cm (9 por 9 in), con espuma de poliuretano semirrígida de 0,64 cm (1/4 in) de grosor de 35,2 kglm 3 (2,2 Ib/ff), sin planchas de forro.

52

6

Losa de hormigón armado de 15,2 cm (6 in) de grosor; sobre el lado del suelo. una capa de cemento y arena de 2.2 cm (7/8 in) y revestimiento compuesto de 1,59 cm (5/8 in) de grosor; sobre el lado del techo, 1.27 cm (1/2 in) de masilla.

35

7

Losa de hormigón armado de 11,1 cm (4 3/8 in) de grosor. Sobre el lado del suelo, una capa de cemento y arena de 1.9 cm (3/4 in). con un revestimiento del suelo de linóleo de 0,32 cm (1/8 in); sobre el lado del techo, una capa de masilla de 0,95 cm (3/8 in).

48

Hormigón armado de 12.7 cm (5 in) de grosor. Sobre el lado del suelo. una capa de lana de vidrio aglutinada con betún y cubierta con papel de construcción. Sobre el pavimento. 1.27 cm (112 in) de brea-masilla. con una cobertura de suelo de linóleo. Sobre el lado del techo, una capa de plástico de 1,27 cm (112 in).

53

Losa de hormigón armado de 15.2 cm (6 in) de grosor. Sobre el lado del suelo, ensambladura de madera de ranura y lengüeta de 1.9 cm (JI. in) de grosor. clavada sobre listones de madera de 3.81 cm (l1/2 in) por 5.1 cm (2 in). con un espaciamiento de 30.8 cm (16 in). que flotan sobre una capa de lana de vidrio de 2,54 cm (1 in) de grosor. Sobre el lado del techo, una capa de masilla de 1.27 cm (112 in).

57

2

3

2

8

9

....

. ... 4

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.9

TABLA 32.2. Aislamiento de impacto de conjuntos de techo-suelo de hormigón anisotrópico Cluede

lÍSlamieolo del impacto

Construcción Descripción

(nC)

10

Losas prefabricadas de hormigón con canales unidas con mortero sobre centros cada 50,8 cm (20 in). Cada losa tiene un canal trapezoidal de 7,6 cm (3 in) de profundidad, con bases de 27,9 cm (11 in) y 37,5 cm (143/4 in). En el lado del suelo, un acabado de cemento y arena de 1,9 cm (3/4 in) de grosor.

32

11

Suelo de hormigón nervado de 18,4 cm (7 1/4 in). Los nervios tienen 13,3 cm (5 1/4 in) por 9,5 cm (3 3/4 in), con espaciamientos de 53,2 cm (21 in) entre los centros; la losa tiene 5,1 cm (2 in) de grosor, con una capa de arena y cemento de 1,9 cm (3/4 in) de grosor. En el lado hacia el techo, listones de madera de 1,58 cm (5/. in) de grosor, clavados sobre bandas, sujeto mediante tacos y yeso de 1,58 cm (s/. in) de grosor.

42

12

Vigas prefabricadas de hormigón trapezoidales con canales de 17,8 cm (7 in), sobre centros separados 35,6 cm (14 in), con los espacios entre ellas rellenos con una mezcla de cemento y arena. En el lado del suelo, una capa de cemento y arena de 3,8 cm (1,5 in) de grosor, con un revestimiento de suelo de madera de 2,54 cm (1 in) de grosor. En el lado hacia el techo, una capa de escayola de 1,9 cm (Ji. in) de grosor sobre listones expandidos de metal.

42

13

Vigas prefabricadas de hormigón con canales de 12,7 cm (5 in), sobre centros separados 36,8 cm (14,5 in), con los espacios entre las vigas rellenos con una mezcla de cemento y arena. En el lado del suelo, una ensambladura de ranura y lengüeta de madera de 2,2 cm (7/. in) de grosor, clavada sobre listones de madera de 2,5 cm (l in) por 5 cm (2 in), 50,8 cm (20 in), sobre una lámina de lana de vidrio de 2,5 cm (1 in), sobre una capa de cemento y arena de 1,9 cm (3/. in). En el lado del techo, un tablero de escayola de 0,32 cm (1!' in), clavado a listones de madera de 2,5 cm (1 in) por 5 cm (2 in), con un espaciamiento de 36,8 cm (14,5 in) entre los centros. La anchura total es de 25,4 cm (10 in).

53

Esquema

~ ~

Mejora del aislamiento contra el ruido de impacto

La Figura 32.4 muestra la curva de transmisión del sonido de impacto en función de la frecuencia para un ensayo realizado con una máquina de golpeo en una habitación debajo de una losa de hormigón de 10 cm (4 in): (1) con la losa de hormigón sin revestir y (2) con la losa cubierta con alfombra y cañamazo. La diferencia entre las curvas representa la mejora en el aislamiento del ruido de impacto que aporta una alfombra. Esta diferencia de nivel, la mejora en el aislamiento del ruido de impacto, aumenta al hacerlo la frecuencia.

--

32.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEl RUIDO

TABLA 32.3. Aislamiento de impacto de conjuntos de techo-suelo de hormigón hueco Clllede aidlmieato del impido

Construcción Esquema

Descripción

(uq

14

Losa armada de 15,6 cm (6 in) con bloques huecos de 30,5 cm (12 in) por 12,7 cm (5 in), con espaciamientos de 40,6 cm (16 in) entre sus centros. En el lado del suelo, una capa de cemento y arena de 3,8 cm (1,5 in), con un acabado de suelo de brea y masilla de 1,6 cm (5/8 in) de gfosor sobre fieltro. En el lado del techo, 1,9 cm (3/. in) de escayola. Espesor total de 21,6 cm (8,5 in).

30

15

Hormigón armado de 14 cm (5,5 in) de grosor con bloques embebidos de 10 cm (4 in) por 30,5 cm (12 in), con espaciamiento de 36,8 cm (14,5 in) entre sus centros. En el lado del suelo, un pavimento de cemento y arena flotante armado con tela metálica de 3,8 cm (1,5 in) de grosor sobre una placa de lana de vidrio aglutinada con betún de 2,5 cm (1 in), cubierta con papel de construcción; revestimiento del suelo de baldosas termoplásticas. Sobre el lado del techo, una capa de escayola de 1,27 cm (0,5 in). Espesor total de 21,6 cm (8,5 in).

37

16

Bloques huecos de mampostería de 10,1 cm (4 in) por 31,8 cm (12,5 in), con espaciamiento entre sus centros de 39,4 cm (15,5 in), con los espacios entre los bloques rellenos con 10,1 cm (4 in) de hormigón armado. En el lado del suelo, un pavimento de arena y cemento de 5,1 cm (2 in); suelo de madera de 2,5 cm (1 in), clavado sobre listones de madera de 5,1 cm (2 in) por 2,5 cm (1 in), con espaciamiento de 39,4 cm (15,5 in) entre sus centros. flotando sobre una plancha de lana de vidrio de 2,5 cm (1 in) de grosor. En el lado del techo, una placa de escayola de 1,9 cm (3/4 in). Espesor total de 23,5 cm (9,25 in).

63

17

Vigas trapezoidales huecas prefabricadas de 15,2 cm (6 in), espaciadas cada 36,9 cm (14,5 in), con bases de 35,6 cm (14 in) y 30,5 cm (12 in). Los espacios entre las vigas están rellenos con hormigón. En el lado del suelo, un acabado de brea y masilla de 1,27 cm (0,5 in). En el lado del techo, una capa de escayola de 1,27 cm (0,5 in). Espesor total: 19 cm (7,5 in).

31

18

Vigas de hormigón trapezoidales huecas prefabricadas de 12,7 cm (5 in), espaciadas cada 36,7 cm (14,5 in), con bases de 35,6 cm (14 in) y 31,8 cm (12,5 in). Los espacios entre las vigas están rellenos con una mezcla de arena y cemento. En el lado del suelo, una ensambladura de ranura y lengüeta de madera de 2,2 cm (7/8 in) de grosor, clavada sobre listones de madera de 3,8 cm (1.5 in) por 5.1 cm (2 in), distanciados cada 51 cm (20 in), flotando sobre una lámina de lana de vidrio de 2,5 cm (1 in); cobertura de suelo de linóleo. En el lado hacia el techo, una placa de escayola de 1.6 cm (5/8 in). El espesor total es de 22,2 cm (8,75 in).

49

19

Mismo suelo estructural que el 18. En el lado del suelo, un pavimento de arena y cemento de 2,5 cm (1 in), con revestimiento de baldosas de corcho de 0,48 cm (3116 in). En el lado del techo, una placa de escayola de 0,95 cm (3/8 in) de grosor, conectada a listones de madera de 5 cm (2 in) por 2,5 cm (1 in), sujetos mediante abrazaderas de metal. El espesor total es de 19,4 cm (7 5/8 in).

51

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.11

TABLA 32.4. Aislamiento de impacto de conjuntos de techo-suelo de viguetas de madera CllRde aislamieato del ¡mpiclo

Construcción Esquema

Descripción

(ne)

20

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), espaciadas cada 40,6 cm (16 in). En el lado del suelo, una ensambladura de ranura y lengüeta de 2,2 cm (7/8 in) clavada sobre listones; en el lado del techo, un tablero de escayola de 0,95 cm (3/s in) clavado a las viguetas, con las juntas selladas; grosor total de 24,1 cm (9,5 in).

32

21

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), separadas cada 40,6 cm (16 in). En el lado del suelo, contrachapado e-D de 1,27 cm (0,5 in) de grosor clavado sobre las viguetas, con distancias entre sus centros de 20,3 cm (8 in); suelo de madera de 1,98 cm (25/32 in) de grosor sobre contrachapado. En el lado del techo, un tablero de escayola de 1.27 cm (0,5 in) de grosor, clavado a las viguetas, con centros distanciados 15,2 cm (6 in), con todas las juntas selladas y acabadas; baldosas en el techo pegadas sobre el tablero de escayola. Grosor total de 26 cm (10,25 in).

37

22

Viguetas de madera de 7,6 cm (3 in) por 17,8 cm (7 in), espaciadas cada 60,1 cm (24 in). En el lado del suelo, suelo de madera de 2,54 cm (1 in) de grosor, clavado a las viguetas, con revestimiento de linóleo. En el lado del techo, una capa de junquillos y yeso de 3,5 cm (1 3/s in). Grosor total de 24,1 cm (9,5 in).

40

23

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 25,4 cm (10 in), cada 60,1 cm (24 in). En el lado del suelo, un tablero de 4,7 cm

43

DJ

(1 "/32 in) de pulpa de papel de edificación comprimido homogéneo, clavado ~obre puntos perpendiculares a las viguetas cada 20,3 cm (8 in), una plancha de cartón de 0,32 cm (l/S in) pegada sobre el tablero, pegada sobre ésta una capa única de papel de fieltro de edificación y, sobre ella, baldosas de asbestos de vinilo de 0,32 cm (1/. in) por 22,9 cm (9 in). En el lado del techo, un tablero de escayola de 1;27 cm (0,5 in) de grosor, clavado sobre puntos cada 30,5 cm (12 in), con todas las juntas selladas y acabadas. Grosor total: 31,1 cm (12,25 in).

24

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), cada 40,6 cm (16 in). En el lado del suelo, una ensambladura de fibra de madera de ranura y lengüeta de 3.8 cm (1,5 in) de grosor, clavado a las viguetas, cubierto con cañamazo y alfombra. Grosor total: 25,4 cm (10 in).

56

25

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 25,4 cm (10 in). cada 40,6 cm (16 in). En el lado del suelo, un tablero de 3,4 cm (1,32 in) de pulpa de papel de edificación comprimido homogéneo, clavado en puntos perpendiculares a las viguetas cada 20,3 cm (8 in); el tablero cubierto con una alfombra de espuma de caucho y una alfombra de nylon. La alfombra tiene un grosor no comprimido de 0,64 cm (0.25 in) de pelo de rizo, 7 rizos por pulgada, con un grosor total de 0,95 cm (JI. in). En el lado del techo, un tablero de escayola de 1,27 cm (0,5 in), clavado sobre puntos cada 30,5 cm (12 in). Grosor total: 31,7 cm (12,5 in).

57

32.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 32.5. Aislamiento de impacto de conjuntos de techo-suelo de viguetas de madera con aislamiento

a.ede lisluüeato delimpado

Construcción Descripdón

(DC)

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), cada 40,6 cm (16 in), con planchas de fibra de vidrio de 7,6 cm (3 in) de grosor grapadas entre las juntas. En el lado del suelo, subsuelo de contrachapado de 1,27 cm (0,5 in) de grosor, clavado a las viguetas cada 20,3 cm (8 in), ysobre él, solado de roble de 1,98 cm (0,78 in) de grosor. En el lado del techo, viguetas de madera de techo de 5,1 cm (2 in) por 10,2 cm (4 in), cada 61 cm (24 in), alternadas con viguetas de suelo; una plancha de yeso de 127 cm (0,5 in) de grosor clavada a las viguetas del techo. Las juntas de la plancha del techo selladas y acabadas. Grosortotal: 32,3 cm (11,75 in).

43

27

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 25,4 cm (10 in), cada 40,6 cm (16 in), con listones de fibra mineral de 7,6 cm (3 in) de grosor grapados entre las juntas. En el lado del suelo, subsuelo de contrachapado de 1,27 cm (0,5 in) de grosor, clavado en los bordes cada 15,2 cm (6 in) yen el centro cada 25,4 cm (10 in), capa de papel de construcción ysolado de roble de 1,89 cm (0,78 in) de grosor, clavado en la intersección de las viguetas yen medio de ellas. En el lado del techo, una plancha de escayola de 1,6 cm (5/8 in) de grosor, atornillada cada 30,5 cm (12 in) a canales elásticos, colocados cada 61 cm (24 in) sobre centros perpendiculares a las viguetas. Grosor total: 31,45 cm (12,38 in).

46

28

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 25,4 cm (10 in), cada 40,6 cm (16 in), con listones de fibra mineral de 7,6 cm (3 in) de grosor grapados entre las juntas. En el lado del suelo, subsuelo de contrachapado de 1,27 cm (0,5 in) de grosor, clavado en los bordes cada 15,2 cm (6 in) yen el centro cada 25.4 cm (10 in). capa de papel de construcción ysolado de roble de 1.89 cm (0.78 in) de grosor. clavado en la intersección de las viguetas y en medio de eOas; alfombra de 1,5 kglm 2 (44 o71ytf). con felpudo de pelo de 1,4 kglm2 (40 o71ytf). colocada sobre el suelo. En el lado del techo, una plancha de escayola de 1.6 cm (0.63 in) de grosor, clavada a los centros de las viguetas cada 15,2 cm (6 in); todas las juntas selladas y acabadas. Grosor total: 31.6 cm (12,5 in).

58

29

Parecido al anterior, salvo que la plancha de yeso está atornillada cada 30.4 cm (12 in) al centro de canales elásticos. colocados cada 60,8 cm (24 in) sobre puntos perpendiculares a las viguetas. Grosor total: 33 cm (13 in).

70

30

Viguetas de madera de 5.1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in). cada 40.6 cm (16 in). En el lado del suelo, contrachapado burdo regular C· Dde 2.86 cm (1.125 in) de grosor, clavado cada 15,2 cm (6 in) a lo largo de la periferia ycada 40,6 cm (16 in) sobre los centros de los cojinetes, cubierto con un felpudo de pelo (40 o71ytf) Yuna alfombra de pelo de lana [1,5 kglm2 (44 ozlyd1) l. El peso total de la alfombra es (4.141b1yd 2) Yel grosor total 0.95 cm (3/8 in). En el lado del techo. viguetas de madera de 5.1 cm (2 in) por 10,2 cm (4 in), sobre centros alternando cada 40,6 cm (16 in) y 20,3 cm (8 in) con respecto a las viguetas del suelo; planchas de fibra de vidrio de 7.6 cm (3 in) grapadas entre las viguetas del techo y una plancha de 1.6 cm (S/8 in) de grosor de escayola clavada sobre las viguetas del techo. Todas las juntas selladas y acabadas ytoda la periferia del panel calafateada ysellada. El techo se sujeta de forma independiente a la estructura del suelo. Grosor total: 31.4 cm (12 3/8 in).

Esquema

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.13

TABLA 32.6. Aislamiento de impacto de conjuntos de techo-suelo de viguetas de madera con suelos flotantes Claede aisluúeato

Construcción

Esquema

31

del impido Descripción

(IIC)

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), cada 40,6 cm (16 in). En el lado del suelo, solado de madera de ensambladura de ranura y lengüeta de 2,2 cm (1/8 in), sobre 2,5 cm (1 in) de plancha de lana de vidrio aglutinada con betún, y listones de madera de 2.5 cm (1 in) por 10,1 cm (2 in), clavados al subsuelo entre las viguetas. En el lado del techo, una capa de escayola de 1,27 cm (0,5 in) sobre un listón expandido de metal. Grosor total: 25,4 cm (10 in).

46

Parecido al anterior, salvo que hay una capa de arena de 5,1 cm (2 in) entre las viguetas. Grosor total: 25,4 cm (10 in).

57

33

Viguetas de madera de 5.1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), cada 40,6 cm (16 in), con planchas de fibra de vidrio de 7,6 cm (3 in) de grosor grapadas entre las juntas. En el lado del suelo, contrachapado burdo C-D de bordes cuadrados de 127 cm (0,5 in), clavado cada 15,2 cm (6 in) a lo largo de la periferia y cada 25,4 cm (10 in) a otros cojinetes; una plancha de fibra de caña de 1.27 cm (112 in) grapada cada 61 cm (24 in) al contrachapado; bandas de forro de 5,1 cm (2 in) por 7,6 cm (3 in), pegadas cada 40,6 cm (16 in) a la plancha de fibra, en paralelo y a media distancia entre las viguetas; solado de tablas de madera de 2 cm (Z.I/32 in) de grosor. En el lado del techo. canales elásticos cada 60 cm (24 in), atornillados perpendiculares a las viguetas, un tablero de escayola de 1.59 cm (5/8 in). atornillado a los canales cada 30.5 cm (12 in). Todas las juntas selladas y acabadas y toda la periferia del panel calafateada y sellada. Grosor total: 32,4 cm (12,75 in).

51

34A

Viguetas de madera de 5,1 cm (2 in) por 20,3 cm (8 in), cada 40,6 cm (16 in), con planchas de fibra de vidrio de 7,6 cm (3 in) de grosor grapadas entre las juntas. En el lado del suelo, contrachapado de 1,27 cm (0.5 in) de grosor. clavado cada 15.2 cm (6 in) en la periferia y cada 40,6 cm (16 in) sobre estos cojinetes: una plancha de fibra de caña de 1.27 cm (1/2 in), grapada cada 60 cm (24 in) al contrachapado: bandas de forro de 5 cm (2 in) por 7.5 cm (3 in J, pegadas cada 40,6 cm (16 in) a la plancha de fibra, en paralelo y a media distancia entre las viguetas: ensambladura de ranura y lengüeta de 1,6 cm (51. in); subsuelo de contrachapado C. D empastado, clavado cada 152 cm (6 in) en los bordes y cada 25,4 cm (10 in) sobre otros cojinetes; una lámina de vinilo de 0.19 cm (0,075 in) pegada al subsuelo. En el lado del techo, canales elásticos cada 60 cm (24 in), atornillados perpendiculares a las viguetas: un tablero de escayola de 1,6 cm (5/8 in), atornillado a los canales cada 30.5 cm (12 in). Todas las juntas selladas y acabadas y toda la periferia del panel calafateada y sellada. Grosor total: 32,4 cm (12,75 in).

49

348

Parecido al anterior, salvo que la lámina de vinilo es reemplazada por un felpudo de pelo (40 ozJyd2 ) Yuna alfombra,de pelo de lana (44 ozJ yd2). El peso total de la alfombra es 4,14lb/yd" yel grosor total 0,95 cm (3/8 in). Grosor total: 34,3 cm (13.5 in).

78

~ 32

~

32.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 32.7.

Aislamiento de impacto de conjuntos de suelo de viguetas de acero ClMede IÍIIIIIIieIIto

Construcción

Esquema

del illpldo Descripción

(OC)

35A

Viguetas de acero de 20.3 cm (8 in). cada 40.6 cm (16 in). Las viguetas tienen elementos de apoyo. en la parte superior e inferior. de 5.1 cm (2 in) de anchura. agujeros de 0.16 cm (1/16 in) de diámetro cada 761 cm (30 in) y un grosor de cuerpo de 0.16 cm (1/16 in). En el lado del suelo. una plancha de pulpa de pa¡¡c:1 de construcción comprimido homogéneo de 3.41 cm (1,34 in). de 410 kg/m' (26.llblfrl). clavada cada 20.3 cm (8 in) sobre centros perpendiculares a las viguetas. un tablero de cartón 0.32 cm (t/8 in) pegado a la plancha. una capa única de papel de construcción de fieltro de 15 lb pegada al cartón y baldosas de asbesto de 0~,2 cm (t/8 in) pegadas sobre el fieltro. En el lado del techo. una capa de escayola de 117 cm (0,5 in). clavada cada 30,5 cm (12 in). con todas las juntas selladas y acabadas. Grosor total: 25.7 cm (10 ti. in).

358

Parecido al 35A. salvo que las viguetas de acero están cada 60.1 cm (24 in) y tablero de construcción es de 4.7 cm (1.84 in) de grosor. Grosor total: 27 cm (10 si. in).

3M

Las viguetas y el tablero de pulpa de papel de construcción son iguales al 35A. pero éste está cubierto con una alfombra de espuma de caucho y una alfombra de nylon. La alfombra tiene un grosor no comprimido de 0,64 cm (1/. in), sobre un cañamazo de fibra de yute tejido. La alfombra de nylon tiene un cañamazo tejido de 0.32 cm (t/8 in) y un pelo de 0,64 cm (ti. in). con una densidad de 2.76 rizos/cm (7 rizos/in), con un grosor total de 0.95 cm (3/ • in). En el lado del techo, una capa de yeso de 117 cm (0,5 in), clavada cada 30~~ cm (12 in l. con todas las juntas selladas y acabadas. Grosor total: 26.7 cm (10.5 in).

58

Parecido a136A. salvo que las viguetas de acero están cada 60.1 cm (24 in) y el tablero de construcción es de 4.7 cm (1.84 in) de grosor. Grosor total: 28 cm (11 in).

63

37 A I1:1I:II_.... lIiI~n:;oI

Hormigón de arena y gravilla de 6.35 cm (2,5 in) de grosor. de 2370 kgim J (148lb/ft-'l. sobre unidades de acero ondulado de 0.38 mm (calibre 28) . apoyadas mediante juntas de barras de acero de 35.6 cm (14 in): tela asfáltica de 0.32 cm (ti. in) de grosor pegada al hormigón. En el lado del techo. canales incrustados de 1.9 cm (3/4 in) cada 34.3 cm (13,5 in), sujetos mediante cables a las viguetas: malla de diamantes v listones de metal de 1.5 kg/m" (3.4Ib1yd"). sujeta mediante cables a los IÍstones incrustados: capa de 1.4 cm (olt. in) de masilla de yeso perlite. con acabado blanco de 0.16 cm (tlt. in). Grosortotal: 47.1 cm (18.56 In).

35

378

Parecido al 37 A. pero la tela asfáltica es reemplazada por una alfombra y un tejido de fieltro

WW (a)

(b)

368

•...•

·0·0

38

Viguetas de acero de 45.7 cm (18 in). cada 81.3 cm (32 in). con planchas de fibra de \idrio de 7.6 cm (3 in) de grosor entre las viguetas. En el lado del suelo. ensambladura de ranura y lengüeta de contrachapado de 2.86 cm (1 ti. in) de grosor (graduación 2-4-1). clavada a las viguetas: el co~trachapado está cubierto con un felpudo de ~Io de 1.81)tgim" (40011 ) yd') Yuna alfombra de pelo de,lana de 1.9? kg/m' (44 ol1yd'). El peso total de la alfombra es de 2.25 kg/m' (4.141b1yd') y el grosor total 0.95 cm 1'18 in). En el lado del techo. canales elásticos incrustados cada 61 cm (24 in). atornillados perpendiculares a las \iguetas: un tablero de escayola de 1.6 cm ('i. in). atornillado a los canales cada 30.5 cm (12 in). Todas las juntas selladas y acabadas y toda la periferia del panel calafateada y sellada, Grosor total: 53.3 cm (21 in).

. I~ 1"\71

=1

1

44

32.15

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

Mejora de la clase de aislamiento de impacto (Lllle)

La mejora en la clase de aislamiento del impacto atribuible al tratamiento con una superficie elástica específica se obtiene determinando (de acuerdo con el procedimiento de evaluación) la clase de aislamiento de impacto (I1C) antes y después de la aplicación del tratamiento a la superficie. La diferencia entre estos dos números es la mejora en la clase de aislamiento del impacto (LlIle). Nótese que esta mejora depende de la construcción particular del suelo estructural y no es característica del tratamiento de la superficie exclusivamente. Así, la aplicación de la misma superficie de

tratamiento a suelos de construcciones estructurales muy distintas (como un suelo de hormigón armado y otro de una construcción ligera de viguetas) puede no dar como resultado la misma mejora en la cIase de aislamiento del impacto (LlIlC). Sin embargo, para suelos de construcción estructural parecida, el tratamiento con la misma superficie da como resultado aproximadamente la misma mejora. La Tabla 32.8 indica los valores aproximados de la mejora en la clase de aislamiento del impacto correspondientes a capas superficiales frecuentemente utilizadas aplicadas a estructuras de suelos duros masivos. El tratamiento con una superficie elástica sobre un suelo estructural aumenta notablemente su aislamiento del impacto, pero no aumenta su valor de pérdida de transmisión del sonido transmitido por el aire. Más aún, el tratamiento con una superficie elástica puede no reducir el ruido sordo de baja frecuencia debido a los impactos.

COMO CONTROLAR EL RUIDO TRANSMITIDO A TRAVES DE LA ESTRUCTURA El ruido transmitido por la estructura puede controlarse en la fuente, a lo largo de la vía de transmisión y cerca del receptor mediante uno o más de los métodos indicados en la Tabla 32.9. TABLA 32.8. Mejora aproximada en la clase de aislamiento de impacto (~IIC) debida a distintos tratamientos con superficies elásticas sobre suelos masivos estructurales duros'

Tnltamiento superficial

~IIC

Alfombras de pelo de distinto tipo Linóleo de 0,25 cm (0,1 in) de grosor sobre fieltro gofrado de 1.0 kg/m 2 (1.8 Ib/yd 2 ) Linóleo de corcho de 0,6 cm (0.24 in) de grosor Linóleo de corcho de 0,45 cm (0,18 in) de grosor Linóleo de 0.2 cm (0.08 in) a 0,32 cm (0.13 in) de grosor extendido sobre una plancha de corcho de 0.2 cm (0.08 in) a 0.32 cm (0.13 in) de grosor "Sandwich,. de linóleo y corcho de 0,4 cm (0.16 in) de grosor

25 a 30 19

• Si estos tratamientos de superficies se aplican sobre suelos de viguetas de madera. la mejora puede ser \ustancialmente inferior a la que aparece en la tabla. F~nt~: Referencia 6.

18

17 17

16

32.16 TABLA 32.9.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

CC:1tr('" del ruido transmitido por la estructura

Dónde

Cómo

En la fuero:",

Colocar la fuente de vibración de manera que esté alejada del área en que se precisan niveles bajos de ruido. Reducir la potencia de la fuente de vibración. Instalar un aislador de la vibración entre la fuente y la estructura. Aplicar una capa elástica entre las superficies sometidas al impacto. Reducir la velocidad de la masa impactante. Reforzar la estructura en los puntos de excitación.

A lo largo de la vía de '-',.'lsmisión

Aislar la fuente de vibración de las áreas en que se precisan niveles bajos de ruido mediante: (1) discontinuidades estructurales; (2) separación estructural completa; (3) separación dinámica de los componentes mediante una capa elástica, conexiones elásticas, etc. Aplicar un tratamiento de amortiguamiento de la vibración a la estructura que la transmite.

Cerca del receptor

Cubrir las superficies irradiadoras (p. ej .. con un techo suspendido elásticamente o una capa flexible). Reducir las vibraciones de las superficies que irradian el sonido mediante la aplicación de amortiguamiento de la vibración sobre ellas.

Atenuación en la fuente

Habitualmente. resulta más eficaz controlar el ruido transmitido por la estructura en su fuente. En primer lugar. hay que identificar las fuentes potenciales de ruido que puede ser transmitido por la estructura: si es posible. hay que situarlas lejos de las áreas en las que se requieren niveles bajos de ruido. Si la fuente de ruido es una máquina. puede seleccionarse un modelo distinto. que realice la misma función. pero que introduzca mucha menos vibración en la estructura del edificio. Por ejemplo. se debe elegir un equipamiento rotatorio bien equilibrado. en lugar de un equipamiento alternador. En el Capítulo 28 se comentan otras técnicas. Si es precisa una reducción mayor, puede aislarse la fuente de vibración de la estructura del edificio como se comenta en el Capítulo 28. Para impactos tales como pisadas. se debe instalar un tratamiento superficial elástico. Allí donde estos tratamientos resulten inadecuados puede emplearse un suelo secundario o «flc.tante».

Sudosflotantes. Un suelo flotante es aquel que se apoya sobre un suelo estructural. pero que está completamente aislado (separado) de éste mediante elementos de apoyo elásticos. de manera que en ningún punto está en contacto rígido con el suelo. En la Figura 32.5 se muestran los elementos esenciales de un suelo flotante. Estos suelos se utilizan en las construcciones de techo-suelo cuando se precisa aislamiento del ruido transmitido tanto por la estructura como por el aire. El tablero flotante actúa como una cubierta protectora de la losa estructural. Los impactos sobre el tablero flotante hacen que vibre. pero. debido al apoyo elástico, sólo una parte pequeña de esta vibración se transmite al suelo estructural. Por tanto. el suelo es-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

FIGURA 32.5.

32.17

Elementos básicos de un suelo flotante (representación esquemática).

tructural irradia mucho menos sonido sobre la habitación inferior que si los mismos impactos lo golpearan directamente. La Figura 32.6 muestra las construcciones que pueden utilizarse en salas de equipamiento mecánico situadas directamente encima de oficinas, edificios con actividades musicales, estudios de telecomunicación y en edificios con funciones artísticas, para lograr un grado muy alto de aislamiento del ruido transmitido por la estructura y por el aire y para conseguir una superficie rígida con una buena capacidad de carga. La Figura 32.6a muestra un suelo flotante que se apoya elásticamente sobre aisladores comercializados. Los aisladores deben colocarse con sumo cuidado y elegirse de acuerdo con la carga aplicada. La construcción que se detalla en la Figura 32.6b utiliza una capa continua de aislamiento semirrígido de fibra de vidrio para apoyar el suelo flotante de forma elástica. Si se utiliza esta construcción, hay que elegir las características de la fibra de vidrio de acuerdo con la carga prevista que soportará; en la Figura 32.7 se incluyen resultados correspondientes a distintas instalaciones de este tipo. El suelo flotante sobre el material elástico ha de estar diseñado estructuralmente para poseer la resistencia adecuada. Hay que hacer un seguimiento cuidadoso de la instalación de cualquier tipo de suelo flotante, con el fin de que se realice adecuadamente. Dado que la fibra de vidrio empleada en la construcción de suelos flotantes está sometida a deterioro por la humedad, hay que utilizar láminas de plástico (para sellar todas las juntas) como barreras contra la humedad y el vapor. La capa de cartón o contrachapado impide que se dañe el tablero de aislamiento del suelo durante la construcción (sus juntas han de estar selladas). Para evitar el daño potencial al suelo flotante, la carga que se aplique sobre él debe estar ,dentro de los límites marcados en el diseño y ha de aplicarse de manera uniforme. La carga excesiva sobre una determinada área puede producir una deflexión extra del suelo en esta zona, que podría sobretensionar el suelo flotante, produciendo la fractura de la losa de hormigón. Las fracturas aportan una vía por la que el agua podría filtrarse al espacio entre el suelo flotante y el estructural. Las Figuras 32.8 y 32.9 muestran construcciones frecuentemente utilizadas en aplicaciones de carga ligera para lograr el aislamiento del ruido de impacto. Estas construcciones se utilizan también en reparaciones cuando la estructura básica del edificio no puede soportar mucho peso adicional. Estas construcciones aportan menos aislamiento que las de hormigón de carga pesada de la Figura 32.6. Las conexiones rígidas entre un suelo flotante y la losa estructural o la pared al-

32.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cara del muro

-_UJ

Tablero de aislamiento precomprimido

Plancha estructural

Aislante

--5I::~ E~¡ra¡¡¡1111 ,

Barrera contra el vapor

aislamiento

(a)

--4._ _ Calafateado Cara del _-I~II muro

Tablero de aislamiento -----""""precomprimido

Plancha estructural

Barrera contra el vapor

Tablero de aislamiento del suelo precomprimido

(b)

RGURA 32.6. (a) Construcción de un suelo flotante de hormigón sobre aisladores comercializados; (b) construcción de un suelo flotante de hormigón sobre un tablero de aislamiento de fibra de vidrio.

rededor de la habitación pueden reducir radicalmente la mejora en el aislamiento del impacto de los suelos flotantes. Si el borde de la plancha flotante está rígidamente conectado a la pared a lo largo de una línea de longitud suficiente. la eficacia del suelo flotante puede ser prácticamente destruida. Por ejemplo. la Figura 32.10 muestra cómo la conexión rígida de una plancha flotante a la pared reduce la eficacia del aislamiento del ruido de impacto del suelo flotante 7 • Se muestra la mejora en el aislamiento contra el ruido de impacto de la construcción de un suelo flotante (comparado con el suelo estructural sin revestir). La curva para L = Oilustra la mejora cuando no hay conexión entre el suelo flotante y el borde de la pared. Las otras curvas muestran la mejora cuando el suelo flotante tiene conexiones con un borde

--

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.19

Carga estática en kglm 2

100 60

500

I

I

I

1000

5.000 10.000

I IIIIII

I

I

50.000 I

I I I 11 11

I

I II I

J IU

J

50

'J

e> B

~

~ I-S

e .¡¡;

~

40

-8.,

30

~

/

.,~

.' '~i-tl /.

/
!:'

20

V

e :2 )(

~

O

1Ictl

.'J.

.,

8.

...~

7..

Se

.,e

V

1I

10

V /

O 0,1

i/ / V

-m ~/ V

~

V/

17 ./ ./

l/v

V

/~V ~ ~c3 ,~

-r

1/ q,~c~~

/ /

1./

J

~~/

/

"i' ,,<:>~

.~~

j:{

V?I

I 10

100

Carga estática en libras por pulgadas al cuadrado

RGURA 32.7. Curvas de deflexión en función de la carga estática para un tablero de aislamiento del suelo de fibra de vidrio (moldeado Aercor, distribuido por Birma Products). Las planchas de aislamiento del suelo fueron cargadas y descargadas 10 veces antes de tomar los datos. Las curvas representan datos promediados e igualados (correspondientes a las densidades indicadas), que habitualmente tenían ± 30 por 100 de variación alrededor de la media. Nótese que los tableros distribuidos por otros fabricantes pueden poseer características significativamente distintas.

de distintas longitudes. Hay que considerar otros detalles, como las entradas y los drenajes del suelo, con el fin de evitar la conexión entre el suelo flotante y el estructural. Una vez terminada la construcción, suele ser muy difícil localizar una conexión entre la plancha flotante y la estructura y resulta prácticamente imposible remediar la situación. Por tanto, hay que tener un cuidado extremo con los detalles durante la construcción para evitar las conexiones no intencionadas. Hay que seguir estrictamente las especificaciones del sistema del suelo flotante y las instrucciones de instalación. La Tabla 32.10 presenta una lista general de recomendaciones para la construcción de un suelo flotante.

Efecto del acabado del suelo sobre el nivel de ruido en la habitación fuente. Una construcción de un suelo que aporta un buen aislamiento del ruido de impacto no necesariamente asegura un nivel bajo de ruido en la habitación en la que se origina el ruido transmitido por vía sólida. Así, si el acabado del suelo es duro y ligero, añadir un suelo flotante sobre el estructural puede aumentar el ruido de impacto en la habitación. en el lado del suelo

32.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Construcción de la pared

Tablero de aislamiento precomprimido

Lecho de mortero Contrachapado Estera elástica

1'lIrn"'- Estructura del suelo FIGURA 32.8. Suelo flotante sobre estera elástica.

impactado (es decir. en la habitación fuente). Por ejemplo, supongamos que un suelo flotante ligero de madera (como el que muestra la Figura 32.9) se añade a un suelo estructural de hormigón; el sonido de impacto en la habitación fuente para frecuencias bajas puede aumentar sustancialmente. a veces en más de 10 dB. Este aumento en el nivel sonoro de impacto en la habitación fuente puede evitarse instalando una superficie elástica. como una alfombra, sobre el suelo flotante.

Atenuación a lo largo de la vía de propagación

La amplitud de la vibración transmitida por la estructura. y por tanto el ruido que ésta irradia. suele decrecer al aumentar la distancia desde el punto de excitación. Esto se debe fundamentalmente a que la energía vibratoria se propaga a través de la estructura y. en menor medida. a la disipación de la energía a través del amortiguamiento interno en la estructura. (Parte de la energía también se pierde a través de la radiación de sonido. pero ésta siempre es insignificante en comparación con las otras pérdidas.) La Figura 32.11 muestra la atenuación del ruido transmitido por la estructura en función de la distancia de la fuente de excitación a lo largo de varias paredes en un edificio residencial de 16 plantas construido en hormigón. Los datos que se muestran corresponden a una frecuencia de 200 Hz; la atenuación es mayor a frecuencias más altas. La atenuación es menor en los muros exteriores; es mayor en los muros interiores debido a que, efectivamente. hay más uniones entre paredes de planta y suelos. creando más vías en que la energía puede dividirse al pasar por las uniones. Por lo general. la atenuación del ruido transmitido por la estructura en los edificios de hormigón es de aproximadamente 5 dB por planta, para frecuencias de hasta 1000 Hz. y alcanza los 8 dB por planta a unos 3000 Hz. La atenuación de la propagación horizontal a través de las losas continuas de hormigón del suelo varía entre 1.5 dB/m a 2 dB/m. La atenuación de la propagación horizontal es menor que la vertical, porque las particiones interiores ligeras restringen en menor medida el movimiento vibratorio del suelo estructural que los suelos estructurales más pesados de paredes y columnas.

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.21

Aislamiento de

Tablero de aislamiento

Aislante (al

Tablero de aislamiento precomprimido del suelo (bl

FIGURA 32.9. (a) Suelo flotante de madera sobre aisladores comercializados; (b) suelo flotante de madera sobre estera de fibra de vidrio.

Discontinuidades estructurales y juntas de expansión. Una manera efectiva de controlar la propagación del ruido transmitido a través de la estructura es la utilización de discontinuidades estructurales, como muestra la Figura 32.12. Por ejemplo, hay que separar las unidades de viviendas contiguas mediante discontinuidades estructurales que aporten un aislamiento adecuado del ruido transmitido tanto por el aire como por la estructura. La discontinuidad estructural más efectiva es una separación completa (un hueco) que se extienda desde las zapatas hasta el tejado. Incluso los «puentes» más pequeños a través de este hueco (por ejemplo, tuberías que penetran o residuos que han caído en su irfterior) pueden hacer que la discontinuidad estructural no resulte efectiva. Por ello. al diseñar y construir, hay que tener mucho cuidado para prevenir estos puentes. Rellenar el hueco entre las paredes con un material elástico, como un tablero semirrígido de fibra de vidrio, resulta útil para impedir la acumulación de residuos durante el levantamiento de la segunda pared. Las cámaras entre planchas, cimientos y zapatas suele rellenarse con fibra de vidrio impregnada de asfalto con el mismo propósito.

32.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

50

o

" ..

'3 ~

Q;

.S?

~:8 c'u

.!

-8

. ., Ee

40 flotante 30 r---1--t-~~-t---F-l

~g .. u

!

20

r--t--,w::--+---t=''''''''::''''+--j

.(;" 10

t--~f:---+--+---t---H

a;

. ., ~.§

.,

~ O~~~~_-L_-L_~

100

200

400

800

1600

3200

Frecuencia en herzios

FIGURA 32.10. Efecto de una línea rígida de conexión entre el borde de una plancha de hormigón flotante y la pared de ladrillo sobre el aislamiento del impacto de un suelo flotante, para conexiones de distintas longitudes indicadas mediante L. El esquema superior muestra un plano parcial del suelo. (De acuerdo con Gósele 7).

En grandes edificios, suelen incorporarse juntas de expansión con el fin de permitir la expansión y contracción térmicas. A menudo, resulta conveniente utilizar estas juntas de expansión para controlar la propagación del ruido transmitido por la estructura, mediante la ubicación de áreas que estén sometidas a impactos significativos y áreas que contengan equipamiento vibratorio a un lado de la junta de expansión y la ubicación de áreas tranquilas al otro lado. Por ejemplo, al diseñar un teatro, resulta conveniente separar la sala del equipamiento mecánico y el taller de las áreas de representación y ensayo mediante una junta de expansión del edificio.

Atenuación del ruido transmitido por la estructura en las uniones

Cuando las ondas de la vibración se encuentran con una unión en la estructura, sólo una parte de la energía vibratoria pasa a través de ella; el resto se refleja en la dirección opuesta a la de la onda incidente. Como resultado, hay una reducción en el nivel de vibración al otro lado de la junta y un aumento en el nivel de la vibración del lado próximo de la misma. Las Referencias 9 y 10 incluyen información sobre el rendimiento de los diseños del aislamiento del ruido transmitido por la estructura en las uniones.

Atenuación cerca del receptor

El ruido en una habitación debido a la radiación sonora que resulta de la vibración de su techo, suelo o pared puede controlarse: (1) cubriendo las mayores superficies radiadoras con una superficie sujeta elásticamente (p. ej., un techo suspendido de

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

TABLA 32.10.

32.23

Lista de revisión para las construcciones de suelos flotantes

Asegurarse de que el material elástico posee la esperanza de vida requerida bajo las cargas estáticas y dinámicas de diseño. 2

Tener en cuenta la deflexión (incluyendo el deslizamiento) del material elástico bajo el peso de la plancha flotante que se va a verter.

3

Diseño correcto de detalles para evitar las conexiones rígidas entre las paredes o suelos estructurales y la plancha flotante.

4

Si una gran plancha flotante va a tener cargas de suelo muy distintas, hay que utilizar planchas pequeñas contiguas, cargando todas ellas de manera aproximadamente uniforme.

5

Diseño correcto de detalles de los conductos, tuberías de drenaje, etc., que entran en la plancha flotante, con el fin de evitar conexiones rígidas entre ésta y la plancha estructural o las paredes.

6

Si la plancha estructural de hormigón no está completamente drenada, se protege al material elástico de la humedad mediante una lámina de plástico.

7

El material elástico se distribuye de manera uniforme; por ejemplo, si el material elástico son tableros de fibra de vidrio, no hay que dejar huecos entre ellos; con el fin de que no se dañe, no hay que caminar sobre éstos, ni exponerlos a la humedad.

8

El material elástico se cubre con contrachapado; se unen las juntas entre las placas de contrachapado; la superficie se cubre con una lámina de plástico impermeable, con el fin de lograr una superficie dura y compacta sobre la que se coloca la plancha flotante.

9

La parte inferior de la pared se reviste con una capa blanda de fibra de vidrio, con el fin de impedir el contacto rígido entre el borde de la plancha flotante y la pared.

10

Hay que inspeccionar la instalación para asegurarse de que la superficie (sobre la que se vierte el hormigón) y el perímetro no tienen daños y son impermeables antes de verter la plancha flotante.

11

Hay que aportar la suficiente ventilación durante el vertido y asentamiento de gran· des planchas flotantes de hormigón.

forma elástica. suelo flotante o paredes revestidas), (2) aplicando un tratamiento de amortiguamiento de la vibración a las principales superficies irradiantes y (3) aumentando la absorción total del sonido en la habitación. Techos suspendidos elásticamente. Un techo suspendido de manera elástica (véase Figura 32.13) cubre la superficie inferior de la estructura de un suelo que, de otra manera. irradiaría sonido a la habitación. Este techo se utiliza cuando se requiere un alto grado de aislamiento entre una habitación (arriba) que puede irradiar una considerable energía transmitida por vía sólida a la estructura y a la habitación (abajo) en la que se requieren condiciones de silencio. El techo se cuelga de una estructura mediante cables o varillas. que incorporan colgadores elásticos que reducen la transmisión de la vibración de la estructura al techo suspendido. Este tipo de

32.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80,-----,------,,-----,------, o

"0(1)

:.e.2 EOi II).Q

60

~ '2 _"O

Pared interior gruesa

Pared interior delgada

-

o e

"o'" '::; cv ~

_

~

:::l

"'"Og (1)

'ü
,/

:::l-

e

"-

,/'

c~

'0

'

40

_o'" O oC(

O

11

--'C Pared exterior

./

~

22

33

44

Distancia en metros

FIGURA 32.11. Atenuación del ruido transmitido por la estructura medida en la di· rección vertical a lo largo de las paredes que soportan la carga de un edificio de hormigón, a 200 Hz. (De acuerdo con W. Westpha/ 8 ).

montaje aporta aislamiento contra el sonido, tanto de impacto como transmitido por el aire. para la construcción de techo-suelo, que es sustancialmente más alto que el que proporciona un techo estructural aislado. La eficacia de estos techos suspendidos elásticamente se reduce si los agujeros y grietas alrededor de los apliques de luz. difusores. etcétera, no están bien sellados. Si el techo está sujeto sólo con cables. sin colgadores elásticos. también se logra un aislamiento importante del ruido de impacto y transmitido por el aire. pero menor del que se obtendría con los colgadores. Por lo general, se utilizan colgadores elásticos con elementos aislantes de neopreno para el aislamiento de la energía transmitida por la estructura dentro del rango de frecuencias audibles. Los colgadores elásticos que combinan aisladores de muelle y neopreno se utilizan cuando es preciso un buen aislamiento a frecuencias bajas.

Revestimientos elásticos de paredes. Un revestimiento elástico de pared es un panel ligero. montado de manera elástica (de materiales como yeso, escayola o contrachapado). que se utiliza para cubrir las superficies interiores vibratorias de una partición mucho más masiva (a veces también un techo) en una habitación donde se requieren condiciones de silencio. El revestimiento elástico aumenta el aislamiento tanto contra la transmisión por la estructura como por el aire. Este aislamiento adicional contra el sonido transmitido por el aire así obtenido depende sobre todo del grado del aislamiento contra la vibración entre el revestimiento y la partición masiva que protege. de la masa por unidad de área del revestimiento y de la cantidad de espacio de aire entre la cobertura y la partición. Cuanto mejor es el aislamiento contra la vibración del revestimiento de la pared principal. más pesado es y es mayor el espacio de la cámara de aire. mayor es la mejora en la pérdida de transmisión del conjunto. A frecuencias bajas (v.g.. por debajo de aproximadamente 1,5 veces la frecuencia de resonancia de la construcción, que depende de la rigidez del aire atrapado y de la masa por unidad de área del revestimiento). el revestimiento está fir-

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

/_L_-

Suelo

32.25

Pared de mamposteria

Tablero de fibra de vidrio impregnado con asfalto

AGURA 32.12. la junta de expansión en la losa de hormigón aporta un alto grado de atenuación del ruido transmitido por la estructura.

memente acoplado a la pared masiva por la rigidez del aire atrapado. En este rango de frecuencias no hay mejora. A la frecuencia de resonancia de la construcción, la pérdida de transmisión del montaje combinado será menor que la pérdida de transmisión de la partición masiva aislada. A frecuencias por encima del doble del primer modo normal del espacio de aire entre la pared y el revestimiento, las pérdidas de transmisión individuales de las capas de masa deben empezar a ser aditivas, siempre que haya material absorbente del sonido en la cámara de aire. La mejora en la pérdida de transmisión entre las dos regiones debe tener una pendiente entre 4 y 6 dB por octava. Es muy importante que el revestimiento ligero esté conectado de forma no rígida con la partición pesada que cubre. Si el apoyo no es blando, la adición del revestimiento podría aumentar el sonido irradiado en la habitación. Este es frecuentemente el caso cuando se ajusta una capa rígida de material aislante del calor (como una espuma rígida) a la superficie interior de los muros exteriores y, posteriormente, se cubre con una capa de enlucido para el acabado interior. La Figura 32.14 muestra el efecto sobre la pérdida de transmisión del sonido que se produce con la instalación de un revestimiento elástico acoplado rígidamente a una pared pesada de hormigón. El efecto de reducción del aislamiento es debido a la resonancia determinada por la rigidez de la capa aislante y la masa de la capa de enlucido. Las Referencias 9 y 10 incluyen información sobre el diseño de revestimientos elásticos. Es importante que éstos sólo entren en contacto con la estructura básica que están protegiendo de la manera adecuada.

32.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

____-

Varilla o cable de suspensión

'¡i~~iíI~itSoporte , del techo Tablero de escayola del techo

Ajuste posterior de escayola para iluminación

FIGURA 32.13. Techo suspendido elásticamente utilizado para obtener un aumento sustancial en el aislamiento contra el ruido transmitido tanto por el aire como por la estructura del ensamblaje de techo-suelo.

DETALLES ESPECIFICOS PARA CONTROLAR EL RUIDO TRANSMITIDO POR LA ESTRUCTURA Los siguientes detalles son ejemplos de medidas de control del ruido y la vibración. La Figura 32.15 muestra detalles del diseño empleado para obtener un grado muy alto de aislamiento contra el ruido transmitido. tanto por la estructura como por el aire. entre espacios adyacentes. como salas de ensayos en un edificio de música. Este ejemplo muestra una construcción compleja para la cual suele precisarse consejo experto con el fin de: (1) determinar el grado exacto de reducción del ruido requerida y (2) incluir detalles constructivos necesarios para lograr el aislamiento deseado con un margen razonable de seguridad y sin demasiado coste. El suelo flotante: (1) impide la difusión del ruido transmitido por la estructura introducido por las patas de algunos instrumentos musicales. (2) aumenta significativamente el aislamiento contra el sonido transmitido por el aire a la sala de ensayo inferior y (3) constituye una superficie dura con capacidad alta de soporte de carga. Los paneles de escayola de las paredes. que descansan sobre las planchas flotantes y no tienen conexiones rígidas con las paredes de mampostería. son necesarios para aumentar la reducción del ruido entre las dos salas de ensayo adyacentes. El techo suspendido de manera elástica aumenta el aislamiento contra el sonido transmitido por el aire a la sala de ensayos superior y prácticamente elimina la transmisión lateral aérea de ruido entre las dos habitaciones adyacentes a través de la losa común de techo estructural. El alto grado de aislamiento que logran esta y otras instalaciones similares sólo puede alcanzarse si se controlan las pérdidas laterales. en el aire y la estructura.

---

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

..

óD

,9

1111111111111

~

Pared de hormi9 Aislante rígido Revestimiento de esea ola

'~ ~

e

5

CD

o

~

'..g

111-

O

a;

1/

~

e 'c;;

-o -5

. .

'E

I

e

~-10 CD

~

V

~

'E-15

.,

\ \ \~

\/ 1\

"8. .!!1 e

32.27

00160 250 400 600 100160 250

o

:o

.

E

U

100

1000 Frecuencia en herzios

FIGURA 32.14. Reducción en la pérdida de transmisión del sonido (dTl) como resultado del acoplamiento rígido de una capa ligera de escayola a una partición pesada. (De acuerdo con K. Gase/e".)

a través de conductos de ventilación, agujeros alrededor de tuberías y entradas de conductos, etcétera, en la misma medida en que se hace con las particiones. La Figura 32.16 muestra la instalación adecuada de las bajantes de basura y los recipientes para impedir la transmisión de los ruidos de impacto (producidos al vaciar los desperdicios por la bajante) a la estructura del edificio. La bajante no debe ubicarse junto a o cerca de las áreas de vivienda, sino cerca de espacios no críticos, como la escalera. La bajante debe: (1) estar alineada verticalmente y tener todas las juntas bien acabadas para minimizar impactos; (2) estar cubierta con un tratamiento de amortiguación de la vibración (véase Capítulo 28), con el fin de disipar una gran parte de la energía vibratoria introducida, y (3) aislarla de la construcción del edificio mediante elementos elásticos y cámaras de aire, con el fin de minimizar la transmisión de la vibración de la bajante al edificio. El recipiente debe estar completamente separado de la bajante, mediante un espacio de 5 cm (2 in), como se muestra en la parte inferior de la figura. Esto es necesario para impedir que las vibraciones intensas, generadas cuando caen objetos pesados que golpean el recipiente, se propaguen hacia arriba a través de la bajante. Los neumáticos de caucho en el vaciador sirven como aislantes de la vibración para proteger el suelo. La cobertura de masilla del recipiente reduce la intensidad del ruido transmitido por el aire irradiado desde sus paredes. La Figura 32.17 muestra medidas que reducen el ruido transmitido por la estructura debido al funcionamiento de los ascensores. La primera, y más eficaz, es colocar el eje del ascensor y la habitación del torno o la bomba de manera que no estén junto a viviendas u otras áreas sensibles al ruido y la vibración. Los montajes del motor y el torno deben apoyarse de forma elástica mediante aislantes de vibra-

32.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

Freno de cabeza elástica

Material absorbente del sonido Material absorbente ,I'~!!~=~~!!t I del sonido grueso suspendido con revestimiento pesado Pared de bloques de hormigón Revestimiento ligero sobre canales elásticos

Revestimiento pesado sobre tacos separados Sin contacto con el núcleo de mampostería Núcleo de pared de mampostería

Plancha flotante Suelo en laflotante Figura como 32.9a

la --;=:==¡¡¡i=====¡iIfr-ll=~I~~~mmi~~~r ~omo Figuraen 32.6a losa estructural

Construcción ligera de aislamiento alto

Construcción pesada de aislamiento muy alto

FIGURA 32.15. Dos montajes elásticos de suelo, pared y techo para aislamiento alto y muy alto contra el ruido transmitido por el aire y por la estructura.

ción de neopreno. que sean eficaces en tres direcciones y puedan soportar las fuerzas de levantamiento. Las bombas hidráulicas deben tener los relevadores de arranque montados sobre ensamblajes de motor-bomba-tanque; todo el ensamblaje debe estar apoyado de manera elástica sobre aisladores de vibración de neopreno. Las tuberías hidráulicas deben apoyarse de forma elástica. desde el tanque hasta el pistón de base. con elementos de neopreno. En aplicaciones críticas. puede ser necesario controlar el ruido transmitido por la estructura producido por la cabina del ascensor y los contrapesos. Con este fin. pueden colocarse rodillos de neopreno en la cabina y los contrapesos. o apoyar elásticamente los raíles guía en la estructura del edificio. Los detalles adecuados han de elaborarse de acuerdo con el fabricante del ascensor.

--

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

32.29

Pared eje. No entra en contacto con el conducto Abrazadera o ángulo de apoyo del conducto

Construcción del suelo Tratamiento de amortiguamiento de la vibración

Hueco mínimo de 2 in

( Neumáticos de caucho del vaciador

Recipiente de metal de residuos

J

Tratamiento de amortiguamiento de la vibración en todas las superficies

FIGURA 32.16. Instalación adecuada de bajantes y recipientes de residuos. Sonido producido por una supeñicie vibratoria La presión sonora producida por una superficie vibratoria es proporcional a la velocidad de vibración de la superficie; sin embargo. es habitual relacionar el sonido irradiado por una superficie vibratoria estructural con su aceleración. debido a que esta última puede medirse directamente. La Figura 32.18 muestra la relación entre la aceleración de una superficie vibratoria y el nivel de presión sonora inmediatamente adyacente a ella. La aceleración se registra a lo largo de la escala vertical. La ordenada de la derecha expresa la magnitud de la aceleración en unidades g. donde

32.30

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Material acústico

Base del torno

Motor-_ _...

•slbsJi;__=~_,~~1

Placa de cobertura para minimizar la abertura

Nivel del suelo

l!::¡¡:===¡::!II_

Aislante de la vibración Puertas automáticas silenciosas con amortiguadores de caucho. Controles eléctricos, luces de señales y campanas montadas en cajas aisladas de la vibración

Rodillos elásticos o apoyo elástico .60'-::"-de los railes guia para la cabina y los contrapesos (b)

Rodillos elásticos o apoyo elástico de los raíles guia para la cabina y contrapesos Material acustico

m~o~t:o~r~d:e==ljlg,F;::::=¡

Puertas automáticas silenciosas con amortiguadores de caucho. Controles eléctricos, luces de sañales y campanas montadas en cajas aisladas de la vibración

Relevador del arranque montado sobre el ensamblaje de motorlbomba/tanque

Ensamblaje de motorl bomba~anque. ____--~1t~~r

Pistón hidráulico Sello elástico de manguito en la entrada de la tubería para evitar el contacto entre la tuberia y la pared (b)

FIGURA 32.17. (a) Medidas para reducir el ruido de tracción del ascensor; (b) medidas para reducir el ruido hidráulico del ascensor.

32.31

AISLAMIENTO DEL SONIDO TRANSMITIDO POR ESTRUCTURAS

Or-------------------------~--------~~ 19

-10

10'g

el

.. ~

_!:1

a;

.D

-ü

'c:" c: '" -o "O

10 'g

-ü

c:

lO

.o:>

-o -ü lO

.!!1

G;

a;

'c:"

u

"O

<{

'0

Ü lO

G;

.

Oi

10 'g

u

'"

"O

Oi >

Z

10 'g

Frecuencia en herzios

AGURA 32.18. Relación entre el nivel de aceleración de la vibración de una superficie y el nivel de presión sonora próximo a esta superficie en función de la frecuencia.

1 g = 9.81 m/segundo2 = 32.2 ft/segundo 2• La ordenada de la izquierda es el nivel de aceleración de la vibración expresado en decibelios. donde Nivel de aceleración de la vibración

=

20 loglO (alg)

dB

(32.3)

donde a es la amplitud de la aceleración de la superficie y g la aceleración de la gravedad. La frecuencia se registra sobre la escala horizontal; el nivel de presión sonora. expresado en decibelios re 20 micropascales. se lee sobre las líneas diagonales registradas en el centro de la gráfica. Supongamos que una partición que vibra continuamente irradia sonido en una habitación. El nivel de presión sonora resultante del sonido reflejado en la habitación Lr depende del área de la superficie. de la cantidad de absorción del sonido en

32.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

la habitación y de la eficiencia de radiación de la superficie vibratoria. Cuanto más baja es la absorción, mayor la eficacia de radiación, y mayor el área de la superficie, más alto es el nivel de presión sonora. El nivel de presión sonora reflejado Lr Yel nivel de presión sonora de la superficie Lsurfestán relacionados mediante Lr

=

L surf + 10 log (4S v CT/A)

(32.4)

donde S" es el área de la partición vibratoria que irradia sonido hacia la habitación, es su eficacia de radiación y A es la absorción total del sonido en la habitación, Dado que la eficacia de radiación siempre es igualo menor que la unidad, utilizando CT = l en la Ecuación (32.4) se asegura que el nivel de presión sonora previsto Lr es moderado. La Ecuación (32.4) indica que si la absorción total es mayor que 4 veces el área de radiación, el nivel de presión sonora en la habitación será inferior al medido cuando el micrófono esté situado cerca de la pared radiadora (siempre que la eficacia de radiación CT = 1). CT

REFERENCIAS l. Field and laborator)' measurements of airborne and impact sound transmission, ISO 140/ Ó y 7. International Organization for Standarization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza. 1978. 2. Tentati¡'e metllOd of labarator)' measurement of impact sound transmission through floorceling assemblies using the tapping machine. ASTM E-192-86, American Society for Testing and Matcrials, Filadelfia. 1986. 3. «Impact noise control in multi-family dwellings», FHA n.o 750. preparado por la Federal Housing Administration por Boh Beranek and Newman Inc .. enero 1963. 4, T. 1. Schultz.J. Acoust, Soco Amer,. vol. 60, 1976. p. 645. 5. «A guide to airborne. impact and structureborne noise control in multi-family dwellings». preparado por la Federal Housing Administration por el National Bureau of Standards. septiembre 1967. Ó. W. Zeller. Laermbt'kaemp[¡mg. vol 7.1963. p. 21. 7. K. Gosele, Dit' ScI/Q/lteclmik, vol. 39/40. 1960, p. 1. H. W. Westphal. Acustica Beihefte. vol. 1, 1956. p. 85. 9. 1. L. Vér y C. 1. Holmer, Capítulo 11 en L. L. Benarek (Ed.), Noise and ¡'ibration control. McGraw-HiII, Nueva York, 1971. lO. L. Cremer. M. Heckl y E. E. Ungar. Structureborne sound. 2." ed., Springer-Verlag. Nueva York, 1988. 11. K. Gosele. Beto" Herste/lu"g Vem·endung. vol. 26.1976. p. 26.

Capítulo

33

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS A. C. C. Warnock J. D. Quirt

INTRODUCCION Los elementos básicos utilizados en el control del ruido en edificios se describen en otros capítulos. Este capítulo comenta los problemas que pueden surgir cuando se combinan varios de estos elementos para la solución de los típicos problemas de ruido en los principales tipos de edificios. Se presta atención especial a los sistemas de viviendas multifamiliares y a las oficinas de plantas abiertas y cerradas. Se consideran métodos de protección de los ruidos que se originan tanto dentro como fuera de los edificios. Los criterios por los que el ruido es juzgado por un oyente dependen de las actividades y el entorno de esta persona. La Tabla 43.1 presenta algunas directrices sonre niveles aceptables de ruido en función de los distintos usos de los espacios. Habitualmente el problema lo constituye el ruido de fondo, aceptado como parte del entorno del oyente. y la posible intrusión de ruidos molestos procedentes de actividades vecinas. Los requisitos de aislamiento sonoro entre oficinas se nasan en impedir que se transmita el habla inteligible. ya que ésta suele ser el sonido intrusivo más importante. En las viviendas existe una gran variedad de actividades humanas. de ruidos y de deseo de silencio. Los requisitos de aislamiento del sonido suelen basarse en la experiencia y en encuestas sociales llevadas a cabo en varios países.

AISLAMIENTO ACUSTICO El nivel de ruido en el espacio ocupado por un oyente depende de la potencia sonora emitida por la fuente. la absorción del sonido en la habitación que contiene la fuente. la absorción del sonido en la habitación que ocupa el oyente y el aislamiento 33.1

33.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

acústico que aporta la estructura entre ambos espacios. El ruido transmitido por el aire, inicialmente irradiado al aire que rodea la fuente, puede reducirse interponiendo una o más particiones entre la fuente y la habitación receptora. El rendimiento del aislamiento acústico de las particiones se describe en el Capítulo 31. En los edificios, las fuentes también pueden generar ruido que se transmite a través de la estructura mediante la excitación directa de ésta. Este tipo de transmisión se describe en el Capítulo 32. El ruido de pisadas, un caso especial de ruido de impacto o transmitido por la estructura. se comenta brevemente en el Capítulo 32. En cualquier problema concreto. pueden estar implicados ruidos de todo tipo y por ello hay que considerarlos todos. ya que las medidas adecuadas para controlar el ruido transmitido a través del aire pueden no ser adecuadas para el transmitido por la estructura o para el ruido de impacto y viceversa. El aislamiento efectivo entre espacios adyacentes puede depender no sólo de la partición nominal. sino también de varias vías más. Las medidas que reducen la transmisión a lo largo de estas otras vías se describen en el Capítulo 32 y más adelante en este capítulo.

REDUCCION DEL RUIDO ENTRE DOS ESPACIOS CERRADOS El aislamiento acústico entre habitaciones adyacentes puede expresarse en función de las propiedades de las habitaciones y la pared o suelo de separación (véase Figura 33.1). Si la mayor parte del sonido viaja a través de la partición común. la diferencia entre los niveles sonoros de las habitaciones viene dada por dB

(33.1 )

donde Ls Y L R son los niveles sonoros medios en las habitaciones fuente y recep-

Habitación fuente

Habitación receptora

L.. A"

L,.

A..

FIGURA 33.1. Transmisión del sonido entre dos habitaciones. En la primera habitación hay una fuente que produce un nivel sonoro medio L.; la absorción total del sonido en esta habitación es As. La transmisión a través de la pared común produce un nivel sonoro medio LR en la segunda habitación (receptora); la absorción total en esta habitación es A R • Nótese que en esta representación se asume que todo el sonido pasa a través de la pared común.

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.3

tora. S es el área de la partición común. TL es su pérdida por transmisión y A R es la absorción de la habitación receptora. En la expresión anterior. TL y A R varían con la frecuencia. Estas variaciones. junto con el contenido variable de frecuencias de los distintos ruidos y las características frecuenciales del oído humano. hacen que el problema general sea bastante complicado. Se utilizan diversas simplificaciones para categorías de ruido y problemas de percepción específicos. Generalmente. el valor del aislamiento acústico de una partición se expresa con un índice único. la clase de transmisión del sonido. descrita en el Capítulo 31.

VIAS DE TRANSMISION DEL SONIDO ENTRE HABITACIONES En los edificios, existen muchas vías de transmisión del sonido. La Figura 33.2 muestra cómo puede transmitirse la energía sonora a través de techos, paredes y suelos de la estructura de un edificio, donde todos los componentes están rígidamente conectados, alcanzando las habitaciones adyacentes y produciendo molestias. En este mecanismo pueden intervenir otras particiones además de la partición común entre las dos habitaciones. Una vía lateral o vía de flanqueo es una vía de transmisión del sonido que implica elementos distintos a la partición común entre los dos espacios, aunque ésta también puede intervenir en el proceso. La Figura 33.2 muestra ejemplos de vías de flanqueo. Una vez que el sonido ha entrado en una estructura y se propaga como vihración, puede viajar a distancias considerables; la energía perdida en el desplazamiento de un punto a otro depende del material y de los detalles de la construcción. La estructura vibratoria vuelve a irradiar continuamente la energía en forma de sonido desde ambos lados. Las vías de flanqueo tienen consecuencias mucho más serias para la transmisión del sonido de impacto que para la transmisión aérea del so-

AGURA 33.2. Algunas de las vías posibles de transmisión del sonido en una estructura monolítica. Las flechas marcadas con O representan la transmisión directa a través de la partición común; las marcadas con F representan vías de flanqueo en que intervienen elementos distintos a la partición común.

33.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

nido. Esto se debe a que con los impactos se transmite más energía vibratoria a la estructura y a menudo a frecuencias bajas (que son más difíciles de controlar). Para lograr la máxima atenuación posible del sonido en edificios, hay que reducir al mínimo la transmisión de energía a través de las vías de flanqueo introduciendo rupturas y conexiones flexibles en lil construcción. De forma ideal, en un edificio de apartamentos, cada uno de ellos debe ser una unidad independiente, sustentada de manera flexible dentro del edificio. En la práctica, la estructura del edificio debe ser lo suficientemente rígida como para aportar la resistencia necesaria, pero se pueden conseguir configuraciones próximas a la ideal utilizando estructuras independientes siempre que sea posible y usando canales de metal flexibles para apoyar las paredes y los suelos flotantes. (Véase Capítulo 32 para un comentario sobre suelos flotantes.) Si por razones estructurales, el suelo está rígidamente conectado a las paredes anexas y de apoyo, la transmisión del sonido a través de las vías de flanqueo puede ser un problema serio. Un techo suspendido de manera flexible debajo del suelo, como en la Figura 33.3, reduce la transmisión del sonido en la vía directa a través del suelo. Sin embargo, no reduce de ninguna manera la transmisión a través de las vías de flanqueo a las habitaciones adyacentes del mismo nivel, ni la transmisión por las vías de flanqueo de las paredes hacia abajo. Una forma mucho mejor de reducir la transmisión del sonido de impacto a través de las vías de flanqueo es utilizar un suelo flotante. En la Figura 33.4 se muestra este tipo de suelo de manera idealizada. (La Figura 32.9b muestra una construcción práctica.) La energía sonora se disipa dentro de la plancha flotante o es atenuada a medida que se propaga desde la plancha del suelo a través de la capa flexible o los apoyos al resto de la estructura. Además, si las superficies de las paredes en las habitaciones se sujetan de forma flexible se reducen las vías directas y de flanqueo restantes.

AISLAMIENTO ACUSTICO EN EDIFICIOS RESIDENCIALES Factores que afectan a los requisitos de aislamiento acústico en viviendas plurifamiliares

La Tabla 43.1 incluye algunas directrices acerca de la aceptabilidad de los niveles sonoros en función del uso de los espacios o habitaciones. En los edificios residenciales, existen dos tipos de ruido: el ruido de fondo, aceptado como parte normal del ambiente del oyente, y los sonidos molestos o distractores que se transmiten desde espacios vecinos. Son varios los factores importantes que intervienen en la determinación de si el ruido de la vecindad molesta al ocupante de una vivienda plurifamiliar: (1) las características de transmisión del sonido de impacto y aéreo de paredes y suelos, (2) el nivel de ruido generado en el espacio adyacente, (3) el nivel de ruido de fondo en la propia vivienda del ocupante y (4) la sensibilidad del ocupante. Los dos últimos factores pueden variar ampliamente. Hay que elegir el valor de aislamiento acústico de una partición (expresado en términos de clase de aislamiento de impacto o clase de transmisión sonora) de manera que proporcione protección

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.5

FIGURA 33.3. El techo suspendido de forma flexible reduce la transmisión directa a través del suelo, pero no influye sobre la transmisión a través de las vías de flanqueo.

para la mayoría de las situaciones. Siempre habrá un cierto número de casos en los que se produzcan molestias por un vecino ruidoso, por existir unos niveles bajos de ruido de fondo o porque los ocupantes sean muy sensibles; el porcentaje de estos casos puede reducirse aumentando los niveles de los requisitos de aislamiento acústico empleados.

Criterios de aislamiento acústico para viviendas plurifamiliares

En las Tablas 33.1 y 33.2 figuran los valores recomendados de aislamiento acústico efectivo para paredes y suelos entre viviendas en términos de clase de transmisión de sonido y clase de aislamiento de impacto (descritos en el Capítulo 31). Estos valores pueden ser más altos que los que generalmente exigen algunas reglamentaciones nacionales (EE.UU.) y municipales, pero son parecidos a los utilizados en los países europeos y aseguran un ambiente sonoro en las viviendas digno. Con algunos de los materiales típicos de construcción de edificios pueden obtenerse valores incluso fllás altos sin necesidad de recurrir a diseños extremos, aunque hay que tener cuidado durante los procesos de diseño y construcción. (Véase Capítulo 31 para información sobre diseño y el resto de este capítulo para detalles de construcción.) Los valores de aislamiento contra el sonido de las Tablas 33.1 y 33.2 pueden lograrse en construcciones con conexiones normales entre paredes, suelos y techos. La selección de elementos con valores altos de aislamiento medidos en laboratorio no garantiza que se obtendrá el mismo grado de aislamiento alto en el edificio construido. Esto se debe a que la transmisión lateral en las uniones de los elementos de la construcción puede reducir drásticamente el aislamiento contra el ruido. (Véase «Vías de transmisión del sonido entre habitaciones» en este capítulo.) Los ensayos de cam.P01.2 de aislamiento acústico en una fase temprana de la construcción permiten efectuar cambios antes de que sea demasiado tarde. Los valores de clase de aislamiento de impacto (I1C) de la Tabla 33.2 se aplican a suelos sin alfombras ni otras coberturas elásticas. Los ensayos en los mismos suelos cubiertos con alfombra y cañamazo arrojarían valores I1C bastante altos, pero

33.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

,~

D

FIGURA 33.4. El suelo flotante reduce el sonido de impacto en la fuente y reduce todas las vías, directas y de flanqueo, a través del suelo. Las superficies adicionales con conexiones flexibles en las paredes de las habitaciones reducirían las vías directas y de flanqueo restantes.

sólo debido a la presencia de la alfombra y el cañamazo. Aunque las viviendas pueden construirse con suelos alfombrados, los propietarios pueden retirarlo y sustituirlo por parquet o alguna otra superficie dura. El ruido de las pisadas sería entonces inaceptable. Por ésta y las razones comentadas en el Capítulo 31, los criterios I1C en las normativas de edificación sólo deben hacer referencia a suelos desnudos. Influencia de la distribución interior del edificio sobre los requisitos de aislamiento acústico

Una de las maneras más simples de controlar el ruido es separar las áreas ruidosas y las silenciosas tanto como sea posible. Los niveles de ruido generados en las viviendas varían ampliamente de una habitación a otra. Las cocinas suelen ser más ruidosas que los dormitorios; los salones pueden ser silenciosos o pueden ser una fuente de habla o sonidos de aparatos de radio y televisión. Si se sitúa un área sensible, como un dormitorio, junto a una habitación con máquinas ruidosas es precisa una reducción de ruido elevada para lograr un ambiente silencioso en la habitación. Así, una elección cuidadosa de la disposición hace que disminuyan las atenuaciones necesarias entre los espacios y, por tanto, la insonorización necesaria de los componentes del edificio. Las recomendaciones de las Tablas 33.1 y 33.2 tienen en cuenta esta variación en la actividad y los niveles de ruido entre habitaciones. Las siguientes directrices y ejemplos pueden ayudar a evitar problemas importantes debidos a una mala disposición y a la maquinaria ruidosa de los edificios. • Aislar las áreas de maquinaria, bajantes de basuras, cajas de ascensores, calefacción central, sistemas de ventilación y aire acondicionado, bombas de circulación del agua y otros equipamientos mecánicos ruidosos del edificio tanto como sea posible de áreas sensibles de vivienda y dormitorio. • Montar la maquinaria sobre aisladores de la vibración diseñados adecuadamente (véase Capítulo 29).

33.7

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

TABLA 33.1. Requisitos mínimos para el aislamiento del sonido transmitido por el aire de paredes y suelos que separan viviendas, expresados en términos de clase de transmisión del sonido (STC) Los valores se presentan en categorías específicas de habitaciones'

1 Espacios separados

Dormitorios

11 Salón, comedor, habitaciones familiares

1. Dormitorios II. Salón, comedor, habitaciones familiares III. Cocina, aseo, pasillo, entrada, despensa, espacios útiles IV. Espacios de servicio comunes a dos o más unidades de vivienda (a) Típicamente silenciosos, p. ej., pasillos comunes, escaleras, espacios de almacén (b) Típicamente ruidosos: garajes, áreas de vertido de basuras (incluyendo bajantes de basura), salas de equipamiento mecánico, salas de calderas, lavanderías, pistas de squash, salas de fiesta

55 55

50

55

50

50

50

50

45

70

70

60

III Cocina, aseo, espacios auxiliares

• Si dos o más categorías se combinan en un solo espacio, regirá el requisito más alto. Véase Capítulo 31 para valores de aislamiento de transmisión aérea de construcciones típicas de paredes y suelos-techos.

• Situar las áreas relativamente tranquilas, como los dormitorios, próximas entre sí, con el fin de minimizar la reducción del ruido precisa para la satisfacción de los ocupantes. • Usar los espacios útiles, pasillos y vestíbulos, como espacios de amortiguamiento entre las áreas ruidosas y silenciosas. • Instalar tratamiento absorbente del sonido en los espacios que contengan maquinaria ruidosa. Aumentar la cantidad de absorción del sonido en una habitación que contenga maquinaria ruidosa reduce el nivel de presión sonora y por tanto el nivel sonoro que llega a las habitaciones adyacentes. Esto resulta particularmente útil si hay poca absorción del sonido en la habitación fuente [véase Ecuación (4.8)]. Es probable que el dormitorio en la vivienda de la Figura 33.5a sea ruidoso debido al ruido procedente de la caja del ascensor y la cocina adyacentes. La vivienda de la Figura 33.5b tiene mejor disposición y las principales fuentes de ruido serán las viviendas superior e inferior. Los pasillos públicos (de distribución) sirven como zonas de amortiguación entre las viviendas, pero también pueden ser una fuente de ruido. Es probable que en la vivienda de la Figura 33.6 exista una intrusión de ruido no sólo desde el pasillo, sino también desde las viviendas adyacentes a través de las puertas. Esto es espe-

33.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 33.2. Requisitos mínimos para el aislamiento de ruidos de impacto de suelos que separan viviendas, expresados en términos de clase de aislamiento de impacto

Ole) Los valores se presentan en categorías específicas de habitaciones'

Espacios receptores (debajo del espacio fuente)

Espacio fuente (encima del espacio receptor) l. Dormitorios 11. Salón, comedor, habitaciones familiares 111. Cocina, aseo, pasillo, entrada, despensa, espacios útiles IV. Espacios de servicio comunes a dos o más unidades de vivienda (a) Típicamente silenciosos, p. ej., pasillos comunes, escaleras, espacios de almacén (b) Típicamente ruidosos: garajes, áreas de vertido de basuras (incluyendo bajantes de basura), salas de equipamiento mecánico, salas de calderas, lavanderías, pistas de squash, salas de fiesta

1

n

Dormitorios

Salón, comedor, habitaciones familiares

ID Cocina, aseo, espacios auxiliares

55 55

55 55

50 50

55

55

50

55

55

50

70

65

55

• Si dos o más categorías se combinan en un solo espacio, regirá el requisito más alto. Véase Capítulo 32 para valoraciones de aislamiento de impacto de construcciones típicas de suelo-techo.

cialmente cierto si las puertas no tienen buen aislamiento contra el sonido, están mal selladas y tienen grandes huecos en la parte inferior, o tienen paneles de ventilación. Un vestíbulo que pueda cerrarse entre el pasillo exterior y las áreas de vivienda ayuda a reducir la intrusión de ruidos (Figura 33.7). Esta disposición es frecuente en los hoteles europeos y reduce en gran medida la entrada de ruidos desde los pasillos. Esta técnica también puede utilizarse en restaurantes para mantener el área ruidosa de la cocina separada del área de comedor. La desalineación entre puertas, las alfombras y los techos acústicos para absorber el sonido en los pasillos son otras formas de reducir el ruido (Figura 33.8).

AUDIBILlDAD DE LAS ALARMAS DE INCENDIO Si la reducción del ruido entre viviendas es tan buena como se recomienda, las alarmas contra incendios colocadas en los pasillos exteriores pueden no ser lo suficientemente sonoras como para despertar a los ocupantes que duermen en las viviendas. En un edificio de apartamentos con buena insonorización, las alarmas de

33.9

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

co=m'do,

[Do,mdO,;O Salón

cOcinaL !1 Entrada

;.r--

~

~~JJL I I[[J ~~

Salón

Dormitorio

Do,mdo,;o

Cocina

11

la)

lb)

FIGURA 33.5. Comparación entre dos disposiciones de la planta de un apartamento. (a) Mala disposición; (b) buena disposición.

incendios de los pasillos pueden no ser audibles en los dormitorios de las viviendas. Son precisos sistemas más sofisticados conectados con alarmas instaladas en el interior de los apartamentos.

RUIDO DE IMPACTO DESDE LAS ESCALERAS En la medida de lo posible, las escaleras han de estar aisladas de las paredes del edificio. Los escalones y la estructura han de ser rígidos y hay que cubrir los peldaños con material elástico para reducir el ruido de las pisadas. Una alfombra suele ser el mejor material para reducir el ruido. Si la alfombra origina dificultades de limpieza, el uso de otros materiales con revestimiento elástico es menos eficaz, pero también beneficioso.

PARTICIONES CON VARIOS ELEMENTOS Una partición puede estar compuesta de dos o más secciones que contengan distintas propiedades de aislamiento del sonido, por ejemplo, una pared que contenga una ventana o una puerta. En este caso, el valor efectivo de aislamiento acústico de la pared compuesta puede determinarse a partir de las propiedades de los componentes individuales mediante las siguientes ecuaciones.

33.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~;-_ ........,,:::::/-

Pasillo

,1/ -@/1"

Fuente de ruido

FIGURA 33.6. Las puertas que están frente a frente representan una vía fácil para la transmisión del sonido, especialmente si no tienen buena insonorización, no tienen burletes o tienen paneles de ventilación. Las flechas muestran posibles vías de transmisión del sonido.

Aislamiento que aporta una partición con varios elementos

El coeficiente de transmisión T de una partición es la relación entre la potencia sonora transmitida a través de la pared por unidad de área y la potencia sonora incidente sobre la pared por unidad de área. La pérdida por transmisión TL (véase Capítulo 31) es la expresión del coeficiente de transmisión sobre una escala de decibelios. Las dos cantidades están relacionadas mediante TL

= 10 10glO (lIT) T

= 10-TUlO

(33.2) (33.3)

Un coeficiente de transmisión de cero, T = 0, significa que nada de la energía sonora incidente pasa a través de la partición; la pérdida por transmisión es infinitamente grande. Un coeficiente de transmisión de uno, T = 1, significa que toda la energía sonora incidente pasa a través de la partición; TL = O. Esta última condición se aplica, por ejemplo, a una ventana abierta. La energía sonora que pasa a través de cada componente de una partición depende de su área y de su pérdida por transmisión. La ecuación que rige el proceso es (33.4) donde A I YTI representan el área y el coeficiente de transmisión del primer elemento de la partición, A 2 y T2 representan al segundo elemento de la partición y así sucesivamente. Las cantidades Atota! Y Ttotal corresponden a la partición compuesta. El TL correspondiente al sistema combinado puede calcularse entonces utilizando la Ecuación (33.2) y el valor de Ttotal' El valor de la clase de transmisión del sonido (STC) de una pared con compo-

33.11

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

Pasillo

FIGURA 33.7. Los vestíbulos aumentan la atenuación del ruido procedente del pasillo y entre las viviendas o las habitaciones de un hotel.

nentes cuyos valores STC y áreas son conocidos puede calcularse mediante las Ecuaciones (33.2) y (33.4). La misma fórmula se aplica aproximadamente cuando se utilizan los valores STC en lugar de los datos de pérdida por transmisión.

Ejemplo. Una partición con un área total de 25 m 2 consiste en una pared, STC 48, con una superficie de 20 m2 (215 ff); una ventana, STC 27, con un área de 3,3 m2 (36 ft2), Y una puerta, STC 31, área 1,7 m 2 (18 ft2). ¿Cuál es el STC efectivo de la partición? A partir de las Ecuaciones (33.2) y (33.4), con el STC tratado como TL, los siguientes cálculos muestran que la partición compuesta tiene un STC de 35. Al

Componente Pared Ventana Puerta STC de la partición

=

STC

m2

(ff)

Ti

T;AIA totaJ

48 27 31

20 3,3 1,7

(215) (36)

0,000016 0,002 0,00079

0,000013 0,000263 0,000054

25,0 10 log (1/0,00033) = 35

~ (269)

0,00033

Clase de transmisión del sonido de los componentes en una partición con varios elementos

Las ventanas y las puertas no suelen tener pérdidas por transmisión del sonido altas; si se incluyen en una pared, la insonorización global del sistema se reducirá. Esto puede compensarse seleccionando áreas y clase de transmisión del sonido (STC) de los componentes de manera que las pérdidas por transmisión globales y los valores

33.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~

11:.....

....··\i············*.:::::::·.·.·

~

'I/

_@_ /1'

Fuente de ruido

Pasillo alfombrado

....................

~~

FIGURA 33.8.

Añadir material absorbente del sonido a las superficies del pasillo (p. ej., alfombras y techos acústicos) y desalinear las puertas reduce la transmisión entre viviendas, pero este método no resulta efectivo para controlar la intrusión del ruido desde el pasillo. Las flechas muestran las vías posibles de transmisión del sonido.

STC del sistema se ajusten al criterio de diseño. La pérdida por transmisión es una función de la frecuencia, y por ello los cálculos deben llevarse a cabo para cada banda de frecuencia; después el valor de STC debe calcularse para el espectro compuesto de pérdida por transmisión. Sin embargo, puede obtenerse una aproximación burda utilizando sólo los valores STC globales, de la siguiente manera. Un enfoque sencillo para combinar los componentes de una partición con varios elementos es obligar a que todos ellos tengan el mismo valor de clase de transmisión del sonido (STC). En la práctica, esto no suele ser posible cuando el STC requerido es bastante alto y la partición incluye ventanas y puertas. Una pared con un valor STC alto es mucho más fácil de construir que una ventana o una puerta con un STC alto. Así, un enfoque más práctico y económico para combinar elementos es permitir que a través de aquellos con aislamiento acústico bajo, como puertas y ventanas, pase más energía sonora. Esto se compensa reduciendo la cantidad de energía sonora que pasa a través de aquellos componentes que pueden tener fácilmente valores STC altos (por lo general, sólo la pared). Las superficies de los componentes pueden ajustarse para asegurar que el STC combinado satisface los requisitos del diseño. Para diseñar una partición combinada, se procede de la siguiente manera: 1. Se calcula el área de cada componente como un porcentaje F¡ del área total

de la partición. 2. Como primer paso, se presupone que cada componente deja pasar una parte de la energía total F2 = l/n, donde n es el número de componentes. 3. Se calcula la clase de transmisión del sonido de cada componente STCc a partir de la ecuación (33.5) donde STC d es el STC global requerido por el diseño.

33.13

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

Si el valor STC de un componente es demasiado alto, se aumenta el valor de 6 para ese componente, se reduce su área, o ambos. Los valores F¡ y F2 para los otros componentes deben reducirse de manera que todos los valores de F¡ y F2 sumen 1.

Ejemplo. Una pared, una puerta y una ventana con superficies relativas de 0,75, 0,15 Y0,10 del área total, respectivamente, se utilizan en una partición compuesta. El valor del aislamiento de la partición compuesta debe tener un STC de 50. ¿Cuáles son los valores STC permisibles para cada componente? Cálculo.

La clase de transmisión de sonido combinada precisa es: STC d

= 50.

1. Se supone que todos los componentes dejan pasar un tercio de la energía to-

tal:

Componente Pared Puerta Ventana

Area relativa, Fl

Energía relativa, F 2

STC del componente = STCd + 10 log (F1/F1 )

0,75 0,15 0,10

0,333 0,333 0,333

54 47 45

Los requisitos de aislamiento para la puerta y la ventana son altos; por tanto, éste no es un diseño práctico. 2. Se repiten los cálculos para los valores de energía relativa transmitida a través de la pared, puerta y ventana de 0,10, 0,45 Y0,45; Ylas áreas relativas de 0,82,0,15 Y0,03, Yse obtienen unos valores STC de los componentes de 59, 45 Y38. 3. Al reducir la proporción de la energía sonora que pasa a través de la pared hasta 0,01, el STC requerido para la pared es 69, pero los requisitos redondeados hasta el decibelio más próximo para la puerta y la ventana no cambian. Esto se debe a que la mayoría de la energía ya pasaba a través de la ventana y la puerta. Este ejemplo ilustra las limitaciones al aumentar el aislamiento del sonido de un componente con respecto a los demás; el STC global se determina sobre todo mediante la transmisión del sonido a través de los componentes más débiles. Este ejemplo también muestra la importancia de estudiar los requisitos del sistema antes de la construcción. Es posible, sin demasiada dificultad, construir una ventana que tenga un valor de STC de 38, pero las puertas únicas con un valor de STC superior a 40 son caras. Puede resultar más económico rediseñar el edificio, de manera que los requisitos acústicos del sistema sean menos exigentes.

33.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ESCAPES DE SONIDO

Un escape de sonido es el paso del sonido a través de grietas o agujeros en la estructura del edificio. Los escapes más frecuentes en los edificios se deben a: • Grietas en una pared de bloques de hormigón. • Huecos no sellados alrededor de las salidas de potencia. • Fisuras bajo las placas de escayola de las paredes en que se ha omitido el calafateado. • Aberturas alrededor de las tuberías en los lugares de entrada/salida de las paredes. • Grietas alrededor de los bordes de puertas y ventanas. Para eliminar los escapes de sonido: • Se sellan todos los agujeros y fisuras en suelos y paredes divisorias sin calafateado endurecedor. • Se aplican juntas de culata de caucho o calafateado no endurecedor para sellar las aberturas alrededor de tuberías y conductos (lo cual también impide que las tuberías formen un nexo rígido y una vía de transmisión fácil de vibración entre los dos lados de una pared). • Se colocan correctamente burletes en puertas y ventanas. • Se reparan y sellan los agujeros que se hacen durante la instalación de los servicios. Aunque el área de un escape puede ser pequeña, la pérdida por transmisión será aproximadamente cero. La Figura 33.9 muestra los efectos de escapes en paredes de distintos tamaños sobre los valores de clase de transmisión del sonido (STC). La gráfica muestra que, salvo que el área del escape sea muy pequeña con respecto a la de la pared, el STC está determinado fundamentalmente por el área del escape. Por ejemplo, si el área del escape es el 0,0001 del área de la pared, el STC nunca superará un valor de 40, por buena que potencialmente sea la pared. Cuanto más alto sea el aislamiento acústico buscado, más importante es eliminar todos los escapes del sonido. Las salidas eléctricas colocadas reverso contra reverso pueden simplificar las uniones, pero, como muestra la Figura 33.lOa, son vías potenciales de escape alrededor y a través de las cajas de las salidas difíciles de sellar. Desalinear las salidas, como muestra la Figura 33.lOb, aumenta la atenuación en el escape de sonido entre ellas. Las salidas pueden montarse reverso contra reverso si se utilizan paneles internos de bloqueo y relleno absorbente, como muestran las Figuras 33.lOc y d. La Figura 33.11 muestra ejemplos de dónde debe aplicarse el calafateado con el fin de impedir los escapes de sonido. Si surge algún problema, hay que examinar éstas y otras localizaciones similares para asegurarse de que no se ha omitido y de que cubre los huecos como es preciso. La Figura 33.12 muestra un ejemplo en que se ha aplicado el calafateado, pero todavía se produce un escape del sonido debido a la suciedad existente en el solado. Un escape parecido podría producirse con una placa alabeada o con un hueco. Una pared de bloques de hormigón o de hormigón en masa, aunque masiva y aparentemente sólida, puede tener vías de escape si, por ejemplo, hay grietas en las

33.15

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

50 Area del escape

45

40 STC con escape 35

30

25

20

15 35

40

45

50

55

60

STC sin escape

FIGURA 33.9.

Efectos del escape de sonido sobre el aislamiento de sonido de una partición. Los rectángulos de las curvas muestran el área relativa del escape.

juntas de mortero de los bloques o si hay fallos en alguna zona de la pared de hormigón en masa. La Figura 33.13 muestra las vías de escape del sonido en estos casos y los beneficios del calafateado. Como ilustración práctica de la importancia de las vías de escape del sonido, la Figura 33.14 muestra la reducción del aislamiento producida por las salidas eléctricas no selladas, reverso contra reverso. Sellar las salidas aumenta el STC de 52 a 55. DETALLES DE LA CONSTRUCCION PARA EVITAR REDUCCIONES EN EL AISLAMIENTO ACUSTICO Los detalles de la construcción de las juntas entre paredes y suelos influyen en gran medida en la transmisión del sonido entre viviendas. Hay que evitar las vías de flanqueo, elementos de construcción y áreas con insonorización deficiente y escapes del sonido. Consideremos la pared de partición que muestra la Figura 33.15. Ambos, pared y suelo, aportan valores STC altos cuando son examinados individualmente. Sin embargo, debido a la transmisión de la vibración (flanqueo) a lo largo de la superficie del suelo, el aislamiento sonoro entre los dos apartamentos adyacentes no es bueno. La pared de la partición está «cortocircuitada» por la capa superior del suelo. Un problema parecido puede producirse con los suelos flotantes, como muestra

33.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(b)

(d) Sección

(el

Panel de bloqueo

Panel de bloqueo

FIGURA 33.10. Posibles vías de transmisión del sonido a través de las paredes que contienen salidas eléctricas. (a) Las salidas reverso contra reverso representan una vía fácil para el sonido y son difíciles de sellar mediante calafateado. (b) Desalinear las salidas a lo largo de la pared fuerza al sonido a viajar a través del material absorbente del sonido y a atenuarse. (e) Planta y (d) sección de una pared que muestran cómo los paneles internos de bloqueo permiten colocar las salidas reverso contra reverso. El sonido es atenuado debido a que se le fuerza a viajar a través del material absorbente del sonido.

la Figura 33.16a. El problema puede evitarse introduciendo una ruptura en la plancha flotante, como muestra la Figura 33.16b. Si el material elástico de la plancha flotante no puede soportar la estructura de la pared, puede utilizarse el tipo de construcción de la Figura 33.16c. La introducción de una discontinuidad estructural reduce o impide el paso de la vibración a lo largo de las capas ligeras de la construcción, ya sean de escayola, hormigón o madera. Puede introducirse una ruptura en la construcción de viguetas de madera realizando un corte de sierra en el subsuelo (como ilustra la Figura 33.17) o construyendo las dos particiones de una pared doble con tirantes, de manera que sean independientes. En algunos casos, no es posible introducir estas rupturas en la construcción y seguir manteniendo la fortaleza del edificio, sobre todo si la necesidad de la ruptura no se detecta en la fase de diseño. Cuando no puede introducirse

33.17

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

_ _ Escayola (a)

Tacos de madera

(e)

(b)

---~ 1-".IiiIIiIllíí~-.f

Escayola

Travesaños metálicos o de madera

Incrustaciones de metal elastieo

Plancha de fibra

Sellado

FIGURA 33.11. Disposiciones recomendadas para el calafateado. (a) En paredes de bloques de hormigón; (b) a los pies de paredes con travesaños metálicos o de madera; (e) a los pies de paredes con travesaños de madera, con canales de metal elásticos que sujetan la plancha de escayola.

una ruptura completa, cuanto más compleja sea la vía de transmisión del sonido en las uniones donde se encuentran las particiones, mayor atenuación se logrará. La Figura 33.18a muestra cómo puede producirse la transmisión por flanqueo en el punto en que las paredes divisorias se encuentran con las paredes exteriores. La construcción ilustrada en la Figura 33.18b rompe la vía de transmisión a lo largo de la pared exterior. La construcción que se muestra en la Figura 33.18c también rompe esta vía y aporta una superficie interior continua para controlar la migración del vapor. El detalle de la Figura 33.18c muestra un espacio hueco entre las capas de escayola que ha sido calafateado para mantener una barrera continua de vapor, mientras se sigue obteniendo la ruptura de la estructura para el control acústico. La Figura 33.19a muestra un ejemplo de cómo el sonido de flanqueo puede propagarse hacia abajo, en una construcción de travesaños de madera, para alcanzar la habitación inferior. Aunque sólo se necesita un conjunto de canales de metal elásticos para aislar entre sí las capas de la pared, si se instala un conjunto a cada lado se reduce la transmisión de los sonidos por flanqueo desde los apartamentos superiores, como muestra la Figura 33.19b. Incluso si se utilizan travesaños dobles para

33.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS V CONTROL DEL RUIDO

Sellado

FIGURA 33.12.

No es suficiente la mera aplicación del calafateado; éste tiene que seIJar realmente los huecos. Como se muestra aquí, la suciedad, un hueco en el calafateado, madera alabeada o alguna otra causa pueden dejar escapes.

la partición, puede haber transmisión por flanqueo hacia abajo desde los apartamentos superiores; esta transmisión por flanqueo puede reducirse utilizando canales elásticos. Puede encontrarse más información sobre la instalación de las particiones fijas, del tipo de marco ligero, para mantener el aislamiento contra el sonido en la publicación ASTM E4973 . Si se montan armarios de cuartos de baño reverso contra reverso sobre una pared de partición, se puede producir una transmisión excesiva del ruido a través del armario de una vivenda hacia el armario adyacente en la siguiente vivienda, sobre todo si los armarios están vacíos. Un escaso espesor de la pared, la existencia de escapes alrededor de los armarios y un peso menor de los paneles posteriores con respecto a las superficies de la pared contribuyen a la reducción del aislamiento acústico. La Figura 33.20a ilustra este problema. Hay que evitar montar los armarios sobre la pared de partición, pero si es precisa esta ubicación, puede utilizarse la técnica de montaje que muestra la Figura 33.20b. Los armarios pueden montarse en huecos, como muestra la Figura 33.20c, si se alternan a lo largo de la pared y están respaldados por una barrera sólida. El material absorbente del sonido en la cavidad recoge cualquier sonido que se escape alrededor de los armarios hacia la cavidad. El riesgo de molestia debido al impacto de cerrar las puertas en las Figuras 33.20b o e es relativamente pequeño. Consideraciones parecidas se aplican a los armarios de cocina, pero en este caso el riesgo de molestia para los vecinos debido a los portazos es mayor, ya que no suele haber cristal y se utilizan más frecuentemente. Por esta razón, es mejor no colgar los armarios de la cocina de paredes de partición en ningún caso. La Figura 33.21a ilustra cómo los suelos flotantes o las capas apoyadas de forma elástica pueden verse cortocircuitadas por la suciedad. La Figura 33.21b muestra el cortocircuito acústico debido a tornillos que son demasiado largos, un problema que también puede surgir con los canales metálicos elásticos. La Figura 33.22 muestra medidas de la pérdida de transmisión sonora en puntos en que los canales metálicos elásticos en la estructura del suelo fueron cortocircuitados deliberadamente

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.19

El sellado bloquea el paso del sonido

(d)

El sellado bloquea el paso del sonido /

FIGURA 33.13. (a) Posibles escapes de sonido en un hormigón con grietas que penetran en la pared. Hay que reparar la superficie de hormigón antes de aplicar la capa de escayola. (b) Un buen procedimiento de calafateado sellará el escape incluso si los vacíos no se reparan. (e) Unas juntas de mortero deficientes entre los bloques de la pared también pueden producir escapes. (el) El calafateado al pie de la pared reducirá los efectos de los escapes que se hayan dejado sin reparar.

33.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

70 ~--------------------------~

ce 60 "t:l ¿ 'o 'c;;

'E tIl

50

\

c:

........~

o c. 40


Salidas con escapes, FSTC 52

"t:l

'O

.Q¡ a..

30 .~,

20 125

250

500

1000 2000 4000

Frecuencia, Hz

FIGURA 33.14. Medida de campo de la transmisión del sonido de un muro antes y después de sellar los escapes a través de las salidas eléctricas.

mediante tomillos demasiado largos. Cuanto mayor es el número de los tomillos que hacen cortocircuito en la construcción, menor será la insonorización. Los conductos de ventilación son otra vía potencial para la transmisión del sonido entre habitaciones. La Figura 33.23a muestra una disposición inadecuada en que el sonido puede pasar fácilmente de una habitación a otra. La reorganización de la disposición ilustrada en la Figura 33.23b tiene los interiores de los ramales de los conductos revestidos con material absorbente del sonido. En algunos casos, también pueden ser necesarios atenuadores del sonido (silenciadores).

MEJORA DEL AISLAMIENTO ACUSTICO EN ESTRUCTURAS EXISTENTES Mejora de paredes existentes

Los intentos de aumentar el aislamiento sonoro entre dos habitaciones o viviendas sólo deben hacerse después de una investigación cuidadosa para determinar la razón de la mala insonorización. Como se ha señalado en «Vías de transmisión del sonido entre habitaciones», la partición común no siempre es la vía principal del sonido. Las razones más frecuentes de una mal aislamiento acústico son: (1) escapes de sonido, (2) vías de flanqueo y (3) partición común inadecuada. Las tres causas pueden estar presentes en cualquier situación. Hay que reparar todos los escapes antes de hacer ningún cambio estructural; tras ello, se debe volver a evaluar el aislamiento acústico. Las principales vías de transmisión del sonido deben identificarse antes de realizar cambios estructurales. La escucha cuidadosa, en una de las habitaciones, de la

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.21

FIGURA 33.15. Transmisión de flanqueo a través de una losa continua de hormigón. El STC estimado para el muro era de aproximadamente 60, pero el medido sólo fue de 50 debido a la transmisión a través de la losa.

fuente de ruido existente en la otra puede permitir la identificación de las principales vías del sonido entre las dos habitaciones. El examen de los detalles de construcción en los planos del edificio puede revelar algunos fallos, pero en algunos casos será necesaria una ayuda profesional para identificar los lugares en los que deben realizarse las mejoras de la estructura. Si hay que mejorar el aislamiento acústico de una partición, es preferible cambiar su diseño o construcción por otro mejor (descritos en el Capítulo 31). Esto puede requerir el desmantelamiento parcial de la partición existente. Añadir material absorbente del sonido a una cavidad tiene poco efecto si las superficies que la encierran no están adecuadamente aisladas. Las capas adicionales de escayola sólo son efectivas si cambian significativamente el peso del elemento al que se conectan. Si no se puede alterar la partición existente, puede añadirse una capa adicional para mejorar la insonorización. La Figura 33.24 muestra dos métodos aceptables para hacerlo. Si se satisfacen los criterios presentados en el Capítulo 31, pueden utilizarse otras combinaciones de espesor de cámara de aire y masa de la capa de yeso añadida. (Véase la sección que trata sobre el revestimiento con capas de escayola de las paredes de bloques.) Mejora de suelos existentes

Los suelos existentes pueden alterarse para mejorar el aislamiento del sonido transmitido por el aire o del sonido de impacto. Si el problema implica un aislamiento inadecuado contra el sonido transmitido por el aire, se siguen las directrices comentadas en el apartado anterior relativas a la mejora de las paredes. La principal diferencia práctica entre tratamiento de paredes y de conjuntos suelo-techo es que estos últimos son asimétricos; por ejemplo, no siempre resulta factible realizar alteraciones sobre la superficie superior del suelo.

Cambios en la superficie del suelo. Si se añade un felpudo y una alfombra a un suelo que no la tenga, suele obtenerse una reducción importante de la transmisión del sonido de impacto. En casos en que el suelo ya esté cubierto por una alfombra y

33.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Plancha flotante

FIGURA 33.16. (a) La plancha flotante continua permite que el sonido se propague por flanqueo a lo largo de la plancha y bajo el muro. (b) Introducir una ruptura en la plancha flotante reduce la transmisión de flanqueo. (e) Este tipo de construcción puede utilizarse si el material elástico o la plancha flotante no pueden soportar la estructura del muro.

la transmisión del ruido de impacto sea demasiado alta, puede ser necesario añadir un suelo flotante (véase Capítulo 32). Los suelos flotantes aumentan la altura del suelo; las puertas ya no ajustan y hay que cortarlas. Pueden ser· necesarios además otros cambios estructurales.

Cambios debajo del suelo. Si se retira el techo existente, puede aumentarse el grosor y peso de la superficie del suelo, añadiéndole paneles (contrachapado, tableros de conglomerado, cartón, etc.) desde abajo. Así se obtienen los mejores resultados para el aislamiento del sonido transmitido por el aire. Si es necesario, también se puede modificar la estructura para permitir que soporte un techo más pesado, por ejemplo, de tres capas. El techo puede suspenderse de manera elástica desde la estructura del suelo mediante dispositivos comercializados que incorporan muelles de acero y neopreno. Una deflexión estática del techo del orden de 1 cm (3/8 in) ofrece una buena protección contra el ruido de pisadas. Esta alteración conseguirá una buena mejora del aislamiento del sonido transmitido por el aire y de impacto.

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.23

Corte de sierra

FIGURA 33.17. En una construcción de travesaños de madera, un corte de sierra en el subsuelo proporciona una ruptura estructural para reducir la transmisión de flanqueo. Si hay que sellar el hueco por seguridad contra incendios, ha de hacerse de manera que no forme una conexión rígida a través del corte de sierra.

Cambios sin desmantelar el suelo existente. A veces no se puede alterar la estructura existente y sólo es posible añadir un techo adicional. En general, las recomendaciones del Capítulo 31 sobre colocación de capas adicionales de escayola en paredes de bloques son válidas cuando se trata de hacerlo en techos. La Figura 33.25 muestra la mejora en el aislamiento acústico como resultado de utilizar distintas técnicas para colocar una única capa adicional de escayola. Con el fin de establecer una comparación, se muestran también los datos para el diseño de un suelo superior, para destacar que es mejor elegir y construir buenos diseños desde el principio.

VIBRACION y RUIDO DE MAQUINARIAS

Los edificios residenciales contienen una gran variedad de aparatos mecánicos que producen ruido, tales como lavavajillas, lavadoras y secadoras, ventiladores y acondicionadores de aire. La importancia de su localización con respecto a espacios silenciosos se comenta en «Influencia de la distribución interior del edificio sobre los requisitos de aislamiento acústico». Si estos aparatos se montan sobre aisladores de vibración adecuadamente diseñados (véase Capítulo 29), no generarán excesivo ruido transmitido por la estructura. En la sala central para lavandería, las lavadoras y secadoras pueden montarse individualmente de manera elástica, o montarse todas sobre una gran plancha flotante aislada de la estructura del edificio. La sala central de lavandería debe tratarse con material absorbente del sonido. Las bajantes de basuras, cajas de ascensores y otras instalaciones que puedan producir impactos fuertes deben rodearse con una construcción doble pesada que aísle la fuente del ruido de impacto de los espacios habitables adyacentes (véase Capítulo 32). La fontanería y las tuberías constituyen importantes fuentes y vías de transmisión de ruido. Los métodos de control de estas fuentes se describen en el Capítulo 45.

33.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(a)

(e)

FIGURA 33.18. (a) La transmisión por flanqueo puede producirse, como muestra la flecha, allí donde la pared de partición interna se encuentra con la pared exterior con una capa continua de escayola. (b) La ruptura en la construcción elimina el flanqueo a lo largo de la capa ligera de escayola. (e) Sellando una ruptura estrecha con una tapa flexible o un sellador se obtiene una barrera continua de vapor donde se necesita, mientras sigue reduciendo la transmisión por flanqueo.

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

-

33.25

- ..... /

(a)

Sonido transitido por flanq ueo

~n

(~ ~

~

c;:

\

~ (b)

I:P"~

(~

,

'7 :s;

~

...., FIGURA 33.19. (a) El sonido transmitido por flanqueo puede descender por la pared desde las habitaciones superiores hasta las habitaciones inferiores, como muestra la flecha. (b) Montando la placa de escayola sobre canales metálicos elásticos reduce la transmisión por flanqueo.

PRIVACIDAD DE LAS CONVERSACIONES EN EDIFICIOS DE OFICINAS

A menudo, en las oficinas, el habla (las conversaciones) es el sonido intrusivo más importante; otras fuentes posibles pueden ser máquinas de escribir, fotocopiadoras e impresoras de impacto. Si el edificio contiene un número de secciones o despachos independiente, el habla que se origina en una de ellas debe escucharse fácilmente dentro de este área de trabajo, pero debe ser ininteligible en áreas adyacentes. Si las áreas adyacentes forman parte de la misma organización, puede ser aceptable un grado menor de privacidad, basado fundamentalmente en las posibles molestias. Dentro de un espacio determinado, el sonido puede controlarse mediante la instalación de material absorbente, siguiendo los procedimientos de selección descri-

33.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(e)

Barrera sólida

FIGURA 33.20. (a) Los armarios de cuarto de baño, reverso contra reverso, son vías potenciales de escape o áreas de fuerte transmisión del sonido, como muestran las flechas. (b) El montaje sobre las superficies reduce la transmisión del ruido. (e) Alternando los huecos e instalando paneles traseros rígidos se evita el montaje sobre las superficies y reduce la transmisión del sonido.

tos en el Capítulo 30. En este caso, el control del ruido entre oficinas se reduce entonces a elegir una partición con un aislamiento acústico adecuado y a asegurarse de que se instala correctamente.

Selección de las particiones en oficinas

El aislamiento acústico necesario entre oficinas depende del uso a que estén destinadas. Se puede decir que existe privacidad normal cuando el habla intrusiva es audible, parcialmente inteligible, pero no molesta. La privacidad confidencial existe

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.27

Capa elástica

Plancha flotante\ (a)

Residuos

Contrachapado

Capa elástica

(b)

Subsuelo

FIGURA 33.21. (a) Los residuos debajo de la plancha flotante pueden «cortocircuitan> la capa elástica y hacer que decrezca el aislamiento del sonido. (b) Los tornillos que se utilizan inadecuadame'nte pueden producir problemas parecidos en estructuras de madera.

cuando el habla intrusiva es ininteligible. La inaudibilidad es un requisito aún más estricto. El grado de privacidad del habla existente entre dos espacios depende de: (1) el esfuerzo vocal del hablante, (2) la absorción total del sonido en cada una de las habitaciones, (3) el nivel del ruido de fondo en la habitación del oyente y (4) la atenuación del ruido entre las dos habitaciones. Como se indica en el Capítulo 16, el nivel sonoro de una voz normal a una distancia de 1 m (3,3 ft) del hablante es aproximadamente 57 dB. En algunas situaciones, se usa un esfuerzo vocal superior al normal, como en habitaciones grandes y ambientes ruidosos. La absorción total del sonido en una oficina se determina fundamentalmente por los muebles blandos, alfombras, materiales del techo y las personas presentes. Si se conocen los coeficientes de absorción de todos los materiales de la habitación, la absorción total puede calcularse mediante la Ecuación (4.2). Si no está disponible esta información, la absorción total puede estimarse como el producto del factor correspondiente de la Tabla 33.3 y el área del suelo. Por ejemplo, una oficina tiene un área de suelo de 16 m2 (172 fe), un techo acústico y no tiene alfombra sobre el sue-

33.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

70

!g 60 c.'o '¡¡;

"E

50

fI)

c.

~

:: o 40 a.
;a 30 ,(¡; a..

20

10

63

125

250

500

1000 2000

4000

Frecuencia en herzios

FIGURA 33.22. Los tornillos demasiado largos pueden «cortocircuitap, los canales metálicos elásticos. Cuanto mayor es el número de tornillos que hacen cortocircuito, mayor es la reducción de la insonorización. Los gráficos muestran los resultados de la transmisión del sonido para un suelo con O, 8 Y 20 tornillos que establecen cortocircuito. La clase de transmisión del sonido (STC) baja desde 44 a 40.

lo. La absorción aproximada para esta habitación es 0,8 x 16 cos (0,8 X 172 = 138 sabinos).

=

12,8 sabinos métri-

Aislamiento acústico necesario entre oficinas

La clase de transmisión del sonido (STC) requerida para la privacidad entre dos oficinas puede calcularse a partir de (33.6)

donde LA = el nivel sonoro con ponderación A del ruido de fondo en la habitación a proteger S = área de la partición de separación AT y AL = absorciones totales de las habitaciones en que están el hablante y el oyente K = constante cuyo valor (en decibelios) depende del grado de privacidad requerido y los niveles de voz esperados en la habitación fuente (la Tabla 33.4 incluye los valores apropiados de K para varios usos y requisitos de privacidad) U = constante de corrección dimensional Las unidades utilizadas en esta ecuación deben ser consistentes. Si S son m2 , A T Y AL deben ser sabinos métricos y U es 1. Si S son ft2, AT Y AL deben ser sabinos y U es 10,8.

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

33.29

(a)

....................•

Vía de transmisión del sonido entre habitaciones

Pared de partición / (b)

Silenciador

--...;;;..-

\

Conducción revestida con material absorbente del sonido

FIGURA 33.23. (a) Un escape del sonido importante creado por la disposición incorrecta de una conducción. (b) Versión mejorada con vías de transmisión del sonido más largas a través de conductos revestidos con material absorbente del sonido. El silenciador que se muestra podría no ser necesario.

Hay que señalar que si la partición separa distintos espacios con distintos usos, es preciso realizar los cálculos en ambas direcciones, es decir, considerando cada una de las habitaciones alternativamente como fuente.

Cálculo del STC requerido 1. Primero, se calcula el área del suelo de cada habitación. 2. Usando el factor apropiado para cada habitación, se calcula la absorción total para cada una de ellas. 3. Se determina el área de la partición común y se calcula el término ATAL/SU para cada habitación. 4. Se selecciona el valor adecuado de K para cada habitación en la Tabla 33.4.

33.30

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(a)

Pared existente

(b)

--

1':' t-.T:;Y:;Y;T';Y:;T';T:::i .:. ':::Y:;T:;T:::Y';T:::T:;T:::i .:. 1

___________

...

_

FIGURA 33.24. Métodos para añadir una capa extra a una pared existente. No debe haber conexiones rígidas, es necesario material absorbente del sonido en la cámara y su espesor ha de ser grande. (a) Dos placas de escayola apoyadas sobre una pared adicional de 38 por 65 mm (2 por 3 in nominales) de travesaños de madera. (b) Dos placas de escayola apoyadas sobre canales metálicos elásticos y un correaje de madera de 38 por 38 mm (2 por 2 in nominales).

5. Se obtiene el valor esperado del nivel con ponderación A del ruido de fondo para cada habitación, LA dB, mediante la Tabla 33.4. 6. Para cada habitación, se calcula el STC requerido a partir de la Ecuación (33.6). 7. Se selecciona el mayor de los dos valores STC como valor de diseño.

Ejemplo. Supongamos una oficina con una superficie de suelo de 20 m2 (215 ff), con poco o ningún tratamiento absorbente especial, situada junto a una sala de conferencias con un área de suelo de 55 m2 (592 ff), que tiene techo acústico. Las conversaciones de la oficina han de ser inaudibles en la sala de conferencias. En sentido contrario sólo se precisa privacidad normal. La partición común entre ellas tiene una superficie de 10 m2 (108 ft2). Determinar la clase de transmisión del sonido requerida para esta partición.

33.31

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

90 80

..-

(a) STC38

(b) STCS al "C

70

¿ 'o '¡¡¡

60

'"c:~

50

'-

40

'E

.... o

(e) STC 46

... +

(d)STCS

c. CIJ

30 '6 '~ c... 20

"C

10 63

125 250 500 1000 2000 4000 Frecuencia, Hz

FIGURA 33.25. Mejoras en el techo de un sistema inadecuado de techo-suelo. (a) Datos de pérdida por transmisión correspondientes a un suelo básico, consistente en 16 mm (5/a in) de contrachapado, viguetas de madera, 19 mm (3/4 in) de correaje de madera y 13 mm (1/2 in) de escayola (STC 38). (b) Mejora obtenida añadiendo tacos de metal de 65 mm (2,5 in), material absorbente del sonido y escayola al techo del suelo a (STC 53). (e) Mejora obtenida añadiendo un correaje de madera de 19 mm (3/4 in), material absorbente del sonido, canales metálicos elásticos y escayola al techo del suelo a (STC 46). (el) En comparación, un suelo con material absorbente del sonido en su cámara de aire, canales metálicos elásticos y dos capas de 13 mm (1/2 in) de escayola, aplicadas directamente sobre las viguetas (STC 50).

Sala de conferencias Area del suelo, m 2 Factor de absorción de la Tabla 33.3 Absorción total, sabinos métricos Area de la partición común, m 2 ATAdSU, U= 1 Valor K (Tabla 33.4), dB LA, nivel sonoro con ponderación A del ruido de fondo en la habitación (Tabla 33.4), dB STC [de la Ecuación (33.6)]

55 0,8

44

Oficina

20 0,3

10 26,4

6 10 26,4

92 45

35

33

43

92

Se obtienen dos valores distintos, dependiendo de si los hablantes están en la sala de conferencias o en la oficina; se elige el más alto de entre ambos, un valor de STC de 43. El valor STC para un despacho individual debe considerarse como un caso particular. Los niveles de ruido de fondo pueden ser más bajos o los requisitos de privacidad más altos en casos distintos, influyendo por tanto en los requisitos STC. Si la pared que separa las dos habitacj{mes tiene una puerta, puede elegirse el

33.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 33.3. Absorción estimada de una habitación: se multiplica el área del suelo por el factor apropiado para obtener la absorción total estimada en la habitación

Tipo de mobiliario de oficina Duro: paredes, suelo y techo reflectantes del sonido; sin cortinas

Factor

0,3

Normal: paredes Blando: techo reflectantes, techo acústico, alfombra acústico, suelo o cortinas duro 0,8

1,2

Muy blando: techo acústico, alfombra y cortinas y mobiliario blando 1,5

rendimiento acústico de esta partición compuesta mediante los procedimientos señalados en la sección «Aislamiento de una partición con varios elementos».

Requisitos de aislamiento acústico para particiones de oficinas adyacentes a oficinas de planta abierta

Cuando una oficina cerrada está separada de una oficina de planta abierta, los requisitos de la partición pueden estimarse mediante el cálculo de la absorción correspondiente a la oficina de planta abierta, como si su superficie de suelo fuera la misma que la de la oficina cerrada.

Requisitos de instalación de la partición

Los valores estándar del aislamiento acústico de los sistemas de partición se miden en un laboratorio de ensayo, con las particiones colocadas en una marco y todas las grietas periféricas cuidadosamente selladas por ambos lados. Si es necesario alcanzar estos valores de laboratorio en un edificio, es preciso revisar los métodos de instalación y controlar las vías de flanqueo. Si son precisos valores de clase de transmisión del sonido (STC) mayores que 40: 1. La partición debe lindar con estructuras pesadas para evitar el flanqueo que muestra la Figura 33.18. Debe estar adecuadamente sellada alrededor de la periferia. Por ejemplo, la partición debe descansar sobre la losa de suelo estructural, en vez de sobre la alfombra o algún suelo falso ligero; de la misma manera, debe llegar hasta la losa estructural superior o hasta un techo que no haga de puente a través de la partición. 2. No debe haber agujeros ni grietas en la partición; un agujero con un área del 0,1 por 100 de la superficie total de la pared reduce el aislamiento acústico hasta aproximadamente un valor STC 30. 3. En la partición, no debe haber entradas de calefacción, tubos de la luz, conductos cortos continuos con cubiertas ligeras o cavidades abiertas, ni orificios de servicio reverso contra reverso, o paredes laterales ligeras con cavidades que se conecten y que puedan establecer un puente a través de ella.

33.33

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

TABLA 33.4. Parámetros acústicos para varios tipos de oficina y actividades. y requisitos de privacidad (todos los valores en decibelios)

Tipo de oficina o actividad

Nivel sonoro máximo con ponderación A en la habitación, dB

Requisito de privacidad Valor de K en la Ecuación (33.6) Normal Confidencial Inaudible

A. Sala de conferencias grande (ni-

vel de habla normal + 10 dB)

35

92

97

102

40

87

92

97

45

82

87

92

50

82

87

92

50

87

92

97

B. Sala de conferencias pequeña,

oficina de dirección (nivel de habla normal + 5 dB) C. Oficina pequeña (nivel de habla normal) D. Oficina de planta abierta (nivel de habla normal) E. Vestuarios, pasillos, oficina general, áreas de recepción (nivel de habla normal + 5 dB)

Techos suspendidos

La mayoría de los edificios comerciales de oficinas no están construidos con los requisitos necesarios para lograr un buen aislamiento contra el sonido. Por ejemplo, la partición sólo suele extenderse desde el suelo hasta el lado exterior del techo suspendido. El espacio por encima de éste suele utilizarse para servicios del edificio, como electricidad, fontanería, conductos de aire acondicionado; en algunas instalaciones, este espacio puede usarse como cámara de retorno de aire. Por lo tanto, habitualmente este espacio debe quedar abierto. Esto aporta una vía de flanqueo para que el sonido pase entre oficinas adyacentes (o incluso más distantes). La magnitud del sonido transmitido depende fundamentalmente de: (1) las características del techo, (2) las aberturas a través del techo para controlar el flujo de aire y (3) el bloqueo (si lo hay) de la cámara de retorno de aire por encima del techo suspendido. Características del techo. La clase de transmisión del sonido (STC) puede aplicarse a las mediciones del sonido transmitido a través del techo, a lo largo de la cámara de retorno de aire, y que luego desciende nuevamente a través del techo hacia la oficina adyacente. Se han desarrollado procedimientos específicos de ensayo para estas mediciones; conviene destacar que los resultados se aplican a la atenuación combinada de dos pasos a través del techo. El número calculado se normaliza de manera que permite la comparación directa con el STC de la partición, para determinar si esta vía de flanqueo representa un problema importante. Los techos típicos tienen valores STC para dos pasadas desde aproximadamente 20 hasta 45. Efecto de las aberturas.

Si el espacio encima del techo se utiliza como cámara de

33.34

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

retorno de aire, es otra vía significativa de la transmisión del sonido. El sonido transmitido a través de las típicas aberturas de retorno del aire [aproximadamente 0,1 m2 (1,1 fe) por oficina] limita la efectividad prevista, limitándose los valores de la clase de transmisión del sonido del sistema de partición-techo suspendido hasta aproximadamente 30. Aunque esta instalación es mejor que la típica separación entre puestos de trabajo en una oficina de planta abierta, no es adecuada para la privacidad del habla (y puede dar como resultado una significativa insatisfacción de sus ocupantes). Bloqueo de las aberturas. Bloquear el espacio entre la parte superior de la partición y el forjado superior es complicado debido a que las instalaciones de servicios en el espacio de la cámara de retorno de aire hacen que esto sea difícil; el bloqueo puede impedir el flujo del aire de retorno. Hay materiales comercializados para barreras (como vinilo en masa), pero rara vez aportan una reducción del ruido de más de 10 dB, debido a los numerosos huecos por los que los servicios del edificio atraviesan la barrera de bloqueo. Una manera de reducir el sonido transmitido a través del techo suspendido y la cámara de retorno de aire es construir una barrera con una pila de listones de aislamiento ligeramente comprimidos, que se extiende desde la parte superior de la partición hasta la losa superior, como muestra la Figura 33.26a. Estos listones tienden a expandirse para rellenar los huecos donde las tuberías y los conductos la atraviesan y así limitan el escape del sonido. Las vías para el retorno del flujo de aire pueden incorporarse fácilmente (y funcionar esencialmente como conductos revestidos, con poco efecto sobre la reducción del ruido). Este método proporciona una atenuación sustancial del sonido de alta frecuencia y así reduce significativamente la inteligibilidad del habla. Junto con los típicos techos suspendidos, se obtiene una clase de transmisión del sonido de campo (FSTC) entre oficinas en un rango entre 35 y 50. Algunos ejemplos de las atenuaciones disponibles con este tipo de bloqueo se presentan en la Figura 33.26b para dos tipos habituales de planchas de techo.

OFICINAS DE PLANTA ABIERTA

Una oficina de planta abierta es un espacio grande que acomoda muchos empleados sentados, separados por barreras bajas [en general de al menos 1,5 m (5 ft) de altura], que proporcionan una separación visual entre los puestos de trabajo. Estas particiones pueden sostenerse libremente o estar integradas en los muebles. Las oficinas de planta abierta tienen ventajas para grupos de personas cuyas actividades están relacionadas funcionalmente. Una oficina de planta abierta puede funcionar razonablemente bien si está cuidadosamente diseñada como un sistema y si las actividades adyacentes son compatibles y no están demasiado próximas. Sin embargo, hay que incluir instalaciones especiales para aparatos ruidosos, como impresoras y fotocopiadoras, por ejemplo, mediante la agrupación de éstas en un área central, detrás de barreras altas absorbentes del sonido. Hay que incluir además salas de reuniones, con particiones com-

33.35

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

Pila de listones de fibra de vidrio bloqueando la abertura

Techo suspendido Partición

(a)

60 al 'C

lO

50

Con el espacio bloqueado

C\l C\l

40

E

o c: c:

30

C\l :::l

c:

",. , ,

'o 'ü

'

I

20

-.----' ,

~,_,_o,

'C

.!::!

,-

,',

"

. -.'

"

//

,

Sólo techo

Q)

<

10 O

125

250

lk

500

2k

4k

Frecuencia en herzios (b)

FIGURA 33.26. (a) Ejemplo de relleno del espacio encima de una partición y el techo suspendido con material absorbente del sonido para aumentar la atenuación del sonido entre oficinas. (b) La atenuación del sonido entre oficinas con techos suspendidos normalmente instalados y con el espacio encima de ellos bloqueado, correspondientes al montaje de la ilustración a. Las curvas continuas corresponden a paneles de techo de fibra de vidrio (STC 15,41). Las curvas de puntos corresponden a paneles de techos de fibra mineral (33,50).

pletas, diseñadas adecuadamente para actividades que requieran niveles bajos de ruidos de fondo y privacidad alta.

33.36

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Propagación del sonido entre puestos de trabajo

El sonido que se transmite de un puesto de trabajo a otro se refleja sobre las superficies comunes (techos, paredes y ventanas) y se difracta por encima y alrededor de los bordes de las barreras bajas, como se ilustra en la Figura 33.27. Para lograr una privacidad aceptable, hay que reducir el sonido reflejado sobre las superficies horizontales y verticales y elegir las dimensiones de las barreras para reducir el nivel del sonido difractado alrededor de ellas. Los siguientes apartados tratan sobre los requisitos necesarios para los distintos elementos que componen una oficina de planta abierta.

Indices de número único aplicados a oficinas de planta abierta

Hay tres valoraciones de número único que suelen utilizarse en la especificación de los requisitos para la acústica de las oficinas de planta abierta: 1. La clase de transmisión del sonido (STC), que se define y comenta en el Capítulo 31. 2. El coeficiente de reducción del ruido (NRC)4 de un material, descrito en el Capítulo 30, que es la media de los coeficientes de absorción del sonido correspondientes a las octavas de 250, 500, 1000 Y 2000 Hz, redondeados hasta el múltiplo de 0,05 más próximo. 3. La clase de articulación (AC)5, que es la suma de las atenuaciones ponderadas del sonido en las bandas de frecuencias de tercio de octava desde 200 hasta 5000 Hz. Las atenuaciones del sonido se miden en una oficina de planta abierta real o simulada, mediante la emisión de sonido de banda ancha desde una altavoz entre las posiciones de un hablante y un oyente6 ,7. El índice está diseñado para correlacionar con la inteligibilidad del habla transmitida entre los espacios de la oficina. La clase de articulación es aproximadamente 10 veces la diferencia de niveles sonoros con ponderación A correspondiente al sonido que se propaga entre el hablante y la posición del oyente.

Barreras en oficinas de planta abierta

Las barreras se colocan entre los puestos de trabajo para aportar cierta atenuación del sonido y privacidad visual, al menos entre personas sentadas. Las barreras también se denominan pantallas, particiones de altura parcial y divisores de oficinas. Los mobiliarios sistema son muebles que combinan las funciones de barrera y otro equipamiento de oficina en una unidad única. (Funciones como compartimentos para archivo, escritorio o superficies de trabajo también pueden incorporar los cables de iluminación, electricidad y comunicaciones.) Los muebles sistema se utilizan en muchas oficinas de planta abierta para ahorrar espacio y las distintas unidades pueden conectarse formando grupos. Cuando se usan muebles sistema en una oficina de planta abierta, aquellas partes que actúan como barreras entre puestos de trabajo deben satisfacer los requisitos de cualquier barrera.

33.37

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

(a) Sección

(b)

Planta

FIGURA 33.27. Transmisión del sonido entre puestos de trabajo en una oficina abierta. (a) Vías de transmisión en un plano vertical: reflexiones sobre el techo y suelo, difracción por encima y por debajo de la barrera y transmisión a través del cuerpo de la barrera o escapes en su estructura. (b) Vías en el plano horizontal: reflexiones sobre paredes y muebles.

Con el fin de lograr una atenuación razonable del sonido, los requisitos físicos recomendados para las barreras son los siguientes: • • • • •

Altura: Al menos 1,7 m (5 1/2 ft). Anchura: Al menos 1,8 m (6 ft). Distancia del borde inferior al suelo: Menos de 100 mm (4 in). Clase de transmisión del sonido: Superior a 20. Coeficiente de reducción del ruido: Superior a 0,8 (véase «Tratamiento absorbente del sonido para paredes y superficies verticales en oficinas de planta abierta).

Cuanto mayores son las dimensiones de la barrera, mayor es la atenuación del sonido que se difracta alrededor de ella. Las dimensiones máximas suelen estar limitadas por la conveniencia física, la posible interferencia con el flujo de aire y el

33.38

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

mantenimiento del aspecto abierto. Las barreras suelen tener 1,8 m (6 ft) de anchura; algunas pueden unirse para aumentar su longitud efectiva. Si se desea la atenuación de una barrera alta, pero hay que mantener la apertura visual, puede ajustarse una placa de vidrio o de plástico transparente de 30 cm (12 in) a la parte superior de una barrera de 1,5 m (5 ft), con el fin de aumentar su altura. En cualquier caso, una barrera no debe tener menos de 1,6 m (5,2 ft) de altura. El sonido que se transmite a través de la barrera ha de ser insignificante en comparación con el que se difracta a su alrededor. Por ello es por lo que se especifica un valor mínimo de clase de transmisión del sonido. El requisito de un STC de 20 se satisface si el núcleo interno es impermeable, tiene el mismo tamaño que la barrera y un peso no inferior a 2,5 kglm2 (0,5 lb/ft2). El espacio hueco entre el borde inferior de la barrera y el suelo debe ser tan pequeño como resulte posible; en caso contrario, el sonido podría reflejarse bajo la barrera hacia el lado opuesto. Sin embargo, el sonido reflejado bajo la barrera tiende a difuminarse o ser absorbido por el mobiliario y las alfombras. Techos en oficinas de planta abierta

El techo de una oficina de planta abierta es el principal lugar potencial para la reflexión del sonido. Para asegurar la obtención de un beneficio completo de las barreras entre puestos de trabajo, el techo debe ser altamente absorbente (poco reflectante), sobre todo para aquellas frecuencias importantes para determinar la inteligibilidad del habla (500 Hz a 4000 Hz). Se utiliza un procedimiento de ensayo específico para evaluar los sistemas de techo que se usan en oficinas de planta abierta6•7 ; éste simula la situación que muestra la Figura 33.27a. Los resultados del ensayo se expresan en términos de clase de articulación5 • El techo de una oficina de planta abierta debe tener las siguientes características: • La clase de articulación debe ser 200 o superior o, si sólo hay disponible información sobre la absorción del sonido, el coeficiente de reducción del ruido debe ser 0,9 o superior. • El número de puntos de iluminación en el techo debe mantenerse en un mínimo. Las superficies planas de plástico de los sistemas de iluminación reflejan una considerable cantidad de sonido y reducen seriamente el aislamiento entre los puestos de trabajo adyacentes; por ello hay que evitarlas. Son preferibles instalaciones de rejilla abierta o aquellas que dispersan el sonido. Las lámparas pequeñas pueden ofrecer iluminación adicional en los escritorios individuales cuando sea necesario. A modo de ilustración de la importancia de la altura de la barrera y la absorción del techo, en la Tabla 33.5 figura la atenuación del sonido que se propaga entre puestos de trabajo para barreras de oficina de dos alturas distintas y para techos con distintos coeficientes de absorción. La atenuación sólo alcanza valores aceptables con techos de coeficientes de reducción del ruido superiores a 0,9, con atenuaciones de los niveles sonoros con ponderación A de 20 dB(A) o más (clase de articulación

33.39

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

TABLA 33.5. Atenuación en decibelios (con ponderación A) del sonido que se propaga entre puestos de trabajo: efecto de la altura de las barreras de oficinas y varios coeficientes medios de absorción del sonido del techo (medias de los coeficientes a 1000,2000 Y 4000 Hz). Altura de la barrera 1,5 m (5 ft) 1,8 m (6 ft)

Coeficiente medio de absorción del sonido 0,05

0,60

0,85

Más de 0,90

14 14

15 15

16 17

22 24

por encima de 2(0). Aumentar la altura de la barrera sólo aporta un aumento en la atenuación del sonido cuando el coeficiente de absorción del techo es alto. En contraste con estos valores de atenuación para oficinas de planta abierta, una atenuación de 30 a 50 dB(A) pueden lograrse con facilidad entre oficinas con particiones convencionales.

Tratamiento absorbente del sonido para paredes y supeñicies verticales en oficinas de planta abierta

Como muestra la Figura 33.27b, las superficies verticales pueden reflejar el sonido y sobrepasar las barreras, reduciendo así la atenuación que éstas proporcionan. Para impedirlo, las superficies verticales planas expuestas (como paredes, barreras de oficinas, columnas cuadradas, reverso de armarios y muebles sistema y estanterías) deben cubrirse con material absorbente del sonido que posea un coeficiente de reducción del ruido (NCR) de 0,7 o superior. En la práctica, se suele necesitar un espesor de 25 mm (1 in) o más de fibra de vidrio, cubierta con tela decorativa porosa. Las alfombras aplicadas directamente sobre una superficie dura suelen tener coeficientes de absorción bajos que las hacen inadecuadas para esta finalidad, pero si la alfombra es porosa, puede utilizarse como cobertura de un tablero rígido absorbente del sonido. Las columnas redondas con diámetros de 0,5 m (1 112 ft) o menos no suelen producir problemas de reflexiones. Es habitual revestir las barreras en las oficinas de planta abierta para que absorban el sonido, cubriendo ambos lados con una capa central impermeable de material absorbente [por ejemplo, 25 mm (1 in) de grosor de fibra de vidrio] y añadiendo una capa exterior de material de tapicería poroso. Cuando se realizan ensayos de acuerdo con la norma ASTM C423, esta barrera tiene un coeficiente de reducción del ruido de aproximadamente 0,84 • La Tabla 33.6 ilustra la efectividad de distintos tipos de tratamientos de superficies verticales. Una forma sencilla de evitar las reflexiones sobre las paredes es que no existan separaciones entre la pared y la barrera. La Tabla 33.7 muestra la reducción de la atenuación entre puestos de trabajo debido al sonido que se refleja sobre una pared desnuda alrededor de la barrera. El efecto negativo de las vías de flanqueo es mayor cuando el hueco entre la barrera y la pared es de aproximadamente 1 m (3,3 ft).

33.40

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 33.6. Atenuación en decibelios (con ponderación A) del sonido que se propaga entre puestos de trabajo: efecto de la absorción de la superficie sobre la reflexión sobre una superficie vertical; altura de las pantallas, 1,5 m (4,9 ft), techo absorbente del sonido, hueco de 1 m (3,3 ft) entre la pared y la pantalla

Tratamiento de la superficie de la pared Pared desnuda Cortinas de fibra de vidrio con pliegues del 200 % de 0,2 kg/m2 (5,8 oz/yd 2), con un espacio de 150 mm (6 in) desde la pared Tablillas verticales de 100 mm (4 in) de anchura, con tratamiento absorbente (NCR = 0,6) Plancha de fibra de vidrio de 25 mm (1 in) de grosor directamente sobre la pared Plancha de fibra de vidrio de 25 mm (1 in) de grosor a 25 mm (1 in) de la pared sobre forro Plancha de fibra de vidrio de 50 mm (2 in) de grosor directamente sobre la pared Sin pared

Diferencia de nivel 15 15

18 19 20 21 22

Para separaciones mayores, la importancia del sonido reflejado se reduce, debido a la atenuación con la distancia. Con separaciones menores, la energía reflejada se ve en último término bloqueada. Reflexiones sobre las ventanas. Es difícil impedir que el sonido emitido desde un puesto de trabajo se refleje sobre las ventanas y alcance los escritorios adyacentes, en los cuales puede constituir una fuente de molestias. Las cortinas de las ventanas han de ser pesadas, no tensadas (p. ej., véase Figura 30.15); la mayoría de las persianas, de tablas o listones, no reducen la energía reflejada. Para reducir este efecto se puede utilizar el área próxima a las ventanas como pasillo; pueden colocarse barreras para delimitarlo y evitar las reflexiones. Sin embargo, las vistas desde las ventanas hacen que estas zonas sean muy requeridas, y si los puestos de trabajo se localizan en esta zona y las reflexiones producen problemas, se pueden colocar barreras o paneles con formas especiales para bloquear el espacio entre el borde de la barrera y el cristal y reducir las reflexiones. Sonido enmascarador

Las grandes cantidades de material absorbente del sonido utilizadas en oficinas de planta abierta dan como resultado niveles sonoros de fondo muy bajos y por tanto reducen la privacidad del habla. Para aminorar este problema, pueden usarse fuentes electrónicas de sonido para aumentar el nivel sonoro de fondo. Un sistema enmascarador del sonido genera un campo sonoro uniforme a través del área abierta de la oficina. Un conjunto de altavoces empotrados en el techo emite una señal filtrada de ruido aleatorio (que habitualmente se define de forma errónea como «ruido blanco»). El aumento del ruido de fondo hace que sea más difícil oír las conversaciones

33.41

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

TABLA 33.7. Atenuación en decibelios (con ponderación A) del sonido que se propaga entre puestos de trabajo, con una pared desnuda que refleja sonido alrededor de la barrera La altura de la barrera es 1,5 m (5 ft) Y el techo es muy absorbente

Hueco entre el final de la divisoria y la pared m

(ft)

Atenuación, decibelios

1,0 0,6 0,3 0,15 0,0

(3,3) (2,0) (1,0) (0,5) (0,0)

15 14 15 18 22

entre los puestos de trabajo adyacentes. El nivel, contenido espectral y distribución espacial del sonido enmascarador requieren cuidadosos ajustes para que resulten aceptables a los ocupantes. El espectro suele tener una forma que debe estar contenida en la zona sombreada que muestra la Figura 33.28, y el nivel sonoro con ponderación A del sonido enmascarador suele estar entre 45 y 50 dB(A). Los niveles sonoros de fondo más altos originarán quejas por parte de los ocupantes y son contraproducentes respecto de la finalidad del enmascaramiento, porque las personas lo compensan hablando en voz alta, incluso a distancias cortas. Los sistemas de ventilación producen ruido que ocasiona el mismo enmascaramiento, pero no suelen lograr la misma uniformidad temporal y espacial de los sistemas electrónicos. Un requisito fundamental de un sistema enmascarador del ruido es que no resulte invasivo. Las variaciones espaciales y temporales 8 deben mantenerse en un intervalo inferior a 3 dB, o los ocupantes de la oficina se quejarán. Dado que los altavoces que irradian el sonido enmascarador están insertados en el techo, las propiedades de transmisión del sonido de los paneles de éste afectan a la uniformidad del campo sonoro en la oficina. La transmisión a través de los puntos de iluminación y otros elementos puede llevar a puntos «calientes» debajo de ellos y a las quejas de los ocupantes. La instalación de los sistemas enmascarado res del sonido sólo debe llevarse a cabo por profesionales que sean conscientes de las complejidades acústicas de la situación.

Privacidad del habla en oficinas de planta abierta El grado de privacidad del habla en una oficina de planta abierta ya existente o propuesta puede evaluarse utilizando los procedimientos de ensayo normalizados9 • Los ensayos dan la oportunidad de estimar las situaciones problemáticas o los cambios propuestos en el diseño.

33.42

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

60.--------------------------, 50

ce

"C

o~ 40 c:

o

VI

.g 30 .¡¡; E

~20

"C

~ Z 10 OL-~~-L~~~~~~-L~~~

125

250

2k 500 1k Frecuencia en herzios

4k

FIGURA 33.28. Forma aproximada del espectro del ruido enmascarador. Los ajustes del espectro se realizan en parte según las preferencias del instalador. El espectro resultante suele tener una forma que puede acomodarse al área sombreada, con un nivelsonoro que está en un rango entre 45 y 50 dB(A).

DETERMINACION DE LA CLASE DE TRANSMISION DEL SONIDO APROPIADA PARA AISLAMIENTO CONTRA RUIDOS EXTERIORES La clase de transmisión del sonido (STC) es un sistema de valoración de número único (descrito en el Capítulo 31) que fue desarrollado para estimar el aislamiento de sonidos como el habla. No evalúa adecuadamente el aislamiento contra las fuentes de ruido que tienen componentes fuertes de baja frecuencia. Por tanto, no debe utilizarse en aplicaciones que implican paredes exteriores de edificios sin considerar antes el contenido de frecuencias de los campos sonoros incidentes. El nivel sonoro con ponderación A dentro de una habitación (Linterior) y el nivel exterior correspondiente (Lexterior) se relacionan con el índice STC mediante la siguiente ecuación: Lexterior -

Linterior

= STC - 10 10g(S/A) + F

(33.7)

donde S es el área total de la superficie de la habitación expuesta al exterior, A es la absorción total del sonido dentro de la habitación y F es la corrección que depende del equilibrio de frecuencias del sonido exterior y el tipo de componentes implicados (ventana, pared, etc.). Nivel sonoro en exteriores (Lexterior)

El nivel sonoro con ponderación A en exteriores [Lexterior en la Ecuación (33.7)] puede obtenerse a partir de las medidas in situ o a partir de estimaciones basadas en

33.43

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

las características del tráfico, etcétera. En ambos casos, es necesario considerar el sonido reflejado sobre la fachada del edificio. Para la Ecuación (33.7), Lexterior es el nivel sonoro a unos 2 m (6 ft) de la fachada, que es aproximadamente 3 dB inferior al nivel en la superficie, o 3 dB superior al que se observaría sin las reflexiones sobre la fachada del edificio. La mayoría de los métodos de cálculo del ruido del tráfico o de aviación predicen el nivel sonoro sin estas reflexiones; hay que aumentar 3 dB estos niveles sonoros previstos para exteriores para usarlos en la Ecuación (33.7). Nivel sonoro en interiores U.lnterlor'

El máximo nivel sonoro aceptable con ponderación A en interiores [L¡nterior en la Ecuación (33.7)] depende del uso de la habitación; las Tablas 33.8 y 43.1 presentan los niveles recomendados para distintos usos comerciales y residenciales. Habitualmente, se usa el nivel sonoro medio en la habitación para Linterior. El nivel sonoro cerca de una ventana abierta es más alto que en posiciones más distantes de ella e, incluso con las ventanas cerradas, los niveles sonoros varían notablemente dentro de la habitación. Para habitaciones muy grandes, como las oficinas de planta abierta, es mejor considerar las áreas de trabajo individuales adyacentes a la pared exterior, donde los niveles sonoros tienden a ser más altos. Area de la superfi~ie exterior S y absorción de la habitación A

El término 10 log (S/A) en la Ecuación (33.7) permite introducir las características de la habitación. La reducción del ruido que aporta la superficie exterior depende del equilibrio entre la intensidad sonora en la habitación y la absorción de la energía en su interior. El sonido que entra en la habitación depende de las características de transmisión de los componentes de la fachada del edificio. Por ejemplo, si la mayoría del sonido se transmite a la habitación a través de la ventana, el ruido resultante en el interior dependerá del tipo de ventana y de su tamaño (duplicar el tamaño duplicará la energía sonora transmitida). La energía sonora es absorbida por el mobiliario de la habitación, como alfomTABLA 33.8. Rangos de los niveles de ruido aceptables máximos para interiores propuestos por distintas autoridades (véase también la Tabla 43.1) Los valores en la tabla corresponden a niveles sonoros medios a largo plazo

Uso de la habitación

Criterios para ruido máximo en interiores, dB(A)

Hospital o dormitorio residencial Areas de salón, comedor residencial Cocina, baño residencial Sala de conferencias Oficina privada Areas generales de oficinas, tiendas de minoristas

30a40 35 a 45 40a45 35 a45 40 a45 45 a50

33.44

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO I

bras, cortinas pesadas y muebles tapizados. Para habitaciones típicas, la ~bsorción acústica debida al mobiliario de la habitación aumenta al hacerlo el área!el suelo de la misma. La corrección en la Ecuación (33.7) para contemplar el efecto de la abs rción de la habitación y el área de la superficie exterior puede calcularse a partir de ~a expresión 10 log (S/A), donde S es el área de la superficie que da al exterior, y la absorción total del sonido A puede estimarse a partir del producto del área del: suelo de la habitación por el factor que aparece en la Tabla 33.3. La reducción del tuido correspondiente a un componente determinado, como una ventana, puede aumentarse reduciendo el tamaño de la ventana o aumentando la absorción en la h~bitación. A continuación se comenta el efecto de combinar múltiples componentes.¡ Para espacios absorbentes grandes, como oficinas de planta abierta, FS mejor usar valores de S y A para cada área de trabajo individual adyacente al muro exterior. Corrección por equilibrio de frecuencias de la fuente

El término F en la Ecuación (33.7) compensa el equilibrio de frecuencias~ Cuando se pasa del exterior al interior, la sonoridad relativa de los sonidos de frecu~ncias altas y bajas se altera, debido a que la atenuación del ruido de los componentes típicos de los edificios se reduce al hacerlo la frecuencia. Por ejemplo, el pitido ~tridente de alta frecuencia que domina la sonoridad percibida para el ruido de un ajvión cercano en exteriores puede resultar inaudible en interiores, aunque el zurp.bido de baja frecuencia sólo se reduce ligeramente. Para una fachada determinada, cuanto más fuerte es el componente de baja frecuencia del sonido exterior, menor es la diferencia entre los niveles sonoros con ponderación A en interiores y exterjores. No hay un índice de número único que resuelva completamente la diferenci?entre los cambios de los niveles sonoros con ponderación A de interiores y exterio es a medida que cambia el nivel sonoro exterior. La diferencia exacta se ve afect da por la dependencia de la l frecuencia tanto del sonido exterior como del rendimiento en la transmisión del sopido de la fachada específica. La Tabla 33.9 presenta los valores del término Fpar,\ su uso en la Ecuación (33.7) con distintos componente~ del edificio y fuentes de ruido. ' La clase de trafsmisión exterior-interior (O¡TC) es un índice de número único que se calcula de acuerdo con la clasificación ASTM E13321O , que valora las ventanas con respecto'a su efectividad para atenuar la transmisión del sonido. Allí donde haya disponibl~s datos OITC, pueden usarse en lugar de (STC + F). Así se consigue una valoracion única que se corresponde con los valores cerca del centro de la Tabla 33.7. Corrección para elementos múltiples

En la mayoría de los casos, el sonido es transmitido a la habitación a través de varios componentes, incluyendo paredes, ventanas, puertas o techo. La Ecuación (33.7) se aplica a la clase de transmisión del sonido (STC) compuesta de toda la superficie ex-

33.45

CONTROL DEL RUIDO EN EDIFICIOS

TABLA 33.9. Corrección F según la dependencia de frecuencia del ruido exterior y de la transmisión de sonido del componente Se han identificado las categorías de los espectros de fuente*; para ruidos de indus-

tria u otros casos especiales, hay que utilizar el espectro más parecido Espectro de ruido de la fuente Componente del edificio t

A

B

C

D

E

F

a. Puerta exterior única b. Puerta exterior doble, o ventana única de cristal, o ventana delgada funcional c. Ventana delgada sellada o ventana gruesa funcional d. Ventana gruesa sellada e. Pared exterior o tejado

-1 O

O 1

O 2

1 2

1 3

1 3

O

1

3

4

6

6

O O

2 2

4

6 7

9 10

10 11

5

• Las siguientes son categorías representativas de espectros de fuentes de ruido: A. Avión grande aterrizando.

B. Ruido de avión medio, ruido de ruedas de tren.

e. Ruido de ruedas de tren apantallado por una barrera. D. Tráfico de carretera mixto, avión distante. E. Tráfico de carretera apantallado por barrera. F. Locomotora de tren diese!. t Las categoóas correspondientes a los componentes del edificio se basan sobre la dependencia de frecuencia típica de su transmisión del sonido. Añadir una contrapuerta con buenos burletes convierte a la puerta «única» en una puerta «doble» (categoría b). Una ventana «delgada» puede tener acristalamiento doble o triple, sin que la cámara de aire total entre los paneles supere los 25 mm (1 in); estas ventanas corresponderían a la categoría b o e, para ventanas funcionales o selladas, respectivamente. Para una ventana «gruesa» la cámara de aire entre los paneles supera los 25 mm (1 in). puesta al ruido de exteriores. Anteriormente en este capítulo (<
REFERENCIAS' 1. Standard test method for measurement of airborne sound insulation in buildings, ASTM E336. 2. Standard practice for determining single number rating of airborne sound isolation for use in multiunit building specifications, ASTM E597. 3. Standard practice for installation of[zxed partitions of light frame type for the purpose of conversing their sound insulation efficiency, ASTM E497 .

• Las normas ASTM pueden obtenerse en la American Society for Testing and Materials, 1916 Race Street, Filadelfia, PA 19103-1187.

33.46

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

4. Standard test method for sound absorption and sound absorption coelficients by the reverberation room metltod, ASTM C423. 5. Standard classification for determination of articulation class, ASTM Ell1D. 6. Standard test methoi for measuring interzone attenuation of ceiling systems, ASTM Ell1l. 7. Standard specification iJor sound sources used for testing open olfice components and systems, ASTM E1179 8. Standard guide for me~urement ofmasking sound in open olfices, ASTM El04l. 9. Standard test method Jor objective measurement of speech privacy in open olfices using articulation index, ASTM El13D. 10. Classification for determination of outdoor-indoor transmission class, ASTM E1332.

Capítulo

34

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS J. B. Moreland D. H. Cashmore

INTRODUCCION Los motores eléctricos son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Esta transformación se produce en el espacio de aire situado entre el estátor (la pieza estática) y el rotor (la pieza giratoria). Adosado al rotor se encuentra un eje por medio del cual se genera la energía mecánica. Normalmente el eje se encuentra colocado fuera del cuerpo principal del motor, separado de la pieza estática por cojinetes dispuestos sobre ménsulas. Los componentes principales de un motor de inducción incluyen: (1) el estátor, con un disco de acero laminado; (2) los devanados estatóricos; (3) el rotor y sus álabes de ventilación; (4) el eje; (5) los cojinetes; (6) el bastidor, y (7) las ménsulas. Algunas clases de motores incluyen además un ventilador externo y su cubierta. Estos componentes aparecen ilustrados en la Figura 34.l. Cuando recibe la energía, el motor sufre varias pérdidas internas de electricidad que provocan un aumento de temperatura, que debe ser eliminado para garantizar un calentamiento equilibrado de sus diversos componentes. Un fuelle (ventilador) adjunto al rotor se encarga de realizar esta tarea. Este fuelle se puede instalar dentro del motor con el fin de que impulse el aire hacia el devanado o hacia las superficies externas de la cubierta del motor. En la Figura 34.2 aparecen varios tipos de cubiertas. Estos motores son de protección abierta contra el goteo (ODP o DRPR). Los motores abiertos, denominados comúnmente motores protegidos contra el goteo, se ventilan gracias a la absorción de aire externo hacia la máquina a través de

• La mayor parte del contenido de este capítulo es una revisión del capítulo 30 del libro Handbook ofnoise control, de R. O. Feher y D. F. Muster, 1. a edición, editado por C. M. Harris, McGraw-HiII, Nueva York, 1957.

34.1

34.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cubierta del ventilador

Curvas finales del devanado estatórico Ménsula

.--_____.......- -....... Eje

• .'}:'.o.":

".~.'

C?

Soporte del disco estatórico Disco estatórico

FIGURA 3';.1. Esquema simplificado de montaje habitual de un motor totalmente estanco de refrigeración por ventilador.

las ménsulas. El aire circula por los anillos de prolongación y es expulsado a través del bastidor.

Motores totalmente estancos de refrigeración por ventilador (TEFe)

En un motor totalmente estanco de refrigeración por ventilador no se produce un movimiento de aire externo hacia el interior del motor. La cubierta y las ménsulas poseen estrías que facilitan una dispersión eficaz del calor. En un extremo del motor se monta una tapa o un recubrimiento con el fin de proteger el ventilador montado sobre el eje y guiar el aire en dirección a la superficie del bastidor.

Motores protegidos contra la intemperie (WPI y WPIIl

Los motores WPI y WPII (protegidos contra la intemperie) se emplean generalmente para potencias superiores a 400 ev. Su recinto permite que el aire externo sea introducido en el interior del motor y circule a través del estátor y del núcleo del rotor por medio de conductos radiales de salida y anillos de prolongación. Los recintos WPI se utilizan normalmente en interiores. mientras que los WPII se emplean en exteriores. En este capítulo se estudian las distintas fuentes y características del ruido en máquinas giratorias eléctricas. en especial en motores eléctricos.

FUENTES DEL RUIDO DE MOTORES Las principales fuentes del ruido de motores aparecen listadas en la Tabla 34.1. Su origen se puede clasificar del siguiente modo:

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

34.3

(a)

(b)

(e)

FIGURA 34.2. (a) Motores con protección abierta contra el goteo (ODP o DRPR); (b) motores totalmente estancos de refrigeración por ventilador (TEFe); (e) motores protegidos contra la intemperie (WPI y WPII).

• Causas mecánicas. • Causas aerodinámicas. • Causas magnéticas. El espectro de este tipo de ruido tiene normalmente importantes componentes de frecuencias simples sobreimpuestos en el ruido de banda ancha. Estos componentes de frecuencias simples en el espectro de ruido pueden ser ocasionados por

34.4 TABLA 34.1. radores Fuente de mido Mecánica

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Fuentes y métodos de control del ruido en motores eléctricos y gene-

C.lISII

Impacto

Elemento ca ...... te denddo Cojinete liso Cojinete de bolas

Portaescobillas y escobillas

Rozamiento

Aerodinámica (ven tilación)

Magnética

Laminaciones sueltas Cojinete de bolas

Instrncdones plU'1I el mntrol del mido Ajustar el anillo de aceite y reducir la holgura longitudinal del eje Reducir la holgura radial, ajustar el separador, reducir las tolerancias del eje y del bastidor. La frecuencia propia de la pantalla final no deberfa igualar a la frecuencia caracterfstica del cojinete de bolas Ajustar el portaescobillas, cambiar la frecuencia propia. desviar las escobillas y limpiar el colector Mejorar la sujeción de las laminaciones

Desequilibrio

Rotor

Holgura demasiado estrecha. lubricante demasiado solidificado o inexistente; rectificar Equilibrar mecánicamente

Inestabilidad

Cojinetes

Cambiar las ranuras de lubricación en los cojinetes

Modulación

Varillas del rotor interruptoras de movimiento

Añadir filtros acústicos o conductos revestidos acústicamente Equilibrar el rotor o eliminar las fuerzas magnéticas; cambiar su frecuencia en caso de que sea igual a la frecuencia natural del rotor

Turbulencia

Vibraciones del rotor que alteran el espacio de aire y en consecuencia el movimiento Ventilador

Excentricidad

Espacio de aire

Corregir las excentricidades del rotor o del estátor mecánicamente o por medio de ajustes

Campo variable en dire.-ción circunferencial

Máquinas sincronizadas con polarizaciones extremas

Emplear sujeciones resilientes al instalar la máquina o los núcleos magnéticos

Diseñar de nuevo el ventilador y las volutas o añadir filtros acústicos y/o conductos revestidos acústicamente

Variaciones entre Evitar la resonancia de cualquier elemento del motor las muescas y los en esta frecuencia: cortar en chaflán las muescas del engranajes respecto rotor a las perforaciones del rotor y del estátor Armónicos Reducir la asimetría mejorando el diseño del circuito asimétricos debidos magnético: evitar la resonancia del bastidor del rotor. a los armónicos especialmente en bajas vibraciones. que emiten sonidos más elevados de la de mayor intensidad corriente estatórica

(1) movimientos intermitentes de las diversas piezas debido a la acción de fuerzas cíclicas, (2) interrupciones intermitentes del flujo de aire de refrigeración, o (3) estímulos sobre las frecuencias propias de los elementos del motor por causa de fuerzas magnéticas. La Figura 34.3 muestra las vías de transmisión de ruido de un motor de inducción normal. señalando las fuentes habituales de ruido y el camino que pueden se-

34.5

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

--------------------------------.--I I

Ventilado del rotor

r

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

... -

-

-

-

-

I

I

Estátor

Conexión mecánica Conexión de aire

Bastidor (cubierta)

- - - • - - - - -

Observador

Aislantes

Infraestructura

FIGURA 34.3. Vías de transmisión del ruido en un motor de inducción normal.

guir. La vibración estructural puede ser transmitida a través del sistema de montaje del motor hasta la infraestructura sobre la que descansa. El sonido puede ser emitido directamente hacia el aire que circunda las superficies de los componentes del motor. El ruido provocado por los motores de tipo similar que se encuentran disponibles comercialmente varía considerablemente. Algunos de estos motores poseen recintos revestidos con material absorbente de sonido. Según el tamaño del motor, este tratamiento puede ser el responsable de una reducción del nivel sonoro de entre 5 y 20 dB(A). En la Tabla 34.2 se enumeran los límites superiores de los niveles de potencia sonora para motores de inducción de distintos tamaños y las velocidades que cumplen los requisitos de diseño fijados por la National Electrical Manufacturers Assodatíon (NEMA). Los motores disponibles comercialmente emiten normalmente unos niveles de ruido significativamente inferiores a los indicados en la tabla. La Tabla 34.3 muestra los niveles de potencia sonora de motores fabricados según el modelo estándar NEMA para motores de 20 CV funcionando a 3.600 rpm. Estos datos se refieren a dos tipos de recintos (TEFC y DRPR) fabricados por la misma empresa. En comparación, también se citan datos de un motor considerado silencioso con un recinto TEFC que cumple las mismas condiciones. En motores con

34.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 34.2. Límites superiores de nivel de potencia sonora con ponderación A para tamaños estándar de la NEMA aplicados a motores totalmente estancos de refrigeración por ventilador (TEFe) y a motores de protección abierta contra el goteo (DRPR)

Tamaño de bastidor

Velocidad sincronizada, rpm

140 280 440 140 280 440 140 280 440

1200 1200 1200 1800 1800 1800 3600 3600 3600

Niveles de potencia sonora con ponderación A, dB re 1 pico vatio TEFe

DRPR

64

65 81 91 70 80 93 76 86 101

80 96 70 88 102 87 98 104

más caballos de potencia (o sea. mayores que el bastidor normalizado 400 de la NEMA), el fabricante proporciona habitualmente los datos de ruido en términos de niveles de presión sonora medidos en un entorno industrial a una distancia de 1 o 2 m de la superficie del motor.

Ruidos de origen mecánico

Los procesos de fabricación provocan irremediablemente asimetrías, deformaciones. excentricidades y desalineaciones que en algunos motores son el origen de gran cantidad de ruidos. Las fuerzas asimétricas son las responsables de los componentes dominantes del espectro de ruido en algunos motores. Las fuerzas que causan una mayor cantidad de ruido son las asociadas con las distorsiones en el rotor y en el estátor. Tales distorsiones son debidas a dos causas: (l) un movimiento curvado binodal del rotor (como el que se produce cuando el motor se encuentra desequilibrado) o (2) una distorsión giratoria elíptica cuatrinodal del estátor.

Asimetrías en el rotor y en el estátor

Las ondas de fuerza radiales que distorsionan el rotor y el estátor se producen tanto al doble de la frecuencia lineal como en múltiplos de la velocidad real. Estos armónicos se dan en cada múltiplo de la velocidad giratoria del motor, pero la contribución relativa de la mayoría de ellos respecto al ruido global producido por el motor es por lo general bastante baja. Si se realizan cambios en los componentes eléctricos del motor y en el rendimiento mecánico de cada una de sus piezas a las distintas frecuencias. se producen cambios consecuentes de su aportación relativa a las ondas armónicas.

34.7

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

TABLA 34.3. Niveles de potencia sonora para motores de inducción de rotor en cortocircuito de 20 ev. y 3.600 rpm (potencia sonora, re 1 picovatio)

Con ponLineal de8k 16 k ración A (plana)

Frecuencia central de banda de octava, Hz Tipos

31,5 63

DRPR 60 TEFC 61 TEFC silencioso 61

61 63 60

U5 250 500

1k

2k

4k

74 90 74

71 89

66 87 75

67 83 71

64

72

75 56

82 67

72

62 76 72

56 71 66

76 93 80

78 94 80

Desequilibrios en el rotor

Cuando el rotor no está equilibrado mecánicamente se produce una frecuencia de excitación igual a la frecuencia de giro del rotor (en revoluciones por segundo), produciéndose también armónicos de esta frecuencia. Respecto a motores de pequeño tamaño, el ruido que transmiten por el aire es bastante bajo, pero el ruido transmitido por la estructura llega sin embargo a adquirir bastante importancia.

Muescas del estátor y del rotor abiertas y cerradas. Las muescas del estátor y del rotor suelen encontrarse abiertas, semicerradas o cerradas. Las muescas abiertas en el estátor se emplean generalmente en motores de gran tamaño con anillos modelados antes de su inserción. Las muescas semiabiertas en el estátor se utilizan en motores de tamaño algo menor, normalmente de alambre redondo bobinado a máquina. Los de muescas cerradas se usan generalmente en motores especiales con núcleo corto, de entre 5 y 10 cm, en cuyo caso el alambre se enrosca a través de las muescas formando el núcleo en ese mismo lugar. Las muescas cerradas en el estátor se emplean comúnmente en motores con rotores de aluminio fundido a presión. Entre un rotor y un estátor abiertos se produce un cambio abrupto de permeancia del espacio de aire, lo cual provoca la existencia de componentes de alta frecuencia en el espectro de ruido del motor. Este efecto se verá minimizado cuando las muescas se encuentren cerradas. y su periferia forme un área lisa. De este modo aparecerán en el espectro de ruido solamente unos sonidos armónicos de bajo nivel causados por la muesca. Las muescas cerradas en el estátor se emplean generalmente en motores de tamaño pequeño. especialmente monofásicos y de potencia menor a un caballo. Un motor de rotores de muesca cerrada puede emitir un nivel de presión sonora de hasta 5 dB por debajo de uno similar de muescas abiertas. Ruido de cojinetes (véase también el Capítulo 37)

La mayoría de los ruidos mecánicos tiene relación con el ensamblaje de cojinetes del motor. y pueden ser apreciados cuando. por ejemplo. éstos tienen alguna deformación o cuando una holgura excesiva permite el desplazamiento axial del eje. Un ruido excesivo de los cojinetes antirrozamiento puede ser a menudo provocado por la forma desigual de las bolas. un acabado superficial imperfecto, un golpeteo del separador, o un descentramiento que tenga como consecuencia una sacudida o un aumento de resonancia de las ménsulas. los deflectores de aire u otros componentes

34.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

estructurales susceptibles de emitir ruidos. Los componentes de alta frecuencia sonora emitidos por los cojinetes pueden reducirse insertando una sección de material resiliente entre los cojinetes y las ménsulas. Unas ménsulas rígidas producirán normalmente menos vibración y ruido que unas más flexibles. El nivel de presión sonora aumenta casi linealmente con el diámetro del ánima de los cojinetes, y disminuye con el diámetro de las bolas dentro de un mismo diámetro de ánima. Un cojinete de mayor tamaño es más silencioso que uno menor 1• Los cojinetes lisos no suelen causar ruidos relevantes en el motor a menos que se encuentren en posición inestable. Si existe una holgura radial de gran tamaño, la película de aceite del cojinete puede alzar el centro del eje por encima del centro del cojinete. De este modo se descarga la película de aceite y se reduce la presión, lo cual hace que el eje cuelgue y golpee contra las paredes de los cojinetes, provocando ruidos. Esta inestabilidad aumenta cuando el eje se encuentra en una posición en la que el espacio de aire es menor en la parte superior que en el fondo. Los cojinetes de precisión son por lo general más silenciosos que los habituales de tipo industrial, debido a su menor tolerancia y a su acabado superficial de mayor calidad. En operaciones muy silenciosas se emplean cojinetes fabricados en teflón, óxido de polifenileno, nilón o materiales similares. El ruido también puede ser provocado por los siguientes problemas de lubricación: (1) la grasa utilizada como lubricante se ha vuelto viscosa (la solución consistiría en sustituirla por grasa más líquida); (2) no hay una cantidad suficiente de lubricante, por lo que las bolas de los cojinetes resbalan en su trayectoria (la solución consistiría en añadir lubricante), y (3) existe una cantidad excesiva de aceite (la solución residiría en limpiar los cojinetes). Las siguientes causas de ruido son fáciles de identificar: 1. Un ruido grave es debido a la existencia de irregularidades en la superficie

del recorrido si ésta ha superado su límite de plasticidad. 2. La presencia de suciedad en los cojinetes causa ruidos agudos. 3. A bajas temperaturas una lubricación insuficiente produce resbalamientos y la consecuente destrucción de la superficie, provocando ruidos de alta frecuencia. 4. Un crujido intermitente se asocia generalmente a problemas de lubricación. 5. Un ruido de bajo nivel en el rango de frecuencias situado entre 100 y 300 Hz puede ser debido al paso de las bolas o de los rodillos del cojinete sobre irregularidades en su trayectoria.

Ruido de escobillas

Un chirrido parecido a un frotamiento puede ser debido a la fricción y al deslizamiento producido entre las escobillas de carbón y las superficies metálicas de las delgas del colector. Este ruido consiste generalmente en una serie de componentes de frecuencia discreta en el rango de frecuencias entre 2.500 y 6.500 Hz. Esta frecuencia se obtiene del producto del número de delgas y del número de revoluciones por segundo de la rotación del eje. Aunque esta fuente de ruido no contribuya en exceso a la potencia sonora total producida por el motor, puede adoptar caracterís-

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

34.9

ticas especialmente molestas. Esta fuente de ruido puede ser reducida (1) inclinando las escobillas en la dirección del movimiento, (2) ajustando la presión normal entre las dos superficies de rozamiento, y (3) cambiando la composición y la dureza de las escobillas. Por lo general, unas escobillas más suaves causan menos ruido, pero sufren un desgaste más rápido. Ruido de origen aerodinámico

Una de las causas principales del ruido producido por motores de inducción de tamaño pequeño y mediano es frecuentemente el uso de fuelles de ventilación. En muchos motores de este tipo la potencia sonora del ruido aerodinámico tiene un valor en torno a la quinta parte de la potencia producida por la velocidad de rotación del rotor. Cuando se producen altas velocidades de rotación, el giro del acoplamiento de ejes que conecta el motor a la carga puede generar también una gran cantidad de ruido. La potencia sonora emitida por esta razón es también del orden de un quinto de la potencia producida por la velocidad de rotación. El flujo de aire a través y a la salida de los motores de inducción provoca serios problemas de ruido en motores de todos los tamaños, desde los de menos de un caballo de potencia hasta los de varios miles. El ruido producido por el flujo de aire en un motor suele ser del tipo de banda ancha, sin apenas ningún componente significativo de frecuencia discreta. La mayor parte de los motores de más de 400 CV incluyen un sistema de refrigeración de aire integrado en el bastidor del motor, aunque cuando son de un tamaño muy grande el sistema de conductos es externo. Efecto sirena. En motores abiertos que poseen conductos de aire radiales a través del rotor y del estátor se puede producir un sonido intenso con componentes de frecuencia discreta, semejante al de una sirena. Este ruido se encuentra normalmente en la franja de frecuencias superior a 1.000 Hz; los armónicos superiores al segundo no suelen ser importantes. Se pueden generar otras frecuencias debido a la modulación de aire causada por los álabes del ventilador, los sistemas de aspas, etcétera. En la Figura 34.4 se ilustra el mecanismo de generación de ruido. El aire admitido en las cercanías de uno o de ambos extremos del eje del rotor fluye axialmente a través del rotor de maniguetas (los brazos del rotor) hacia los conductos de aire situados entre las muescas, y a continuación a través del espacio de aire hacia otras aberturas situadas entre las muescas del estátor. El ruido se produce debido a la súbita interrupción del flujo de aire a medida que las muescas del estátor y del rotor alteran sus posiciones relativas periféricas. La frecuencia fundamental (en herzios) se calcula mediante el producto del número de muescas del rotor y la velocidad de rotación expresada en revoluciones por segundo.

Ruido de origen magnético

El ruido de origen magnético se produce por causas ocasionales, en especial por los espacios de aire situados entre el estátor y el rotor 2.3. En cada punto de las superficies de estos espacios existen fuerzas variables proporcionales al cuadrado de la

34.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cárter del estátor

.y,¡,.o+~~+---;~-

Flujo de aire

FIGURA 34.4. Las flechas indican la dirección del flujo de aire a través del motor causante de la emisión del efecto sirena.

densidad de flujo. La suma de los componentes tangenciales de esta fuerza es proporcional a la potencia total que produce el movimiento útil del motor. Las pulsaciones de la fuerza tangencial producen una vibración torsional del estátor que, a su vez. puede causar vaivenes en la instalación del bastidor del estátor. Esta vibración torsional es causa importante de vibraciones estructurales. Los componentes radiales de la fuerza magnética no aportan ningún movimiento útil, causando solamente ruido. Las fuerzas magnéticas se producen por muchas causas mecánicas yelectromagnéticas del ensamblaje entre el estátor y el rotor. y dependen de: 1. El número de muescas del rotor y del estátor. y la diferencia entre ambas cantidades. 2. Las propiedades del campo de flujo fundamental para el que está proyectado el motor. 3. Las variaciones de permeancia en el espacio de aire causadas por las muescas del estátor y del rotor. su forma. saturación y excentricidades. 4. La disposición en la que se encuentran los anillos de los devanados polares. es decir. el número de vueltas por grupo de engranajes que se aproximan a la fuerza magnetomotriz sinusoidal deseada dentro de un campo fundamental. S. La longitud radial del espacio de aire.

METODOS PARA REDUCIR EL RUIDO DE MOTORES

Con el fin de reducir el ruido emitido por motores ya en funcionamiento se pueden emplear los siguientes métodos 4.

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

34.11

Conductos revestidos, tubos acodados y bastidores

En motores poseedores de recintos montados (véase la Figura 34.2c) se puede conseguir una reducción de nivel sonoro insertando un conducto o un tubo acodado (revestido con material absorbente, como la fibra de vidrio) en la boca de salida de aire. De este modo se consiguen, por ejemplo, reducciones de entre 5 y 10 dB(A), según el diámetro del conducto y su configuración, a una distancia de 1 m de la boca de salida. Se debe prestar atención a que la reducción de flujo de aire (producida por la instalación del conducto revestido) no provoque un calentamiento en el motor, debido a lo cual la nueva boca de entrada de aire debería ser al menos tan grande como la original. Por lo general, un tubo acodado (en forma de ángulo recto) revestido proporciona una mayor reducción de sonido que uno revestido rectilíneo de la misma longitud. Se puede conseguir material de fibra de vidrio con un revestimiento ligero de neopreno, que evitará que la fibra sea arrastrada por el flujo de aire. Se debe procurar que el cambio de dirección de la corriente de aire caliente de descarga no se dirija hacia la terminal del motor o hacia las áreas de control, lo cual podría provocar una subida excesiva de temperatura en esta zona. Un bastidor revestido con material absorbente de sonido puede ser colocado en las bocas de entrada o salida de aire con el fin de proporcionar una reducción significativa del nivel sonoro, especialmente en motores de alta velocidad funcionando entre 1.800 y 3.600 rpm. La Figura 34.5 muestra un motor provisto de un silenciador situado delante del ventilador y montado sobre el eje. Esta disposición fuerza al aire a realizar dos giros con un ángulo de 90°. Al emplear este silenciador es preciso tomar precauciones para asegurar que se suministra el flujo de aire adecuado.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Las fuentes del ruido generado por un motor de corriente continua (dc) pueden ser de tipo mecánico, aerodinámico o magnético. Estas fuentes de ruido son similares a Ventilador existente

Flujo de aire

-~::;:::::tt:;;¡¡¡:::::;q~~--- Material absorbente de sonido

Cubierta del ventilador

FIGURA 34.5.

Motor totalmente estanco de refrigeración por ventilador provisto de un silenciador. Las flechas indican la dirección del flujo de aire.

34.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

las descritas para un motor de inducción, especialmente las referidas a ruidos de origen aerodinámico o magnético. Los motores de corriente continua producen, además, un ruido causado por el tipo especial de conmutadores y escobillas. Los espectros de nivel de presión sonora de los motores de corriente continua y de inducción de la misma potencia son similares para cargas diversas. El ruido de las escobillas, aunque es de naturaleza mecánica, se considera por lo general de forma separada a otros ruidos de tipo mecánico, como los de los cojinetes. Generalmente la mayoría de los motores de corriente continua se emplean en aplicaciones industriales, tales como ascensores, pero pueden ser utilizados en cualquier situación en la que se precise una fuente energética de velocidad variable. El origen del ruido de motores de corriente continua a baja velocidad es, en orden de importancia, de tipo magnético, mecánico, de escobillas y aerodinámico. Para motores de corriente continua de alta velocidad el orden de importancia de ruidos es el de escobillas, aerodinámicos, mecánicos y magnéticos.

RUIDO DE GENERADORES

El ruido principal emitido por un generador se debe a las fuerzas magnéticas que se producen en el espacio de aire. Los rotores del generador tienen dos o más polos magnéticos. La atracción que se produce en estas fuerzas magnéticas puede deformar la laminación o el armazón del estátor. Esta deformación gira con las prominencias de los polos magnéticos. causando vibraciones (véase la Figura 34.6). El ruido de origen aerodinámico es normalmente de menor importancia en generadores de tamaño pequeño, pero puede ser menos significativo en los de gran tamaño. Estas fuentes de ruido aerodinámico pueden ser atribuidas a la descarga de gases por parte de los ventiladores. por parte de los conductos de ventilación del rotor, y por las turbulencias de gas causadas por superficies en movimiento a gran velocidad.

FIGURA 34.6. común.

Atracción magnética en un generador bipolar de corriente alterna

RUIDO DE MOTORES ELECTRICOS

34.13

Por ejemplo, la superficie exterior del rotor puede moverse a velocidades de entre 150 y 215 mis. Otras causas de vibraciones son los desequilibrios mecánicos y diferencias en la rigidez del rotor en dos planos perpendiculares entre sÍ. Los generadores de gran tamaño (por encima de los 15.000 kVA) son, por lo general, más silenciosos que los de menor tamaño, debido a que se refrigeran con hidrógeno y, por tanto, están sellados herméticamente dentro de un sólido bastidor, que proporciona un buen aislamiento al sonido. El ruido es producido por los movimientos vibratorios de los elementos del generador y por las estructuras adyacentes. Los generadores de tamaño mediano (de entre 10.000 y 15.000 kVA) se refrigeran por medio de aire, sus bastidores son menos sólidos, y el sellaje es incompleto. El ruido interior se transmite a través del bastidor y de este sellaje imperfecto. Como sucede con máquinas de mayor tamaño, los elementos del generador y las estructuras adyacentes reciben vibraciones, algunas de ellas dirigidas hacia los aislantes. Los generadores más pequeños (por debajo de los 7.500 kV A) no vienen provistos de aisladores de vibración.

REFERENCIAS 1. O. Schenk, Maschinenschaden, vol. 26, 1953; Engineers Digest, vol. 15, 1954, p. 108. 2. P. L. Alger, The nature o[ Polyphase Induction Machines, John Wiley and Sons, Inc., Nue· va York, 1951. 3. B. Heller y V. Hamata, Harmonic Field Effects in Induction Machines, Elsevier Scientific Publishing Co., Nueva York, 1977. 4. S. J. Yang, Low·Noise Electrical Motors, CIaren don Press, Oxford, 1981.

Capítulo

35

RUIDO DE TRANSFORMADORES J. B. Moreland R.

s. Girgis

INTRODUCCION Los transformadores y los reactores en derivación son un elemento esencial de la transmisión y distribución de energía eléctrica en las redes eléctricas. Un transformador sirve para convertir electricidad de alto voltaje y baja corriente en electricidad de bajo voltaje y alta corriente, o viceversa. Los transformadores del primer tipo se denominan transformadores reductores, y los del segundo, transformadores elevadores. Los transformadores llevan a cabo esta conversión de voltaje y corriente con una pérdida de energía mínima de entre el 0,1 y el 1,0 por 100 generalmente. Un transformador distribuidor reduce el voltaje a partir del nivel de recepción primario (normalmente de entre 440 y 7.200 voltios) al nivel de uso (por lo general de entre 110 y 220 voltios). Los transformadores de este tipo se localizan en el interior de los edificios con el fin de garantizar energía para el alumbrado y la maquinaria eléctrica. Su emisión de ruidos es de vital importancia, ya que muy a menudo se emplean en lugares próximos a las personas. Los transformadores rectificadores son un tipo especial de transformador distribuidor en los que el lateral secundario se encuentra conectado al rectificador. Estos transformadores son de naturaleza ruidosa, debido a que las corrientes y los voltajes que circulan a su través son ricos en armónicos. Un reactor en derivación es una bobina de inductancia de voltaje y energía altos, consistente en un núcleo y un anillo para cada fase. Se utiliza en las redes eléctricas para mejorar la eficacia en la transmisión de energía eléctrica. Los reactores en derivación son elementos puramente inductivos de alto voltaje. Su nivel sonoro es generalmente mucho mayor que el de un transformador de tamaño y potencia similares. Los transformadores y los reactores en derivación producen un ruido similar a un zumbido durante su funcionamiento. En comparación al ruido que emiten otros

35.1

35.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

aparatos eléctricos, el de los transformadores no suele ser elevado. Sin embargo, la naturaleza tonal de su sonido puede ser bastante molesta, particularmente cuando el ruido ambiental es bajo. La Referencia 1 proporciona una extensa bibliografía sobre ruido de transformadores. En este capítulo se describen (1) las fuentes del ruido en transformadores y reactores, (2) las medidas de ruido de transformadores, (3) el control del ruido de un transformador, y (4) la reducción de ruido de una reactancia para lámpara fluorescente.

FUENTES DEL RUIDO DE TRANSFORMADORES Las principales fuentes de ruido en transformadores son: (1) el ruido del núcleo, debido a las propiedades de magnetroestricción del acero del núcleo (sonido de zumbido); (2) el ruido del anillo, producido principalmente por las fuerzas electromagnéticas asociadas a la corriente alterna en circulación a través del bobinado, y (3) el ruido del ventilador, causado por el sistema de refrigeración del transformador (un ruido de banda ancha habitual en ventiladores de baja velocidad). La Figura 35.1 muestra un espectro en bandas de tercio de octava producido por la gran potencia de un transformador de alto voltaje. Los ventiladores predominan en las bandas inferiores y superiores del espectro, mientras que el ruido del núcleo predomina en el rango intermedio de frecuencias (en las bandas entre 125 y 1.000 Hz).

Ruido del núcleo

Cuando una lámina de metal es magnetizada, sufre un pequeñísimo cambio de dimensiones (normalmente sólo de fracciones millonésimas). Este fenómeno se denomina magnetoestricción, y no es directamente proporcional a la densidad de flujo magnético, sino que varía del modo que muestra la Figura 35.2. Cuando la densidad de flujo magnético es pequeña. el aumento de densidad tiene como consecuencia una contracción del hierro. Por el contrario, cuando la densidad de flujo es alta (por encima del recodo de la curva de la Figura 35.2), un posterior aumento provoca el consiguiente incremento de tamaño de la lámina metálica. Estos cambios dimensionales son independientes de la dirección del flujo. Por lo tanto, se producen 120 veces por segundo cuando la frecuencia de línea es de 60 Hz, y 100 veces por segundo cuando es de 50 Hz. Como la curva de magnetización no es lineal, aparecen también los armónicos de 120 y 100 Hz. en la vibración del núcleo resultante. La relativa amplitud de estos armónicos depende de cuál sea la tasa de densidad de flujo a la que actúe el transformador, así como de la amplitud del voltaje. En la Figura 35.3 aparece la forma de onda de la vibración del núcleo para dos densidades de flujo diferentes. cada una de ellas con un espectro de ruido distinto. La Figura 35.4 muestra un espectro de ruido típico de un transformador con una excitación de voltaje de 60 Hz. Este ruido tiene abundantes sonidos armónicos de 120 Hz. El tipo de acero empleado en la fabricación de transformadores y reactores influye en gran medida en el contenido de frecuencias del espectro, así como en el ni-

35.3

RUIDO DE TRANSFORMADORES

90

80

I~

al "C

lO

t>o

I

~~

70

1I

I~

o

.~

~

60

al

"C lO

"C

1

c:

lO

.o

50

Q)

"C

o

'"

Q

~\

~

1" ",'Ir",~

4, ~I:t

;f¡

,

I

I I

~b' x 1 /

~

V l¿( \.- ...\

/-/

oc: o

\\

I \

J :!\\ 1//

al

"C

1.

\

~4~

1>-<>-

1/ \1

entiladores

Transformador y ventiladores

I

Transf

I

rmado~

solame nte

, [\

rr ~.,

solame~te

\~

'\

, "~ , \

40

"-

,4~,

'x

Q¡ .~

'" '''',

z

30

~ 'x,

JI.

20 Frecuencia. Hz

FIGURA 35.1. de octava.

Espectro de ruido de un transformador habitual en bandas de tercio

vel sonoro de los armónicos concretos. Los siguientes tipos de acero producen unos niveles sonoros menores que los aceros al silicio de uso habitual: (1) acero de grano orientado alto, (2) acero ensamblado al láser, y (3) metal amorfo. El ciclo térmico y la temperatura de cocción afectan al espectro de ruido de cada tipo de acero. Otros factores que influyen son: 1. La densidad de flujo. 2. La geometría del núcleo. 3. La forma de onda del voltaje. 4. La estructura de montaje del transformador. 5. Las frecuencias de resonancia del núcleo. El ruido de los anillos

La vibración de los anillos que rodean al núcleo de hierro produce una serie de ruidos que surgen como consecuencia de las fuerzas electromagnéticas que atraen y repelen alternativamente a la bobina en presencia del flujo magnético de dispersión.

35.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Deformación. Jl in/in 80 óO

- 40 - 20

-1.0

o

1.10 Densidad de flujo. tesla

FIGURA 35.2.

Típica curva de magnetoestricción para un grado de acero al silicio.

La frecuencia de este componente del ruido duplica normalmente a la frecuencia energética (120 Hz para una frecuencia de potencia de 60 Hz). El ruido de los anillos es por lo general muy bajo en comparación al del núcleo; sin embargo, puede llegar a ser de importancia: 1. Cuando la bobina se encuentra irregularmente fijada. 2. Cuando en transformadores de nivel sonoro muy bajo el núcleo posea una carga tan ligera que el ruido del bobinado llegue a convertirse en un componente apreciable del ruido total producido por el transformador. 3. En transformadores rectificadores. en los que la corriente que circula por la bobina suele ser muy rica en armónicos y produce una considerable cantidad de ruido. El espectro de ruido resultante incluirá componentes de frecuencia igualo doble de la frecuencia de los armónicos de la corriente. Las normas de medida del ruido de transformadores precisan que éstos sean examinados sin ningún tipo de carga. Por lo tanto, no existe ninguna carga de corriente en la bobina y. como consecuencia, no se producen ruidos en los anillos durante su examen.

Ruido de ventiladores

Los transformadores de energía generan grandes cantidades de calor debido a la pérdida que se produce en el núcleo. en los anillos y en otros componentes de su estructura metálica. Este calor se elimina por medio de ventiladores que impulsan aire sobre los radiadores y los refrigeradores. En la Figura 35.5 aparece la planta de una instalación habitual de un transformador de energía formada por un radiador y un ventilador. El ruido emitido por los ventiladores de refrigeración es normalmente de banda ancha. Los ventiladores de refrigeración contribuyen en mayor medida al ruido global del transformador (1) cuando éstos son de menor potencia en relación a otros de mayor capacidad. y (2) cuando son de baja inducción. Los factores que influyen en el ruido total del ventilador incluyen la velocidad de la punta del álabe, su diseño. el número de ventiladores y la disposición de los radiadores.

RUIDO DE TRANSFORMADORES

Deformación _ para 1,4 tesla /

"

35.5

" ,

~I

"O

.~

Deformación para 1,7tesla

C.

E

«

Tiempo

Densidad del flujo

FIGURA 35.3. Formas de onda para flujos de densidad y para deformaciones en niveles de magnetización de 1,4 y 1,7 teslas.

En la Figura 35.6 se muestra cómo el nivel sonoro varía según la posición en torno a un tipo de transformador de mediana potencia. Hay que destacar que el nivel sonoro es mayor en las proximidades del ensamblaje de refrigeración.

FUENTES DEL RUIDO DE REACTORES El núcleo y los anillos de un reactor se encuentran inmersos en un líquido dieléctrico (normalmente aceite) contenido en el interior de un tanque de acero.Los ventiladores y radiadores están normalmente fijados a este tanque con el fin de refrigerar el líquido dieléctrico, mientras que las escobillas de aislamiento sobresalen del mismo para alojar las conexiones eléctricas. Las causas del ruido de reactores son similares a las que provocan ruidos en los transformadores. La fuente de ruido dominante en un reactor en derivación es la vibración del tanque de acero, que se produce debido a las fuerzas electromagnéticas producidas entre los anillos y el tanque, y entre los anillos y el núcleo. Como el tanque, el núcleo y los anillos se encuentran acoplados mecánicamente, se produce una intensa transmisión de vibraciones entre estos componentes. El tanque de un reactor en derivación no es por lo general rÍgido, lo cual es causa de vibraciones considerables en sus paredes. El ruido es también emitido por la magnetoestricción del núcleo, causada sobre todo por la distribución irregular del flujo magnético en el núcleo, causa de saturación parcial en partes del núcleo y, como consecuencia, de mayores niveles sonoros. El componente principal del ruido se produce generalmente en una frecuencia que duplica a la frecuencia energética (o sea, 120 Hz para una frecuencia energética de 60 Hz). La presencia de componentes de alta frecuencia en el espectro de ruido suele indicar que el núcleo está parcialmente saturado.

MEDICION DEL RUIDO EN TRANSFORMADORES Los procedimientos normalizados para la medida del sonido emitido por un transformador a través del aire han sido publicados por el American National Standards

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

35.6 80 ca

a...

::l.

o

70

N

~

ca

60

"O

ca

o c:

50

o

'"

c: '0 .¡¡;

40

~

a. al

30

"O

a;

.~

z

20 10

o

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Frecuencia en herzios

FIGURA 35.4.

Espectro típico en bandas finas de un transformador.

Institute (ANSI) 2 Y por la Internationa/ E/ectrotechnica/ Commission (lEC) 3. Estas normas indican que el ruido debe medirse con micrófonos situados en un número concreto de posiciones formando un polígono imaginario. Este polígono que contiene las localizaciones de los micrófonos (1) se sitúa en un plano paralelo al suelo, (2) se ajusta al contorno formado atando una cuerda tensa alrededor del transformador. y (3) se encuentra a 0,3 m de la cuerda para todas las posiciones de los micrófonos. La altura de la cuerda desde el suelo es de la mitad de la altura del transformador cuando éste no supera los 2,4 m. Cuando el aparato es más alto, las medidas deben realizarse a dos alturas, una de ellas a un tercio de la altura del transformador, y la otra a dos tercios. Las normas del ANSI y de la lEC requieren la medida de los niveles de potencia sonora con ponderación A, pero permiten que los datos sean indicados en bandas de tercio de octava o aún más precisas. Las normas ANSI y las normas lEC indican que los niveles sonoros del transformador deben ser calculados hallando la media de los niveles obtenidos sobre el polígono. Las normas TRI de la NEMA 4 muestran los niveles sonoros de transformadores de varios tipos (según la forma de refrigeración) y su potencia eléctrica. Estos niveles reflejan el límite superior de sonido de cada transformador en concreto. El procedimiento de medida de ruido del ANSI y de la lEC puede ser aplicado a medidas tanto en lugares interiores como al aire libre. Cuando las mediciones se realizan en interiores. las normas de la lEC permiten al usuario conocer el aumento del nivel sonoro resultante de las reflexiones sobre las superficies de la habitación en la que se encuentra el transformador.

RUIDO DE TRANSFORMADORES

V.,tU.do,",

~

Transformador

oU

35.7

R.di.d..

IDO

FIGURA 35.5. Disposición habitual de refrigeración (radiadores y ventiladores) en transformadores con núcleo de tipo medio.

CONTROL DEL RUIDO DE TRANSFORMADORES El control del ruido de un transformador debería comenzar en la selección de un modelo de diseño suficientemente silencioso. Su montura sobre aisladores de vibración, de acuerdo a los métodos señalados en el Capítulo 29, puede reducir en gran medida la energía vibratoria que se transmite a los soportes de la estructura. Una cubierta que cubra completamente al transformador, como las descritas en el Capítulo 40. proporciona un método de control de ruidos muy eficaz. En circunstancias concretas se puede aprovechar la instalación de barreras acústicas en instalaciones exteriores de transformadores, descritas en los Capítulos 3 y 48. Los transformadores instalados en el interior de edificios suelen ser de tipo seco (O sea, sin aceite). Cuando se instalan a ras de suelo es habitual colocarlos sobre soportes de neopreno (para reducir la propagación del ruido transmitido por la estructura hacia los muros del edificio) y rodearlos con una cubierta (para reducir la propagación de ruidos a través del aire). Cuando se sitúan a ras de suelo es recomendable una instalación del tipo mostrado en la Figura 35.7. En este caso el transformador se monta sobre aisladores consistentes en una combinación de muelles de neopreno y acero. Los muelles de acero proporcionan una gran detlexión estática al transformador y, por lo tanto. en combinación con los soportes de neopreno, son mucho más eficaces a la hora de prevenir la transmisión de sonidos a través de cuerpos sólidos que dichos soportes por separado.

35.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

58 O

57 O

56 O

56 O

56 O

570

O

... Transformador 560

O

O

0 60 0 60

O

59

O

60

FIGURA 35.6. Planta de un transformador de energía refrigerado por medio de varios ventiladores, que muestra cómo varía el nivel sonoro alrededor de su perímetro.

RUIDO DE REACTANCIAS· Las reactancias de lámparas fluorescentes o de mercurio son aparatos que, por medio de elementos inductivos, capacitivos o resistivos (utilizados por separado o combinados), limitan la corriente que llega a la lámpara hasta la cantidad precisa para su funcionamiento correcto. En caso necesario una reactancia puede proporcionar también el voltaje y la corriente precisos de encendido, y en lámparas de encendido rápido, un calentamiento catódico de bajo voltaje. Las reactancias que emplean elementos inductivos emiten ruidos debido a efectos magnetoestrictivos similares de algún modo a los producidos por transformadores. Sin embargo, las reactancias difieren de los transformadores de energía primordialmente por sus características de emisión de ruidos, ya que su corriente y forma de onda son poco sinusoidales, y la no linealidad de la lámpara provoca armónicos de hasta un quincuagésimo orden e incluso mayores. El nivel de presión sonora de estos armónicos tiende a ser mayor en la zona de 2.000 Hz, o sea, en la región de máxima sensibilidad del oído humano .

• La mayor parte del contenido de esta sección es una revisión del capítulo 29 del libro Ilandbook o[ Iloisl' colllrol. de A. J. King. 1.' edición. editado por C. M. Harris. McGraw-Hill. Nueva York. 1957.

RUIDO DE TRANSFORMADORES

35.9

Transformador

Soporte de neopreno

Pieza de la estructura

FIGURA 35.7.

Instalación recomendada para transformadores de tipo seco utilizando una combinación de un muelle de acero con un soporte de neopreno para aislar las vibraciones. Reactancias de fluorescentes

Las reactancias de las lámparas fluorescentes se encuentran situadas a menudo en su instalación (luminares), y son causa de emisión de ruidos. En la Figura 35.8 aparecen sus vías de transmisión del ruido. Los factores que afectan a la emisión de ruidos del conjunto formado por la lámpara y la reactancia son la vejez de la lámpara y la temperatura de la reactancia. Una lámpara cercana al final de su vida útil generalmente produce un nivel de potencia sonora con ponderación A superior en unos 2 dB(A) al de una nueva. Del mismo modo, cuando una lámpara se calienta por encima de su temperatura de funcionamiento, el nivel sonoro aumenta hasta en 4 dB(A). Por tanto. para alcanzar unas condiciones de estabilidad es preciso esperar un período mínimo de calentamiento de 30 minutos antes de proceder a cualquier análisis de ruidos. La temperatura de la reactancia misma también afecta al nivel de potencia sonora hasta en 4 dB(A). aumentando con la temperatura en unos casos y disminuyendo en otros. Cuando las reactancias se encuentran situadas en la luminaria. debido a su gran tamaño, el ruido disminuye lentamente a medida que aumenta la distancia, hasta una distancia igual a la altura de la habitación. Como se indicó en el Capítulo 4. la reflexión del sonido de una fuente emisora sobre los suelos y las paredes tiene como consecuencia que el nivel de presión sonora dentro de una habitación será más uniforme que en el exterior.

35.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Flujo de energía en el circuito magnético

--

,

- - - - - - - - - - - - -

- --

-

-,

+

Ruido audible Acoplamiento mecánico - - - Acoplamiento magnético - - - - - - Radiación acústica

FIGURA 35.8. Croquis que muestra las vías de transmisión de vibraciones desde la reactancia hasta la sujeción de la lámpara fluorescente, desde donde vuelven a ser emitidas como ruido.

Reactancias situadas en posiciones alejadas. Un medio para lograr que las instalaciones de iluminación fluorescente sean silenciosas en lugares particularmente sensibles al ruido consiste en colocar la reactancia en una posición alejada de esta zona, como indica la Figura 35.9. Este método no suele ser habitual debido a su alto coste, que puede ser reducido conectando tres o cuatro lámparas en paralelo sobre una única reactancia. Medidas de ruido de reactancias. El nivel sonoro producido por la instalación de una lámpara fluorescente concreta en una habitación depende de varios factores, como la potencia sonora producida por la reactancia, las propiedades acústicas de la habitación y el tipo de sujeción (luminar). Considerando que las sujeciones están hechas normalmente con un metal de calibre ligero, éstas suelen actuar como propagadoras eficaces de ruidos. Los fabricantes de reactancias proporcionan unos índices de ruido (denominados A, B, e, etcétera, siendo A la más silenciosa) con el fin de ayudar al usuario a seleccionar la reactancia ideal para una aplicación determinada. Un ruido de sujeción inaudible en una instalación puede ser escuchado en otra. Por ejemplo, en una iglesia es preciso utilizar una reactancia más silenciosa (o sea, de tipo A) que en una fábrica, debido al nivel sonoro ambiental superior en esta última. La lámparas H-I-D precisan de unas reactancias (que funcionan a vatiajes superiores por unidad) que emiten normalmente más ruido que las lámparas fluorescentes. El NEMA 4 ha publicado un método de cálculo de este ruido de instalaciones de iluminación. (Aunque ha sido establecido para el ruido de luminares H-I-D,

35.11

RUIDO DE TRANSFORMADORES ~-----------T--------l

:

REACTANCIA

I

LAMPARA

I 1I

I I I I

SUJECION

1

I

I

I I I I

I

LAMPARA

REACTANCIA

I

1I

I 1

I

SUJECION

I I I I I I 1

I

I

L_CIR~~~ALA~CONTROL_~ _ _ _ AUDITORI~_~

FIGURA 35.9. Circuito operativo para lámparas fluorescentes de encendido rápido con reactancias situadas en lugares alejados.

también puede ser aplicado a cualquier fuente de ruido de similar frecuencia discreta, como la producida por las instalaciones de iluminación fluorescente).

REFERENCIAS 1. «Bibliography on Transformer Noise», IEEE Transactions on Power Apparatus and Sys-

tems, vol. PAS-87, n.o 2, febrero 1968 2. American National Standards Institute, ANSI, C57: 12.90, Nueva York, 1987. 3. International Electrotechnical Commission, lEC, Publication 551, American National Standards Institute, Nueva York, 1987. 4. National Electrical Manufacturers Association Standard TRI-1960, Nueva York.

Capítulo

36

RUIDO DE ENGRANAJES William D. Mark

INTRODUCCION Un engranaje consiste en una rueda dentada cuyos dientes están dispuestos de modo que cuando se produce un encaje con los dientes de otra rueda dentada u objeto fijo se transmite un movimiento. Por lo general, el movimiento se produce cuando se engranan dos ruedas dentadas montadas sobre ejes, cuyos dientes están diseñados para conservar un índice de velocidad angular constante para los dos ejes. Los engranajes pueden variar en tamaño desde fracciones de centímetro hasta varios metros de diámetro.

TIPOS DE ENGRANAJES 1.2 El acoplamiento entre pares de engranajes puede clasificarse en dos categorías: los de ejes paralelos y los de ejes no paralelos. Los engranajes cilíndricos de dentadura recta, los de hélice única, los de hélice doble, o de dientes angulares, poseen ejes paralelos, mientras que los engranajes cónicos de dientes rectos, los conicohelicoidales, los hipoidales y los helicoidales son ejemplos de engranajes con ejes no paralelos. Generalmente se emplea el término piñón para designar el engranaje más pequeño de un acoplamiento entre un par de engranajes, mientras que el de mayor tamaño se denomina marcha. Engranajes de eje paralelo

Engranajes cilíndricos de dentadura recta. Los engranajes cilíndricos de dentadura recta (véase la Figura 36.1a) poseen un círculo dentado rodeando al eje, con 36.1

36.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(e)

(b)

(a)

(e)

(f)

(d)

(9)

FIGURA 36.1. Acoplamiento entre pares de engranajes. (a) Engranajes cilíndricos de dentadura recta (relativamente ruidosos); (b) engranajes de hélice única (más silenciosos que los anteriores); (e) engranajes de hélice doble o de dientes angulares (mucho más silenciosos que los cilíndricos de dentadura recta); (d) engranajes cónicos de dientes rectos (relativamente ruidosos); (e) engranajes conicohelicoidales (más silenciosos que los anteriores); (fl engranajes hipoidales; (g) engranajes de tornillo sin fin. (Ilustraciones cedidas por cortesía de la NASA.)

las superficies dentadas paralelas a él. Cuando este tipo de engranajes se encuentra en rotación, el número de pares de dientes en acoplamiento simultáneo se alterna entre uno y dos. El índice de contacto Q (transversal) entre un par de engranajes de este tipo es el período medio de tiempo en el que un par de dientes están en contacto simultáneo. En un engranaje cilíndrico de dentadura recta normal, el índice de contacto es de entre 1 y 2. En engranajes cilíndricos comunes de dentadura recta de gran contacto, que poseen dientes largos y estrechos, el número de pares de dientes en contacto simultáneo varía entre 2 y 3. En una aplicación concreta, los engranajes cilíndricos comunes de dentadura recta de gran contacto suelen provocar menos ruido que los de menor capacidad de contacto. Engranajes de hélice única. Contrariamente a los engranajes cilíndricos de dentadura recta, los dientes de los engranajes de hélice única se encuentran situados en un ángulo concreto respecto a la posición del eje. Este ángulo se denomina ángulo de avance. En la Figura 36.lb aparecen un par de engranajes acoplados por medio de una hélice única. En cualquier corte plano perpendicular a los engranajes, la acción geométrica de un par de engranajes de hélice única es idéntica al del engranaje cilíndrico de dentadura recta. Este corte plano perpendicular a los engranajes en ejes paralelos se denomina plano transversal.

RUIDO DE ENGRANAJES

36.3

Existen dos índices de contacto relacionados al acoplamiento de dos dientes en hélice única. El índice Q de contacto transversal es el índice de contacto definido para engranajes cilíndricos de dentadura recta, basado en la acción geométrica de engranaje del diente en un plano transversal. El índice Q de contacto axial es el número medio de dientes en contacto simultáneo durante un intervalo de tiempo a lo largo de una línea recta paralela a los ejes del engranaje, en una superficie geométrica imaginaria donde los dientes entrarían en contacto. El índice de contacto axial de un par de dientes en un engranaje de hélice única es un valor positivo que puede variar desde algo menos de la unidad hasta 10, o incluso más. En una aplicación concreta, un engranaje de hélice única emite por lo general una cantidad de ruido mucho menor a la de uno cilíndrico de dentadura recta. La fuerza transmitida por el par de dientes actúa primordialmente en sentido perpendicular a sus superficies. Debido al ángulo de avance, la fuerza total transmitida por todos los dientes de un engranaje de hélice única posee un componente que actúa en la dirección del eje de engranaje. Esta fuerza axial debe ser contrarrestada por un cojinete o anillo de empuje. Engranajes de hélice doble o de dientes angulares. Cada diente de un engranaje de hélice doble o de diente angular (Figura 36.1c) se encuentra dividido en su punto medio en dos partes que tienen ángulos de avance idénticos en valor absoluto, pero con sentido opuesto. El empuje axial producido por cada una de las mitades del engranaje queda contrarrestado por la otra mitad. De este modo no son necesarios cojinetes o anillos de empuje. Cuando estas dos mitad~ se encuentran separadas por un surco, se considera que el engranaje es de doble hélice, mientras que cuando no existe una línea divisoria entre las dos mitades y éstas se encuentran en un punto central, como muestra la Figura 36.1c, se trata de un engranaje de diente angular.

Engranajes de eje no paralelo

Los engranajes cónicos transmiten un movimiento de rotación entre ejes no paralelos, que llegarían a cruzarse si aumentara su tamaño. El engranaje cónico de dientes rectos (Figura 36.1d) es un engranaje cónico equivalente al cilíndrico de dentadura recta con eje paralelo. El engranaje conicohelicaidal (Figura 36.1e) equivale al de hélice única. En una aplicación en concreto un engranaje helicoidal produce menos ruido que uno cónico de dientes rectos. Los engranajes hipoidales (Figura 36.11) transmiten el movimiento giratorio entre ejes no paralelos ni cruzados. Un engranaje de tornillo sin fin (Figura 36.1g) posee la característica distintiva de que uno de los engranajes del par, el tornillo sin fin, posee uno o varios dientes envueltos en su totalidad alrededor del eje de engranaje, adquiriendo así la apariencia de un tornillo roscado sin chaflán. El otro engranaje del par se denomina la rueda helicoidal.

36.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ensamblajes del engranaje

Uno o varios pares de engranajes pueden ser ensamblados dentro de un bastidor, que posee tres funciones: 1. Proporcionar soporte a los cojinetes de los ejes, soporte que debe adecuarse a la posición correcta de dichos cojinetes. 2. Sellar el espacio que rodea los engranajes con el fin de retener el lubricante. 3. Proporcionar una barrera al ruido transmitido por el aire.

Existen numerosas posibilidades de instalación3 de engranajes de una o varias fases, cuyo empleo vendrá determinado de acuerdo con el objetivo específico de la instalación del engranaje.

MECANISMOS BASICOS DE GENERACION DEL RUIDO DE ENGRANAJES Acción conjunta de un par ideal de engranajes

Por definición, la disposición en forma de dientes conjuntos de un engranaje transmite exactamente una cantidad de velocidad angular constante 4 • Por tanto, si cada engranaje del par en contacto posee dientes rígidos y equidistantes perfectamente acoplados. la velocidad angular transmitida a través de sus ejes será exactamente constante. La vibración producida y el ruido resultante de dicho par de engranajes, correctamente lubricado con el fin de minimizar la fricción, serán mínimos. Dientes de perfil evo/vente. El perfil del diente cortado en un plano transversal de casi todos los engranajes modernos de tipo cilíndrico de dentadura recta y del tipo de hélice consiste en curvas evolventes s o modificaciones de estas curvas evolventes. Una curva evolvente es la curva generada por el extremo de una cuerda tensada a medida que va desenrollándose de un cilindro circular recto (Figura 36.2a). Este cilindro se denomina cilindro base. Supongamos que la cuerda mencionada anteriormente se desenrolla desde la base superior del cilindro de la Figura 36.2a y se enrosca en su base inferior. A medida que va desenvolviéndose. un punto fijo en la cuerda (por ejemplo, un nudo) traza una curva evolvente asociada a la base superior del cilindro, y mientras se va enroscando en la base inferior. este mismo punto fijo de la cuerda señala la curva evolvente asociada a la base inferior del cilindro. En la Figura 36.2b aparecen ambas curvas evolventes. Permitiendo que estas dos curvas evolventes sean la superficie de rodadura de los dientes del engranaje montados sobre sus respectivas bases del cilindro. y permitiendo que la cuerda sea la correa de transmisión, que transmitirá una velocidad angular constante. a partir de este argumento geométrico se llegará a la conclusión de que un par de engranajes en contacto con dientes rígidos, equidistantes y perfectamente evolventes transmitirá una cantidad exactamente constante de velocidad angular. Por tanto. la curva evolvente es una forma conjunta de engranaje, y todos los puntos de contacto situados entre los dientes evolventes de

36.5

RUIDO DE ENGRANAJES

(al

(bl

FIGURA 36.2. Los dientes de perfil evolvente transmiten velocidades angulares uniformes. (a) La curva evolvente forma parte del itinerario final de la cuerda tensada a medida que ésta se desenrolla de cada cilindro base. (b) Las cuerdas de cada cilindro base están unidas entre sí formando la correa de transmisión. En su itinerario el nudo sigue el perfil evolvente de los dientes del cilindro base superior a medida que va desenvolviéndose, trazando asimismo el perfil evolvente del cilindro base inferior en el que se va envolviendo.

acoplamiento se hallan en un plano, mostrado por la Figura 36.2b, tangente a los dos cilindros base de los dos engranajes. Este plano se denomina plano de contacto o plano de acción. Cuando no existe fricción, la potencia transmitida a un par de dientes engranados es perpendicular a la superficie de los dientes. El componente de potencia del plano transversal transmitido por los dientes evolventes señala y coincide por tanto con la dirección de la línea recta tangente a los dos cilindros base de la Figura 36.2b. Como consecuencia, en ausencia de rozamiento el componente de potencia en un plano transversal que se transmite entre un par de engranajes en contacto con dientes rígidos, equidistantes y perfectamente evolventes, permanecerá siempre en el plano de contacto y, como consecuencia, será constante tanto en posición como en dirección. A partir de la determinación de curvas evolventes mostrada en la Figura 36.2a

también se concluye que cuando se altera la distancia entre los ejes de un par de engranajes de dientes rígidos en contacto, equidistantes y perfectamente evolventes, el engranaje continuará transmitiendo una cantidad exactamente constante de velocidad angular. Por tanto, los errores de distancia entre ejes de engranajes en contacto con dientes rígidos, equidistantes y perfectamente evolventes, no afectarán su capacidad de transmisión de una velocidad angular exactamente constante. Estos

errores pueden ser debidos, por ejemplo, a deformaciones formales de los cojinetes de soporte y son, por tanto, inevitables. Tanto la cualidad anteriormente descrita de transmisión constante de potencia por parte de los dientes evolventes como la no influencia de errores de distancia de separación de ejes en su transmisión de velo-

36.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cidades angulares uniformes son cualidades positivas de cara a la minimización en la emisión de ruidos. En este capítulo se asume que los perfiles del diente en plano transversal respecto a su superficie de rodadura son curvas evolventes o variantes de estas curvas.

Desviaciones en la superficie de rodadura del diente de los engranajes equidistantes de superficies evolventes

Los dientes y los engranajes reales son de constitución elástica. Por tanto, los dientes equidistantes con superficies de rodadura perfectamente evolvente de estos engranajes reales dejan de ser evolventes cuando éstos transmiten una potencia significativa. La forma de la superficie de rodadura del diente en un engranaje, además, contiene normalmente modificaciones intencionadas en la superficie perfectamente evolvente, y existen siempre errores de fabricación. Las superficies de rodadura también se desgastan, y la distribución desigual de temperaturas entre dientes y elementos de engranaje pueden provocar distorsiones térmicas desiguales en su superficie. En añadidura, existen errores geométricos en las manguetas (superficies de rodadura de los ejes) y errores de alineación en los cojinetes que pueden afectar al engranaje entre dientes de la misma forma que los errores de superficie de rodadura. El efecto conjunto de todas estas distorsiones reales y aparentes en la superficie de rodadura del diente respecto a las superficies equidistantes perfectamente evolventes da lugar a excesos de vibración provocados por el acoplamiento de cada par de dientes durante la rotación del engranaje. Este efecto compuesto es la causa principal de excesos vibratorios provocados por el engranaje entre dientes. Otras causas de vibración son el desequilibrio dinámico de los piñones y de las marchas (piezas del engranaje), que contribuye solamente al primer armónico de rotación de la vibración correspondiente a cada pieza del engranaje, y el rozamiento debido al deslizamiento entre los dientes en acoplamiento, que cuando el engranaje se encuentra debidamente lubricado produce un componente vibratorio considerado por lo general insignificante en comparación al provocado por las desviaciones citadas anteriormente de las superficies cargadas de rodadura de dientes sobre las superficies equidistantes perfectamente evolventes.

Error estático de transmisión

La vibración provocada por las desviaciones en la superficie de rodadura anteriormente descritas respecto a los dientes cargados en superficies equidistantes perfectamente evolventes se caracteriza por el error estático de transmisión 6.7. El error estático de transmisión está en función de las posiciones de rotación 6(1) y 0(2) de evolutas semejantes perfectamente rígidas y de piezas reales del engranaje en consideración, donde los exponentes (1) y (2) distinguen las dos piezas del par en engranaje (Figura 36.3), y 0(1) Y0(2) se definen en radianes. Rb(l) y Rb (2) representan los radios del cilindro base de las dos piezas en acoplamiento que muestra la Figura 36.3. Finalmente puede utilizarse una variable única x para denominar las posicio-

RUIDO DE ENGRANAJES

36.7

~ Cilindro base " /,

Plano de contacto

FIGURA 36.3. Par de engranajes acoplados en eje paralelo.

nes de rotación de los dos engranajes en acoplamiento, donde x queda definida del modo siguiente: (36.1 ) que describe la longitud de arco del círculo base asociada a los aumentos de posición angulares 8(1) y 8(2) del par de dientes en engranaje. El error estático de transmisión será positivo cuando sea resultado de una reducción de material en las superficies equidistantes y perfectamente evolventes de los dientes; &8(l) y &8(2) muestran las desviaciones giratorias de los engranajes (1) y (2), respectivamente, en relación a las superficies opuestas de acoplamiento, donde los incrementos positivos de &8(1) y &8(2) coinciden con las direcciones positivas de 8(1) Y8(2) mostrados en la Figura 36.3. Por tanto, el error estático de transmisión Co(x) se definirá del siguiente modo R: (36.2) En la definición anterior de error estático de transmisión se asume que (1) los engranajes girarán lo suficientemente despacio para que los efectos de inercia sean insignificantes; (2) el acoplamiento entre engranajes transmitirá una potencia constante W = W o, tal como aparece en la Figura 36.6, y (3) no se producirán desplazamientos laterales de los ejes debidos a deformaciones en los cojinetes o en sus soportes. De este modo, y de acuerdo a la Ecuación (36.2), el error estático de transmisión describirá la superficie total del plano de contacto durante el acopIamiento de dientes bajo carga constante, en relación a las superficies opuestas de acoplamiento. En conclusión, el error estático de transmisión es un modo de desplazamiento o alteración vibratoria (no una fuerza) que fluctúa a medida que van girando los engranajes. Cuando este error estático de transmisión, como se ha definido anteriormente, se combina con las ecuaciones de movimiento de un sistema de engranajes, se pueden tener en cuenta de un modo adecuado los efectos de inercia, la potencia W transmitida por un engranaje puede variar con el tiempo, y tanto los ejes como sus soportes pueden sufrir desplazamientos laterales. Véase la Refe-

36.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

rencia 9 para conocer la explicación de cómo un error estático de transmisión puede ser empleado para determinar las ecuaciones de movimiento.

Efectos atenuantes de un contacto simultáneo múltiple entre dientes

En un engranaje cilíndrico normal de dentadura recta el número de pares de dientes en contacto simultáneo se va alternando entre uno y dos a medida que se produce el acoplamiento entre sus elementos. En el caso de un engranaje de hélice pueden ser de 10 o incluso de más pares de dientes en contacto simultáneo. El efecto de este contacto simultáneo múltiple sobre las deformaciones formales de los dientes y sobre las desviaciones de sus superficies de rodadura respecto a las superficies equidistantes perfectamente evolventes consiste en ocasionar desviaciones y deformaciones medias de la totalidad de los dientes en contacto respecto a la de cada uno en particular lO • Con la excepción de ciertas cIases de errores de ondulación, este igualamiento provoca la atenuación de las consecuencias de los errores de cada diente en particular, de modo tal que la cantidad fluctuante de errores de transmisión producida a medida que van girando los engranajes es por lo general menor que las desviaciones de cada uno de ellos bajo carga respecto a las superficies equidistantes perfectamente evolventes. Las características de un error estático de transmisión de la alteración vibratoria provocada por el acoplamiento de un par de engranajes incluyen los efectos atenuadores anteriormente citados del contacto simultáneo múltiple entre dientes. Varios métodos para calcular los efectos atenuadores anteriormente descritos de contacto simultáneo múltiple entre dientes sobre las desviaciones de cada uno de ellos en casi todo tipo de disposiciones pueden hallarse en las Referencias 8 a 12, respecto a engranajes de eje paralelo, y en las Referencias 13 a 16, respecto a engranajes cónicos. En la Referencia 9 se podrá encontrar un resumen de las características principales de la metodología relativa a ejes en paralelo. Como primera aproximación, en las Referencias 10 y 11 se muestra cómo los efectos atenuantes del contacto múltiple entre dientes dependen solamente de un único parámetro de diseño. En lo que respecta a engranajes cilíndricos de dentadura recta, este parámetro es el índice Q de contacto transversal, y para los cónicos es el índice de contacto agregado H, que es el producto QaQ,. , en donde Qa es el índice de contacto axial. En concreto, en una primera aproximación la amplitud lineal del error estático de transmisión en engranajes cilíndricos de dentadura rectal I es proporcional a (7TQt) /, y en engranajes cónicos ll es proporcional con la misma constante de proporcionalidad a CJ27T 2 QaQtr I como media, donde el factor J'2 es resultado de una suma incoherente de componentes sinusoidales con fases asumidas al azar. Por tanto, y como media, la amplitud lineal de la alteración vibratoria resultante de un par de engranajes cónicos quedará reducida por un factor (J'27T 2 Q(/Qt) - I / (7TQt) = (J'27TQ(/) en comparación a la de un par de engranajes entre dientes rectos con los mismos números de dientes, índice de contacto transversal.

36.9

RUIDO DE ENGRANAJES

carga específica. adelgazamiento de la punta y errores de fabricación. La reducción vibratoria o de nivel de presión sonora correspondiente será de 20 10gCJ2:rrQa} dB. Esta regla general (que debería ser considerada solamente como una primera aproximación) es aplicable a todos los elementos de un error estático de transmisión en la alteración vibratoria, con excepción de: (1) los armónicos de bajo orden de rotación del engranaje ocasionados por errores de espaciadoll y (2) los errores (especialmente los de ondulación l7 ) debidos a manipulaciones durante su fabricación lK y que se encuentren parcialmente o completamente «en fase» respecto a los contactos múltiples entre dientes, de modo que sólo se produzca una acción limitada de rozamiento, o ninguna en absoluto. La siguiente tabla muestra la enorme ventaja que suponen los engranajes cónicos con fines de reducción acústica respecto a sus engranajes equivalentes de dentadura recta:

Indice Qa de contacto axial 13dB

2

5

10

19 dB

27 dB

33dB

Cuando se aplica la regla general 20 10g(.J27TQa} dB en engranajes de doble hélice o de dientes angulares, debería utilizarse el índice Qa de contacto axial solamente para una hélice. La regla anterior implica que se produce una reducción de 6 dB en la vibración cada vez que se duplica el índice de contacto axial, lo cual concuerda con los análisis numéricosl 9 .

Vías de vibración desde el engranaje hasta el bastidor

Por lo general, el ruido de engranaje que se suele escuchar es emitido por el bastidor y por la estructura de soporte contenidos por la instalación. La energía vibratoria producida por cada acoplamiento de engranajes se transmite al bastidor y al soporte a través de vías en la estructura que los conectan entre sí. Las vías estructurales más importantes de transmisión de esta energía vibratoria se encuentran normalmente en los cojinetes entre engranajes y piñones y entre engranajes y marchas, pasando respectivamente a través de las piezas del piñón y de la marcha. Como se indicará en la siguiente sección, la energía vibratoria producida por un engranaje en acoplamiento funcionando a velocidad constante se concentra generalmente en un número limitado o en unas pocas bandas relativamente estrechas de frecuencias. Por tanto, si estas velocidades son velocidades normales de funcionamiento, es fundamental que las vías de transmisión estructurales principales entre el acoplamiento de engranajes y el bastidor no contengan ninguna frecuencia de resonancia comprendida en las bandas antes mencionadas, en las cuales se concentran las alteraciones vibratorias producidas por los engranajes.

36.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

DESCOMPOS/C/ON ARMON/CA DE ESPECTROS DE EXC/TAC/ON y RESPUESTA

Razones para el empleo del análisis de frecuencia

El análisis de frecuencia ayuda a comprender las alteraciones vibratorias, las respuestas estructurales y el ruido emitido resultante del acoplamiento entre engranajes, debido a que: 1. Cuando el eje motriz del engranaje gira a velocidad constante y la potencia

transmitida por cada acoplamiento es nominalmente constante, la alteración vibratoria resultante de cada par de engranajes y la respuesta estructural y ruidos emitidos resultantes estarán todos en función del tiempo (excepto en casos de pares de engranajes que transmitan cargas muy pequeñas o insignificantes, que provocarán un crujido de engranajes). De la vibración y de la consiguiente respuesta producida por cada par de engranajes en acoplamiento pueden derivarse muchos sonidos armónicos. Sin embargo, como se indicará poco después, la posición y las potencias relativas y absolutas de estos armónicos pueden ser muy útiles para diagnosticar las causas del ruido de engranajes y para facilitar su reducción. 2. Los efectos atenuantes del contacto simultáneo múltiple entre dientes anteriormente citados se describen y comprenden más fácilmente dentro del campo de frecuencias. 3. Los efectos de resonancia estructural se describen y comprenden más fácilmente dentro del campo de frecuencias.

Grupos de armónicos básicos de espectros de excitación y respuesta

Es preciso emplear una variable independiente determinada por las posiciones de giro de las piezas del engranaje con el fin de describir los períodos y las frecuencias fundamentales de los distintos grupos de armónicos de vibración y respuesta producidos por el acoplamiento de un par de engranajes. Para este fin se emplea la variable x definida por la Ecuación (36.1). donde (i) = (1) o (2) determina cada pieza del engranaje de un par en acoplamiento, y W(i) la velocidad angular de giro del engranaje (i) en radianes por segundo. y ¡(i) = W(i)/21T su velocidad angular en ciclos por segundo. Por tanto. ya que S(i) = w(i)t. en donde t es el tiempo medido en segundos. de la Ecuación (36.1). para (i) tanto (1) como (2), se concluye que x puede ser hallado por medio de (36.3)

RUIDO DE ENGRANAJES

36.11

donde x = O cuando t = O, Y donde &x y &t son intervalos de x y t respectivamente. relacionados a la Ecuación (36.3). Por tanto

(36.4 ) 1 ----------------------------~&x (circunferencia del cilindro base) X f(i)

En conclusión, si &x es igual a la circunferencia del cilindro base de la pieza de engranaje (i), el período de tiempo correspondiente &t será l/f(i), que es el período de rotación de la pieza del engranaje (i), como era de esperar.

Periodo fundamental de vibración. El paso base .:1 se define como la distancia (en el plano transversal) entre las superficies de rodadura de dientes adyacentes (sin errores de espaciado) medidas en el cilindro base del engranaje en estudio. De este modo, el paso base de los engranajes en acoplamiento (1) y (2) que muestra la Figura 36.3 se definirá del modo siguiente: (36.5) donde Rb(l) y Rb(Z) representan los radios del cilindro base de los engranajes (1) y (2) respectivamente, y N(l) YN Z) el número de dientes. Como conclusión a la Ecuación (36.5), .:1 se define como la distancia entre superficies de rodadura adyacentes medidas en la variable x definida por la Ecuación (36.1). Mientras giran los engranajes del tipo que aparece en la Figura 36.3, cada una de las piezas (1) y (2) vuelve a su posición originaria cuando su ángulo de rotación e(1) y e(2) realiza una revolución, o sea, cuando su variable x cambia en NI) .:1 o N Z) .:1 unidades respectivamente. A partir de este hecho se concluye que un punto común en cada superficie de rodadura de los dos dientes en acoplamiento, perteneciente a cada uno de los engranajes, volverá a coincidir en el mismo par de dientes cuando el engranaje gire en ángulo tal que la variable independiente x aumente en una distancia (36.6)

donde tanto MI como M 2 son números positivos enteros. Cuando MI y M z son números positivos enteros más pequeños que cumplen la Ecuación (36.3), la cantidad definida por la Ecuación (36.6) determina el período fundamental en la variable x de alteración en la vibración (error estático de transmisión) resultante del par de engranajes en acoplamiento lO • Cuando el número de dientes NI) y N 2 ) son números primos entre sí (no poseen ningún divisor común entero con excepción de la unidad), los números enteros positivos más pequeños MI y M 2 que cumplen la Ecuación (36.6) serán MI = N 2 ), YM 2 = NI). Armónicos de rotación de las piezas individuales de engranaje. Por lo general la mayoría de los armónicos asociados al período fundamental, Ecuación (36.6), del acoplamiento de un par de engranajes no poseen una potencia significativa en el

36.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cálculo de ruido y en los espectros de vibración. No obstante, los grupos de armónicos de rotación de cada pieza individual del engranaje sí muestran una potencia importante. Los períodos fundamentales de la variable x, Ecuación (36.1), de los armónicos de rotación de las piezas de engranaje (1) y (2) son 10 1) d Y102 ) d respectivamente, donde 101) y 10 2 ) representan cada uno el número de dientes de las piezas de engranaje (1) y (2) Yd el paso base. Estos períodos representan simplemente los períodos de rotación de las dos piezas de engranaje. Cuando MI y M 2 son números positivos enteros menores que cumplen la Ecuación (36.6), las frecuencias fundamentales de rotación de las piezas de engranaje (1) Y(2) son los armónicos de orden MI y M 2 respectivamente de la frecuencia fundamental del par en acopIamiento respecto al período, Ecuación (36.6). El contacto entre los dientes de acoplamiento del engranaje del diseño evolvente nominal se efectúa a lo largo de líneas rectas sobre las superficies de rodadura del diente. En engranajes de dentadura recta, estas líneas de contactos son paralelas a los ejes del engranaje, mientras que en los cónicos, las líneas de contacto se encuentran ladeadas respecto a los ejes, como muestra la Figura 36.4. A medida que van girando los engranajes, estas líneas de contacto van resbalando a lo largo de la superficie de rodadura del diente, manteniendo siempre el mismo ángulo respecto a los ejes. Los itinerarios de los extremos finales de la línea de contacto en movimiento delimitan el área de contacto del diente del par de engranajes en acoplamiento, como aparece en la Figura 36.4. La carga soportada por el par de engranajes en acoplamiento, los adelgazamientos de la punta, la base y los extremos, y los errores reales y aparentes de fabricación de cada una de las dos superficies en contacto contribuyen al establecimiento de una zona de contacto entre dos dientes en acoplamiento. Cuando las diferencias entre las superficies de rodadura de los distintos dientes de la misma pieza de engranaje (producidas por errores de fabricación, incluyendo fallos de espaciado entre dientes) sean pequeñas en comparación a las deformaciones formales del diente, las variaciones en las zonas de contacto entre un par de dientes en engranaje serán normalmente pequeñas. Por tanto. a medida que aumenta la potencia de engranaje, este tipo de variaciones suele disminuir. Cuando estas variaciones de zona de contacto entre pares de dientes sean insignificantes, los únicos armónicos de importancia producidos por la vibración de un par de dientes en acoplamiento serán los gru-

Linea de contacto

_____ - - Area de contacto

FIGURA 36.4. Línea y área de contacto de la superficie de rodadura de un diente de engranaje de la hélice. Con la rotación del par de engranajes, la línea de contacto va resbalando a lo largo de la superficie de rodadura del diente. Los extremos finales de la línea de contacto delimitan el área de contacto de la superficie de rodadura.

RUIDO DE ENGRANAJES

36.13

pos de armónicos asociados a los períodos de rotación NI) a y N(2) a fundamentales en la variable x de cada una de las dos piezas del engranaje. Los restantes armónicos asociados al período fundamental, Ecuación (36.6), del par de engranajes serán en estos casos insignificantes. Pequeñas variaciones en las áreas de contacto entre dientes producirán solamente efectos secundarios sobre la fuente principal de alteraciones vibratorias, el error estático de transmisión Ih.

Armónicos del par de dientes del engranaje en acoplamiento. Otro grupo de armónicos asociado al par de dientes acoplados es el grupo de armónicos del engranaje de dientes con el período fundamental a en la variable x, Ecuación (36.1), que es el período, Ecuación (36.5), asociado al espaciado entre dientes adyacentes. La frecuencia fundamental del par de dientes del engranaje en acoplamiento es el armónico de rotación número NI) del engranaje (1), y el número N 2 ) del engranaje (2) del par. Además, de la Ecuación (36.6) se concluye que la frecuencia fundamental del par de dientes del engranaje en acoplamiento es el número armónico MINI) = M 2N 2 ) de la frecuencia fundamental global del par de engranajes con el período ofrecido por la Ecuación (36.6) cuando MI y M 2 son los números enteros menores que cumplen esta relación. Cuando los errores de fabricación de las superficies de rodadura de los dientes (incluyendo los errores de espaciamiento entre dientes) son pequeños en comparación con las deformaciones de forma de los dientes y de los adelgazamientos de la punta, la base y los extremos, y cuando los errores del eje de ruedas son insignificantes, los armónicos mayores de vibración y las respuestas producidas por el engranaje serán los armónicos de engranaje de dientes con el período fundamental a en la variable x, siempre que el par en acoplamiento transmita una carga constante en una velocidad de rotación fija. Cuando las superficies de rodadura de los dientes están exactamente espaciadas y son idénticas en cada uno de los dientes del par de engranaje, los únicos armónicos significativos lO de vibración de error estático de transmisión y de respuesta son los armónicos del engranaje de dientes, siempre que los ejes de ruedas sean perfectos (sin excentricidades del eje de ruedas y de la base del cilindro), la rigidez de cada diente del par sea la misma, y los engranajes transmitan una carga suficiente para el mantenimiento de un buen contacto entre dientes durante el giro. Sin embargo, las características de la superficie de rodadura y de rigidez del piñón pueden diferir de las del engranaje con el cual vaya a acoplarse. Armónicos de rotación y otros diversos causados por e"ores de fabricación. Se puede obtener un análisis informativo útil dividiendo el espectro de vibración del error estático de transmisión en (1) armónicos de engranaje entre los dientes del par en acoplamiento, (2) armónicos restantes de giro de cada una de las piezas del par en acoplamiento, y (3) demás armónicos asociados al período fundamental. Ecuación (36.6). del par en acoplamiento. Cuando las características de rigidez de cada uno de los dientes del par en acoplamiento sean las mismas, como se ha descrito anteriormente. las deformaciones de los dientes contribuirán a aumentar significativamente solamente los armónicos de engranaje de dientes de la alteración vibratoria del error estático de transmisión. Es más, la desviación media de las superficies de rodadura de los dientes de cada pieza del engranaje respecto a la superficie equidistante perfectamente evolvente contribuirá también en gran medida al aumento

36.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

solamente de los armónicos de engranaje de dientes del error de transmisión, mientras que las desviaciones de la superficie de rodadura de cada diente de la pieza del engranaje respecto a la media de superficie de rodadura de esa pieza contribuirán en forma importante a los restantes armónicos de rotación del error de transmisión que contribuyen desde el engranaje, y, en menor medida, a través de las variaciones en zona de contacto, a los restantes armónicos asociados con el período fundamental, Ecuación (36.6), del par en engranaje, sin recibir una aportación relevante a los armónicos del engranaje de dientes. Los errores de espaciamiento entre dientes concretos no aportan una contribución especial a los armónicos del engranaje. Por desviación media de las superficies de rodadura de los dientes en una pieza del engranaje se entiende la desviación media de esa pieza a partir de una superficie evolvente perfecta, donde esta media se determinará calculando la media aritmética de todos los dientes de cada pieza del engranaje a partir de las superficies de rodadura individuales. Por tanto, las modificaciones intencionadas en la superficie de rodadura, como las efectuadas en la punta, la base y el adelgazamiento lateral, contribuyen de modo importante solamente a los armónicos de engranaje entre dientes de la vibración. Ya que normalmente se trata de que las superficies de rodadura de todos los dientes de un mismo engranaje sean idénticas, la influencia de la geometría de la superficie de rodadura de los dientes respecto a los armónicos de giro y de otro tipo (excluyendo los de acoplamiento entre dientes) de la vibración en el error de transmisión vendrá provocada normalmente por errores de fabricación. Los errores de espaciamiento entre dientes suelen ser uno de los más comunes fallos de fabricación. En la Referencia 20 se puede encontrar la confirmación experimentada del hecho de que los errores de fabricación son la causa principal de los armónicos de rotación (excluyendo los de acoplamiento entre dientes) del espectro de error estático de transmisión de una pieza del engranaje. Aportaciones armónicas rotacionales incompletas. En la Figura 36.5 aparece el espectro de error estático de transmisión de un par de engranajes en acoplamiento. incluyendo los armónicos del engranaje entre dientes y los armónicos de rotación de solamente una de las piezas del engranaje. Un análisis detallado 11 de las consecuencias de los fallos de fabricación sobre el error estático de transmisión ha llegado a la conclusión de que la única aportación significativa de la vibración de error estático de transmisión a los primeros armónicos pequeños de rotación de un engranaje es debida al componente erróneo "puro» de espaciado entre dientes ocasionado por los errores de fabricación. Aportaciones armónicas rotacionales próximas alas armónicos del engranaje entre dientes. Las pequeñas primeras aportaciones de armónicos rotacionales de un engranaje descritas anteriormente suelen ser potentes, como también lo son las partes del mismo grupo de armónicos de rotación cercanas a los armónicos del engranaje. tal como aparece en la Figura 36.5. Estos armónicos de rotación situados en las proximidades de los armónicos del engranaje se suelen denominar bandas laterales de los armónicos de engranaje. Sin embargo, en los casos en que los engranajes transmiten una carga constante a la misma velocidad, estas así llamadas bandas laterales son debidas a errores de fabricación en la superficie de rodadura del diente. así como a imperfecciones del eje de ruedas. como se ha descrito antes, y pueden ser previstas 8-11.21 formando una transformación Fourier discreta 22, respecto al número de dientes, de los errores elementales sobre la superficie de rodadura de cada

36.15

RUIDO DE ENGRANAJES

A B

.....--..-

~

e .....--..D

A

-e -e

I 012 . . .

I

I

I

I

--.

2N'" Número racional armónico de los elementos del engranaje (il

FIGURA 36.5. Esquema del espectro de error de transmisión estática que muestra el origen de varios tipos de sonidos armónicos. Aparecen los armónicos (A) del engranaje del par de dientes, así como los armónicos de rotación (B, C, D) de cada uno de los elementos del par en engranaje (11. No aparecen los demás armónicos asociados a la fase esencial [Ecuación (36.6)) del par en engranaje. El número de dientes del elemento en engranaje (11 y de la rueda de tornillo sin fin del plato porta pieza giratorio son N")v N_ respectivamente. los armónicos (A) del engranaje de dientes son debidos a deformaciones y a desviaciones de la superficie de rodadura media a partir de la superficie evolvente perfecta. los armónicos de baja frecuencia (B) durante el giro son ocasionados por errores de fabricación en el espaciado entre dientes. los armónicos «laterales» (C) durante el giro se producen debido a todo tipo de errores de fabricación distintos al espaciada entre dientes. El armónico ondulante (D) es debido a las imperfecciones del sistema impulsor de la rueda helicoidal del engranaje del tornillo sin fin en el plato porta pieza giratorio.

diente en particular, y a continuación multiplicando los espectros discretos resultantes por las funciones de transferencia de acoplamiento, que representan los efectos atenuadores sobre los errores del contacto simultáneo múltiple entre dientes. Por tanto, estas bandas laterales surgen a partir de la naturaleza discreta de los dientes del engranaje y del hecho de que sean circulares. Los armónicos potentes de rotación próximos a los armónicos del engranaje entre dientes son debidos a errores de fabricación de los dientes y a imperfecciones del eje de ruedas (incluyendo excentricidades del eje en el cilindro base), y son una consecuencia del comportamiento periódico de la transformación Fourier discreta, la cual, en esta aplicación, posee un período de número armónico rotacional igual al número de dientes de la pieza del engranajelO.1l.21. Como resultado de esta periodicidad en número armónico, los armónicos potentes de rotación incompleta causados por errores de fabricación muestran de nuevo en el espectro de error estático de transmisión unos armónicos de rotación tan potentes en las cercanías de los armónicos de engranaje como los que aparecen en la Figura 36.5. Las aportaciones de armónicos de rotación (de bandas laterales) a partir de las modulaciones de frecuencia o de fase asociadas a las fluctuaciones en velocidad debidas a los errores de transmisión son normalmente

36.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

pequeñas en comparación a las aportaciones atribuidas directamente a errores de fabricación 8 .

Armónicos causados por los efectos de vibración paramétrica y por el caos. A medida que se produce el giro del engranaje, las variaciones temporales en su rigidez total debidas a cambios periódicos en el número de dientes que se encuentran simultáneamente en contacto pueden provocar, en teoría, un comportamiento inestable en ciertos índices de rotación del engranaje en relación a las frecuencias naturales de la instalación. Estas frecuencias naturales problemáticas se producen aproximadamente a 0,5, 1, 1,5,2,2,5 ... veces la frecuencia fundamental del engranaje entre dientes 23 . Por tanto, la aparición de armónicos potentes de tipo medio respecto a la frecuencia fundamental del engranaje de dientes en los espectros de respuesta de la instalación podría ser una indicación de este tipo de conducta inestable. Este comportamiento ha sido observado en engranajes de dentadura recta 7 , pero es de importancia solamente en instalaciones ligeramente amortiguadas, y probablemente carece de importancia en el caso de engranajes cónicos. Cuando un engranaje de dentadura recta transmite potencias muy pequeñas o prácticamente insignificantes, se puede perder intermitentemente el contacto entre los dientes, causando una fuerte tendencia no lineal en la rigidez del engranaje que podría provocar sacudidas24 . El movimiento vibratorio resultante de las piezas del engranaje puede en estos casos no ser periódico, mientras que el espectro de frecuencia de este mismo movimiento puede ser continuo. Este comportamiento se denomina caoi 5 • En la Tabla 36.1 aparece un resumen de los distintos tipos de armónicos descritos en esta sección. junto con sus causas principales e información relevante. En esta información se presupone que las fluctuaciones en la carga total transmitida por las piezas del engranaje son mínimas. así como los cambios de velocidad rotatoria de las piezas del engranaje (diversos a los cambios mínimos causados por el error estático de transmisión. que son tenidos en cuenta). Estos mismos supuestos son aplicables al tema sobre los orígenes de la vibración tratado en la sección siguiente.

CAUSAS PRINCIPALES DE DISTINTOS TIPOS DE VIBRACION y GRUPOS ARMONICOS DE RESPUESTA Armónicos de engranaje entre dientes

Las deformaciones en los dientes y las desviaciones respecto a las superficies equidistantes perfectamente evolventes que se producen en superficies de rodadura medias sin carga se combinan para producir la desviación de la superficie de rodadura cargada media. principal causa de sonidos armónicos en el engranaje entre dientes.

Deformaciones en los dientes. Con una carga moderadamente alta, la deformación máxima de los dientes es de unos 25 micrometros (1.000 jJ..in). en donde 1 micrometro = 10 - 16 m.

RUIDO DE ENGRANAJES

36.17

Perfil del diente y principales modificaciones. A medida que el par de engranajes va girando, los dientes evolventes no modificados tienden a interferir entre sí en el punto inicial de contacto debido a las deformaciones de los dientes ya engranados. Estas interferencias provocan un trasvase muy abrupto de carga a los dientes que entran en contacto, y un exceso de ruido de acoplamiento (y desgaste de dientes) como resultado. En añadidura, los errores de espaciado entre dientes pueden ocasionar más interferencias al inicio del contacto. En engranajes cilíndricos de dentadura recta y en los cónicos de dientes rectos, se debe realizar un perfil de adelgazamiento de la punta, o una combinación entre adelgazamiento de la punta y de la base, con el fin de prevenir estas interferencias. En engranajes de hélice y conicohelicoidales se emplea una combinación entre un adelgazamiento de la punta (o de la punta y la base) y de los extremos para prevenir interferencias. Cuando no existen errores de fabricación, en el eje de ruedas o en la alineación, es posible en principio compensar con exactitud las deformaciones formales realizando modificaciones en la superficie de rodadura para cada potencia prescrita transmitida por el acoplamiento de engranajes6 .7.26 . En engranajes bastante cargados, la cantidad máxima de modificación es de unos 25 micrometros (1.000 ¡.Lin) o poco más. E"ores defabricación. La desviación respecto a la superficie de rodadura media de los dientes de una pieza de engranaje en una superficie perfectamente evolvente puede ser distinta a la modificación deseada de esta superficie (por ejemplo, el adelgazamiento pretendido en la punta, la base o el extremo). La diferencia entre la superficie real y la deseada contribuirá a la cantidad emitida de armónicos de engranaje. Desgaste de dientes. Los dientes del engranaje pueden sufrir desgastes, particularmente cuando se emplean aceros relativamente ligeros con grandes cantidades de carga, que modifican la superficie media de rodadura de los dientes. Debido al desgaste se puede producir una reducción importante de material, lo cual puede provocar cambios significativos en los niveles de sonidos armónicos del engranaje de dientes. Defectos de alineación en los cojinetes. Cuando los cojinetes situados en los dos extremos del piñón y del eje de marchas no se encuentran debidamente situados, éstos no serán paralelos. La proyección de esta cIase de defecto de alineación sobre el plano de contacto (Figura 36.3) es de particular importancia. y su componente de desajuste será equivalente al error del ángulo del piñón o en el ángulo de avance del diente. La cantidad de este desajuste previsto en la región de contacto entre dientes (axial) debería mantenerse en una fracción pequeña prevista de deformación máxima de dientes. En los engranajes cilíndricos de dentadura recta y en los de hélice, cuando los desajustes superen esta cantidad, los dientes de un extremo del eje de engranaje soportarán una carga mayor que los del otro extremo. y la cantidad modificada en la punta no será correcta en ninguno de los extremos, lo cual provocará por lo general un aumento de vibraciones armónicas y de niveles de respuesta en el engranaje. Si la cantidad de este componente de desajuste supera al doble de la deformación máxima prevista en los dientes. puede producirse una pérdida total de contacto entre dientes en uno de los extremos de los ejes del engranaje. lo cual en

~

las deformaciones en la forma de los dientes y en la superficie de rodadura provocan alteraciones en la superficie evolvente (extremo, base y resalto final) y desgastes.

Pueden ser ocasionados por una gran variedad de errores de fabricación, en particular por la acumulación de errores de espaciado entre dientes, además de sus diferentes grados de desgaste.

Errores acumulados de fabricación en el espaciado entre dientes, excentricidades del eje de ruedas y del cilindro base, y desequilibrios dinámicos del engranaje

Armónicos producidos por la rotación de piezas del engranaje cercanos a los armónicos del engranaje entre los dientes (llamados laterales)

Primer armónico producido por la rotación de una pieza del engranaje

Ca ..... principales

Armónicos producidos durante el engranaje del par de dientes

Armónicos

Si depende de la velocidad, equilibrar el engranaje; en caso contrario, reducir el componente sinusoidal fundamental de los errores acumulados de espaciado entre dientes y de excentricidades del eje de ruedas y del cilindro base

La magnitud del componente de desequilibrio dinámico aumenta con la velocidad. La cantidad acumulada de errores en el espaciado entre dientes y las excentricidades del eje de ruedas y del cilindro base contribuyen al desajuste del STE independientemente de la velocidad. La potencia de estos tres componentes es independiente de la carga

Mejorar la exactitud de fabricación; controlar los errores acumulados de espaciado entre dientes; realizar una rectificación con muela abrasiva de los dientes; aumentar la superficie axial de contacto de los engranajes helicoidales, o emplear engranajes cilíndricos de dentadura recta con un alto grado de contacto

Con carga constante modificar los dientes de modo que queden compensadas las deformaciones··',26. Aumentar asimismo la zona de contacto axial en la hélice del engranaje (más eficaz), o utilizar engranajes cilíndricos de dentadura recta con un alto grado de contacto (menos eficaz).

Soluciones

En una primera aproximación su aporte al desajuste del STE depende tanto de la carga como de la velocidad

provocados por el desajuste del error de transmisión estática (STE) en el engranaje de dientes depende de la carga, no de la velocidad

La magnitud de los armónicos

Observadones

TABLA 36.1. Tipos diversos de orígenes y de sonidos armónicos provocados por causa de acoplamientos entre pares de engranajes, listados en orden aproximado de importancia, causas principales y soluciones

o

e 6

::lJ

r-

m

o

or-

::lJ

-l

z

o

-< n

CJ)

l>

n

-l

eCJ)

n

l>

CJ)

l>

6

O

s::m

om

r-

l>

e

Z

s:: l>

00

...

w !'»

Los armónicos de excitación paramétrica de tipo medio se pueden observar con toda probabilidad en sistemas de engranaje cilíndricos de dentadura recta ligeramente amortiguados con frecuencias resonantes situadas en los armónicos de tipo medio observados De gran importancia solamente en engranajes posiblemente de baja calidad con errores de fabricación importantes sobre las superficies de rodadura del diente. Existen más posibilidades de observarlos en engranajes con poca carga que en los que tienen carga mayor

_Excitación paramétrica. debida a variaciones paramétricas de rigidez total en la frecuencia de engranaje de dientes. (También puede ser causada por errores de fabricación o desgastes sufridos en dientes alternos.)

Variaciones producidas entre distintos pares de dientes acoplados en la zona de contacto de las superficies de rodadura del diente

Golpeteo de engranajes

Frecuencia de armónicos de tipo medio en el engranaje de los dientes

Armónicos de frecuenoia fundamental del par de engranajes en períodos de tiempo, ecuación (36.6), donde MI y M, son números primos entre sí (en otros armónicos diferentes a los de acoplamiento de dientes en el par de engranajes o a los de rotación de las piezas del engranaje)

Espectro continuo

Se da solamente cuando los pares de engranajes cargan con un peso ligero o insignificante

Las ondulaciones de muy pequeila amplitud sobre las superficies de rodadura del engranaje pueden provocar un aumento significativo del STE. La potencia de desajuste de STE es independiente de la velocidad y de la carga

Imperfecciones en el plato portapieza giratorio de las máquinas generatrices de tallado y rectificación con muela abrasiva con que se fabrica el engranaje

N úmero armónico de rotación igual al número de dientes de la rueda helicoidal del plato portapieza de impulsión

La potencia de contribución al desgaste del STE es independiente tanto de la velocidad como de la carga. Véase la entrada anterior

Errores acumulados tanto de fabricación en el espaciado entre dientes como de desgaste de engranajes. Véase la entrada anterior

Primeros pequeilos armónicos producidos por la rotación de una pieza del engranaje. Véase la entrada anterior

Mantener la carga mínima transmitida por el engranaje; reducir la holgura; mejorar la lubricación entre los dientes

Reducir los errores de fabricación. Realizar una operación de rectificado de dientes más precisa. por ejemplo con muela abrasiva

Aumentar la amortiguación en la instalación. Alterar la posición de las frecuencias resonantes de la instalación o el número de dientes de las piezas de engranaje. Reemplazar el engranaje cilíndrico de dentadura recta por uno de hélice

Reducir. eliminar o compensar las imperfecciones existentes en el plato portapieza giratorio del engranaje. Realizar un rectificado. por ejemplo por fricción. que elimine las ondulaciones

Reducir el error acumulado de fabricación en el espaciado entre dientes. Véase la entrada anterior

CO

.....

~

w

m

~ en

> Z

:o

m m Z el

o

eo

:o

e

36.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

el caso de un engranaje de hélice provocaría que el valor operativo del índice Q de contacto axial fuera inferior al valor previsto. Esta reducción en el índice de contacto axial puede ocasionar un aumento adicional del nivel de armónicos de engranaje y de rotación entre dientes, resultado de la disminución de efectos atenuantes de contacto simultáneo múltiple entre dientes, descrito con anterioridad en este capítulo. Un desgaste desigual en los cojinetes de los dos extremos del eje provocaría los mismos defectos de alineación, también debidos a desigualdades en la rigidez de los cojinetes de soporte de los dos extremos del eje.

Deformaciones en el cuerpo del piñón. En un engranaje de hélice ancha, las deformaciones de torsión, curvatura y cizallamiento pueden constituir una parte importante de las deformaciones del diente 17 • Los efectos de tales deformaciones sobre los armónicos del engranaje entre dientes son similares a los producidos por los defectos de alineación de los cojinetes. Las correcciones de ángulo de avance local en los dientes del piñón se realizan por lo general con el fin de compensar las deformaciones en el cuerpo del piñón, bajo unas condiciones de carga concretas. Retención de aire y aceite. En engranajes cilíndricos de dentadura recta y de hélice, el aire atrapado durante el acoplamiento puede alcanzar velocidades sónicas o casi sónicas cuando es expulsado fuera de los dientes en contacto. Cuando este aire alcanza velocidades sónicas, puede ser causa predominante de ruidos en el engranaje 27 • Un aumento en la holguraS y en el espacio libre de la base del diente puede mejorar la expulsión del aceite retenido. Fricción. Las vibraciones provocadas por el rozamiento entre dos dientes deslizándose entre sí se supone por lo general menor a la provocada en los armónicos del error estático de transmisión causados por el engranaje entre dientes debido a los motivos anteriormente citados

Armónicos de rotación en las piezas del engranaje

Con la excepción de las vibraciones en los armónicos de rotación de bajo orden debidas a desequilibrios dinámicos en una pieza del engranaje, y de los efectos de la vibración paramétrica y del golpeteo de engranajes mencionados en la Tabla 36.1, las principales causas de armónicos de rotación en la vibración (distintas a los armónicos de engranaje entre dientes) se producen por desviaciones geométricas reales o aparentes de las superficies de rodadura de cada diente concreto de la pieza de engranaje respecto a la media de la de todos los dientes en conjunto, o sea, de las diferencias geométricas entre las superficies de rodadura de los dientes considerados individualmente. Las demás causas de vibración pueden ser importantes o incluso dominantes en engranajes de calidad media o inferior a la media. Cada desviación geométrica de las superficies de rodadura del diente respecto a la media provocará un aumento de armónicos de rotación del engranaje. Más adelante se describen algunas de las causas más importantes de estos armónicos.

--

RUIDO DE ENGRANAJES

36.21

Desequilibrios. Una pieza desequilibrada del engranaje emitirá vibraciones sinusoidales en la frecuencia de rotación de la pieza del engranaje. La amplitud de esta vibración será proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. Errores de espaciado entre dientes. La medida de errores de espaciado entre dientes referida a ruidos de engranajes es el error acumulado de espaciado entre dientes 18,28,29, que mide los defectos a lo largo del círculo base en la posición absoluta de superficie de rodadura de cada diente del engranaje respecto a la posición de cada diente de referencia. Unos errores acumulados máximos en el espaciado entre dientes del orden de la máxima deformación formal, o mayores, pueden producir importantes componentes armónicos vibratorios de rotación en relación a los componentes armónicos de engranaje entre dientes. Los errores de espaciado suelen contribuir sobre todo al aumento de la cantidad de armónicos de rotación de bajo orden y de armónicos producidos en las cercanías de los de engranaje. Excentricidades del eje de ruedas y del cilindro base. Cuando el eje de ruedas es perfectamente circular, éste controla el eje de rotación del engranaje. El eje del cilindro base controla la situación de los dientes. La excentricidad del eje de ruedas y del cilindro base es la distancia entre las posiciones de estos dos ejes medida en un plano perpendicular. Cualquier excentricidad de este tipo produce un componente sinusoidal de errores acumulados en el espaciado entre dientes sufrido por la acción de engranaje entre los mismos, donde el período sinusoidal es de una revolución de la pieza de engranaje. La amplitud entre las cotas máximas de esta vibración sinusoidal de errores de espaciado entre dientes duplica a la excentricidad Descentramiento del eje de ruedas. Cuando el eje de ruedas no forma un círculo perfecto, el eje del cilindro base puede controlar sin embargo la posición de los dientes todavía. En un eje de ruedas no circular, trazar un círculo cuyo centro esté situado en el centro del círculo base tangente al punto más alejado del eje, y otro círculo con el mismo centro tangente a su punto más interno. Si el espesor mínimo de la capa de aceite situada entre el eje de ruedas y los cojinetes no cambia con la posición de rotación del eje, la diferencia en los radios de estos dos círculos será la vibración entre las cotas máximas, acumulada a los errores de espaciado entre dientes causados por el descentramiento del eje de ruedas y por la excentricidad del eje en el cilindro base. Si el eje es perfectamente circular, la diferencia anteriormente descrita entre los radios duplicará a la excentricidad del eje en el cilindro base. Variaciones en la circunferencia del ángulo de la hélice. Otra causa de armónicos de rotación de error estático de transmisión son las pequeñas variaciones producidas entre los dientes en el ángulo de la hélice de un engranaje. Por lo general estas variaciones en el ángulo contribuyen, primordialmente, a aumentar los armónicos de rotación en las cercanías de los armónicos de engranaje 11. Las variaciones de ángulo de hélice que provocan un cambio de posición de las puntas del diente en cantidades comparables a las deformaciones máximas de los dientes pueden causar un aumento de los armónicos de rotación del engranaje de hélices, del mismo orden de magnitud que los armónicos de engranaje entre dientes. Diferencial axial en la excentricidad del eje de ruedas y del cilindro base. Una marcha o un piñón poseen un eje en cada extremo. Supongamos en principio que

-

36.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

los ejes de cada uno de los extremos son perfectamente circulares. Supongamos además que los ejes del cilindro base y de los ejes de las ruedas de cada extremo son excéntricos. Conectemos los ejes de ruedas de los extremos con una línea recta. Si las magnitudes de las excentricidades de cada uno de los extremos de la pieza de engranaje son las mismas, y si la dirección de los ejes de ruedas del eje del cilindro base en cada extremo son también las mismas, la línea recta que conecta los ejes de las ruedas será paralela a los del cilindro base. En este caso especial las excentricidades del eje de ruedas y del cilindro base provocarán errores puros en el espaciado entre dientes debido a la acción de engranaje, como se ha explicado anteriormente. Sin embargo, la línea recta que conecta los ejes de las ruedas no será por lo general paralela al eje del cilindro base. La medida en que estas dos líneas rectas se separan de las líneas paralelas provocará una variación sinusoidal en el ángulo de avance de los dientes de la pieza de engranaje debida a esta acción de acoplamiento entre los dientes, en la que el período sinusoidal será de una revolución de la pieza de engranaje. Con el fin de minimizar la vibración producida por los armónicos en rotación, debería mantenerse al mínimo este componente de alejamiento de estas dos líneas rectas respecto a las líneas paralelas. Diferencia axial en ejes descentrados de ruedas. Cuando los ejes de ruedas de los dos extremos del eje de engranaje no son circulares, y cuando sus formas exactas y/o sus orientaciones relativas no son idénticas, sus formas distintas y/u orientaciones relativas entre sí y respecto al eje del cilindro base contribuirán también en este caso a una variación en el ángulo de avance entre los dientes del engranaje. Sin embargo, en este ejemplo con ejes de ruedas no circulares, la variación en el ángulo de avance respecto a la posición de rotación del engranaje ya no será sinusoidal, pero sí periódica, siendo el período de una revolución de la pieza de engranaje. Desgaste desigual de los dientes. Cuando la carga transportada por un acopIamiento de engranajes varía periódicamente con un período igual al de rotación del piñón y de la marcha del engranaje, o de uno de sus armónicos, el mismo punto en algún diente transportará siempre una carga mayor a la media, mientras que cualquier otro de un diente diferente transportará siempre una carga menor a la media. Cuando se dan estos casos se pueden producir desgastes desiguales sistemáticos entre los dientes. Las diferencias resultantes en la superficie de rodadura de los dientes debido al desgaste generarán vibraciones armónicas de rotación producidas por el engranaje entre dientes. Este tipo de desgaste desigual puede ser provocado por las vibraciones resonantes de las piezas del engranaje. Errores causados por el empleo de herramientas. Cuando se producen desgastes importantes en la herramienta de tallado de los dientes de engranaje durante la fase de fabricación de una pieza que pueden dar lugar a diferencias geométricas en sus superficies de rodadura, estas diferencias contribuirán a aumentar el componente armónico de vibraciones de rotación. Errores de ondulaci6n. Los errores de ondulación son errores periódicos de fabricación que se extienden por lo general en la superficie completa de rodadura de los dientes del engranaje. Cuando estos errores son causados por operaciones de cortado o de rectificación con muela abrasiva que imitan la acción de engranaje de los

RUIDO DE ENGRANAJES

36.23

dientes (llamadas operaciones de generación), pueden llegar a constituir una causa importante o incluso dominante de vibraciones en grandes engranajes de hélice. Estos errores de ondulación causan este tipo de vibraciones debido a que los errores producidos en todos los dientes simultáneamente en contacto se encuentran en fase. Por tanto, no se produce un efecto de atenuación de errores con la acción de rebajado que normalmente tiene lugar en un contacto simultáneo múltiple entre dientes. Como resultado, un error de ondulación entre cotas de sonido en un engranaje de hélice del calibre de 0,5 micrometros (20 ¡.Lin) puede causar una alteración en la vibración comparable a la causada por una deformación en los dientes de 25 micrometros (1.000 ¡.Lin). El error «típico» de ondulación es debido a imperfecciones en el plato portapieza giratorio de máquinas generatrices de tallado y rectificación con muela abrasiva, que producen un único componente de vibración armónica de rotación a partir de la pieza de engranaje con un número armónico igual al de dientes del tornillo sin fin del plato portapieza giratorio 17 . El espectro de error de transmisión que aparece en la Figura 36.5 muestra este error de ondulación del sonido armónico de rotación, a veces denominado tonos fantasmas. Asperezas en la superficie de rodadura del diente. Normalmente las asperezas en la superficie de rodadura de los dientes suelen ser con mucho una causa menor de vibraciones del engranaje entre dientes. Sin embargo, este tipo de asperezas en algunos engranajes puede poseer una apariencia regular o estructurada al ir de cada diente al siguiente. En estos casos, este componente de irregularidad que se produce en todas las superficies de rodadura simultáneamente en contacto puede causar un incremento importante de los armónicos vibratorios de rotación. Errores debidos a un soporte inadecuado del engranaje durante el proceso de fabricación y a fuerzas centrifugas. Es frecuente que cuando se fabrica un engranaje, éste se encuentre en una posición respecto al campo de gravedad terráqueo diferente a la de su posición de funcionamiento. Cuando no están firmemente sujetos los engranajes pesados durante la fabricación, algunos dientes podrán combarse en relación a otros dientes debido a deformaciones irregulares de los cuerpos de engranaje causadas por las fuerzas gravitatorias. Cuando se ponen en funcionamiento estos engranajes en una posición distinta respecto a la fuerza de gravedad de la tierra, se producirán diferencias geométricas en las superficies de rodadura de los dientes, lo cual será causa de armónicos vibratorios de rotación en el engranaje. Las deformaciones no uniformes en las parte de un engranaje de gran velocidad producidas por fuerzas centrífugas pueden causar diferencias similares en las superficies de rodadura de los distintos dientes. Una diferencia en la superficie de rodadura del orden de máxima deformación del diente, o sea, de 25 micrometros (1.000 ¡.Lin), puede producir un número importante de armónicos de rotación. Expansión térmica irregular. Las fluctuaciones de temperatura en el primordio de la rueda dentada durante el proceso de fabricación pueden provocar diferencias en las superficies de rodadura de los dientes. Las distorsiones térmicas causadas por procesos a altas temperaturas pueden dar origen a diferencias importantes en las superficies de rodadura de los dientes, que serían eliminadas por medio de una rectificación con muela abrasiva tras el mencionado proceso. La expansión térmica

-

36.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

irregular de los cuerpos y dientes de engranaje durante el proceso de acoplamiento puede ser causa además tanto de vibraciones en el engranaje como en los armónicos de rotación.

Causas adicionales debidas a los cojinetes de soporte. En los cojinetes del eje de ruedas de engranajes de alta velocidad existe la posibilidad de que se produzcan inestabilidades en la película de aceite I7 •23 . Estas inestabilidades se producen a una frecuencia fundamental ligeramente menor a la mitad de la frecuencia rotacional del eje, y en los armónicos de esta frecuencia fundamental (véase los Capítulos 37 y 39). En estos tipos de instalación de engranajes que emplean cojinetes con piezas rodantes para sujetar los ejes del piñón y de las marchas, las imperfecciones en los canales de rodadura y en las superficie de estos rodamientos provocan alteraciones vibratorias adicionales (Capítulo 37).

Representación analítica y medición de errores en los dientes

En las Referencias 28 y 29 se puede encontrar un método sistemático de clasificación y medida de los errores geométricos en la superficie de rodadura de los dientes que emplea los polinomios bidimensionales normalizados de Legendre30 • Estos polinomios proporcionan un método eficaz de representación virtual de todos los errores, con excepción de los de ondulación.

CONSIDERACIONES SOBRE LA MEDICION DE ANALlSIS DE ARMONICOS La información pertinente a las causas fundamentales de ruidos y vibraciones en los engranajes se puede obtener midiendo la magnitud de los componentes armónicos diversos y de los grupos de armónicos clasificados en la Tabla 36.1, cuyos principales orígenes han sido descritos anteriormente. Estas mediciones pueden realizarse gracias a un analizador de señales (o analizador de espectro) (Capítulo 8), que descompone la forma de onda continua en sus diversos componentes armónicos. Al examinar el análisis de frecuencia de la forma de onda de un ruido o vibración generados por un acoplamiento de engranajes, es esencial poder determinar los distintos componentes armónicos de rotación de las piezas en engranaje para fines diagnósticos, y, en particular, poder determinar los armónicos del engranaje entre dientes desde sus armónicos de rotación más cercanos. Esto debería ser posible en la mayoría de los analizadores de espectro por medio del uso de un algoritmo rápido de transformación Fourier para calcular la transformación Fourier discreta (Capítulo 8) del sonido cuyo espectro de frecuencia se encuentre en estudio. Cualquier variación en la velocidad del eje dentro del intervalo de tiempo durante el cual se estudie la silueta de onda del ruido o vibración en el análisis del espectro tiende a ampliar el armónico vibratorio de rotación y las líneas de espectro armónico del engranaje entre dientes. Por tanto, deberían minimizarse estas variaciones de velocidad del eje. Este problema puede ser evitado utilizando el análisis

RUIDO DE ENGRANAJES

36.25

de búsqueda (Capítulo 8), en el que la frecuencia de muestreo de la onda en estudio es controlada directamente por la velocidad instantánea del eje de una de las dos piezas del acoplamiento de engranajes Los efectos de resonancia estructural pueden ser diferenciados de los armónicos vibratorios de la pieza del engranaje midiendo los espectros de ruido y vibración de la instalación en una gama de velocidades del eje en los que estas velocidades se mantengan constantes cuando se obtenga cada espectro concreto. Al mostrar estos espectros en un esquema tridimensional en función de la velocidad del eje, la presentación de los datos resultantes se denomina diagrama Campbell.

REFERENCIAS 1. K. G. F. Moeller, «Gear Noise», cap. 23 en Handbook of Noise Control, 1." ed., C. M. Harris (ed.), McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1957. 2. S. Binder y L. Kingston, «Functional Types of Gears», cap. 2 en Gear Handbook, D. W. Dudley (ed.), McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1962. 3. D. W. Dudley, «Gear Arrangements», cap. 3 en Gear Handbook, D. W. Dudley (ed.). McGraw-Hill Book Company, Nueva York. 1962. 4. E. Buckingham, Analytical Mechanics of Gears, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1949; reimpreso por Dover Publications, Inc., Nueva York, 1987, pp. 1,2. 5. V. M. Faires y R. M. Keown, Mechanism, 5." ed., McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1960; reimpreso por Robert E. Krieger Publishing Company, Huntington, N. Y., 1980, pp. 182-186,216,217. 6. S. L. Harris, «Dynamic Loads on the Teeth of Spur Gears», Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 172. 1958,pp.87-100. 7. R. W. Gregory, S. L. Harris y R. G. Munro, «Dynamic Behavior of Spur Gears», Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 178, 1963-1964, pp. 207-218. 8. W. D. Mark, «Gear Noise Excitation», en Engine Noise: Excitation, Vibration, and Radiation, R. Hickling y M. M. Kamal (eds.), Plenum Publishing Corporation, Nueva York, 1982. 9. W. D. Merk, «Elements oC Gear Noise Prediction», cap. 21 en Noise and Vibration Contro/: Engineering Principies and Applications, 1. L. Ver y L. L. Beranek (eds.), John Wiley and Sons, Nueva York, 1992. 10. W. D. Mark, «Analysis of the Vibratory Excitation of Gear Systems: Basic Theory», J. Acoust. Soc. Am., vol. 63, n.o 5,1978, pp. 1409-1430. 11. W. D. Mark, «Analysis of the Vibratory Excitation oC Gear Systems. 11: Tooth Error Representations, Approximations, and Application», J. Acoust. Soco Am., vol. 66, n.o 6, 1979,pp.1758-1787. 12. W. D. Mark, «The Generalized Transmission Error of Parallel-Axis Gears», ASME Journal af Mechanisms, Transmissions, and Automatian in Design. vol. 111. n.o 3, 1989. pp. 414-423. 13. W. D. Mark, «The Generalized Transmission Error of Spiral Bevel Gears», ASM E Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 109, n." 2,1987, pp. 275-282. 14. W. D. Mark, «Use of the Generalized Transmission Error in the Equations of Motion of Gear Systems». ASM E Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 109, n.o 2,1987, pp. 283-291. 15. W. D. Mark, «Effects of Bearing Offset and Flexibility on the Mesh Force Distribution

36.26

16.

17. 18. 19.

20.

21.

22. 23.

24. 25. 26.

27. 28.

29.

30.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

of Spiral Bevel Gears», ASME Joumal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 110, n.o 2,1988, pp. 203-210. W. D. Mark, «An Extremum Principal for Computation of the Zone of Tooth Contact and Generalized Transmission Error of Spiral Bevel Gears», ASME Joumal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 110, n.o 2,1988, pp. 211-220. 1. G. Broersma, Marine Gears, The Technical Publishing Company H. Stam N. V., Países Bajos, 1961, pp. 66-70, 229-231, 343-352. H. E. Merritt, Gear Engineering, Halsted Press, John Wiley and Sons, Nueva York, 1971, pp. 35-37,77,78. H. Winter, H. Gerber y R. Muller, «Investigations on the Excitation of Vibrations and Noise at Spur and Helical Gears», Proceedings of the 1989 Intemational Power Transmission and Gearing Conference, vol. 2, American Society of Mechanical Engineers, Nueva York, 1989, pp. 765.772. G. W. Nagorny y R. A. Stutchfield, «Gear Noise-The Generation of Rotational Harmonic Frequencies in Marine Propulsion Gears», AGMA paper n.o P299.06A, American Gear Manufacturers Association, Alexandria, Va., 1981. W. D. Mark, «The Role of the Discrete Fourier Transform in the Contribution to Gear Transmission Error Spectra from Tooth-Spacing Errors», Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 201, n.o 3,1987, pp. 227-229. J. W. Cooley, P. A. W. Lewis y P. D. Welch, «The Finite Fourier Transform», IEEE Trans. Audio Electroacoustic, vol. AU-l7, 1969, pp. 77-85. J. P. Den Hartog, Mechanical Vibrations, 4." ed., McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1956; reimpreso por Dover Publications, Inc., Nueva York, 1985, pp. 295-299, 343347. A. Kahraman and R. Singh, «Non-Linear Dynamics of a Spur Gear Pair», J. Sound Vib .. vol. 142, n.o 1,1990, pp. 49-75. J. M. T. Thompson and H. B. Stewart, Nonlinear Dynamics and Chaos, John Wiley and Sons, Chichester, Inglaterra, 1986. W. D. Mark, «The Transfer Function Method for Gear System Dynamics Applied to Conventional and Minimum Excitation Gearing Designs», NASA Contractor Report 3626, NASA, Washington, D. c., 1982. «Gearset Accuracy and Contact Ratios», Machine Design, vol. 24,13 de octubre de 1988, pp. 36, 37. W. D. Mark, «Analytical Reconstruction of the Running Surfaces of Gear Teeth Using Standard Profile and Lead Measurements». ASM E Joumal of Mechanisms, Transmissions. and Automation i1l Design. vol. 105, n.o 4. 1983, pp. 725-735; vol. 106, n.o 1,1984. p.22. W. D. Mark, «Analytical Reconstruction of the Running Surfaces of Gear Teeth. Part 2: Combining Tooth Spacing Measurements with Profile and Lead Measurements», ASME Joumal of Mechanisms, Transmission, and Automation in Design, vol. 109, n.o 2, 1987. pp. 268-274. E. D. Rainville, Special Functions, The Macmillan Company, Nueva York, 1960, pp. 157186.

s1

Capítulo

37

RUIDO DE COJINETES F. P. Wardle

INTRODUCCION Un cojinete es una pieza que permite la realización de movimientos lineales o rotatorios entre dos componentes de una máquina transfiriendo la carga de un componente al otro al mismo tiempo. En este capítulo se describen los distintos tipos de cojinetes de uso habitual, las causas del ruido que producen y los métodos para su control.

TIPOS DE COJINETES Los cojinetes pueden ser clasificados dentro de los siguientes tipos: de piezas rodantes, hidrodinámicos e hidrostáticos. En esta sección se describirán estos tipos de cojinetes y sus principios de funcionamiento.

Cojinetes de piezas rodantes

Los cojinetes de piezas rodantes contienen un anillo externo, un anillo interno, varias piezas rodantes, y un tambor como el que aparece en la Figura 37.1. El ánima del anillo externo y el diámetro exterior del anillo interno poseen una hendidura circunferencial con una sección transversal equivalente a la de las piezas rodantes. Estas hendiduras, denominadas canales de rodadura, proporcionan la canalización suficiente para controlar el movimiento de rodamiento de las piezas. Estas piezas provocan la eliminación del deslizamiento total entre superficies con grandes cargas, y por tanto la fricción entre los cojinetes rodantes será baja en comparación a la producida por otros tipos de cojinetes. La carga, sin embargo, será transmitida 37.1

-

37.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

.Ir-lWk~k---

Anillo externo Pieza rodante Tambor Anillo interno

.r.lWI!!iI...--

Canal de rodadura interno Canal de rodadura externo

FIGURA 37.1.

Cojinete de piezas rodantes.

por el contacto de las piezas rodantes en el canal de rodadura, el cual (debido a la geometría del cojinete) dispone de un área pequeña. Las áreas limitadas de contacto aumentan como consecuencia de la deformación de las superficies en contacto, produciendo unos niveles altos de tensión. En condiciones de rodaje las superficies del canal de rodadura y de la pieza rodante sufren repetidamente esta tensión, pudiendo provocar fallos debidos al desgaste. La función principal del tambor consiste en impedir que las piezas rodantes entren en contacto entre sí, debido a que. si esto llegara a ocurrir, las condiciones resultantes de contacto ocasionarían un alto grado de rozamiento, asperezas en la rodadura y desgaste en la superficie. La lubricación es fundamental en el funcionamiento de las piezas rodantes del cojinete, de la misma forma que lo es en otros tipos de cojinetes. Aunque las zonas de contacto entre las piezas rodantes y los canales de rodadura son pequeñas y la tensión es alta, debe existir una capa de lubricante que separe completamente estas superficies. Esta capa se forma cuando el lubricante se adhiere a la pieza rodante y a las superficies del canal. y es arrastrada por el movimiento giratorio. Durante el contacto sufre altas presiones que provocan un aumento exponencial en su viscosidad y facilitan el soporte de la carga. Las capas de lubricante son finas (normalmente de 0.3 J.1m) y tienen consecuencias decisivas sobre (1) el ruido de cojinetes, (2) la duración y (3) los niveles de fricción. Existe una gran variedad de cojinetes de piezas rodantes, y cada uno de ellos ofrece ventajas en ciertas características de funcionamiento. En este capítulo se describen los tres tipos principales, ilustrados en las Figuras 37.1 y 37.2. Cojinetes de bolas. En la Figura 37.1 aparece un cojinete de bolas rodantes en canal único. Esta es la clase de cojinete de piezas rodantes más empleada entre las muchas variantes que se fabrican. El cojinete de bolas de contacto angular es otro tipo de cojinete que se diferencia del de bolas radiales en canal único por la clase de car-

....

37.3

RUIDO DE COJINETES

Resalte Resalte

(a)

(b)

FIGURA 37.2. Cojinetes de piezas rodantes cilíndricas y cónicas. cos; (b) rodillos cónicos.

(a)

Rodillos cilíndri-

ga que puede transportar. El cojinete de bolas en canal único puede soportar cargas radiales moderadas y cargas axiales ligeras en cada una de las direcciones. El de contacto angular puede transportar una gran carga axial solamente en una dirección, y una carga radial ligera. Respecto a las demás clases, los cojinetes de bolas deben resistir las mayores cantidades de tensión entre las piezas rodantes y el canal, y su uso se limita al soporte de cargas ligeras y moderadas. En los catálogos de los fabricantes y en las Referencias 1 y 2 aparece más información sobre cojinetes de bolas. Cojinetes de piezas rodantes cilíndricas. En la Figura 37.2a se muestra un cojinete de piezas rodantes cilíndricas. Cuando se emplean estas piezas rodantes en lugar de las bolas se puede conseguir una superficie de contacto mucho mayor entre la pieza y el canal. La zona de contacto es rectangular y se extiende en casi toda la longitud de la pieza rodante. Es más, es posible disponer de varias longitudes de pieza rodante, aunque la mayoría de los fabricantes han acordado realizar una medida fija de longitud y diámetro cercana a 1. Estas mayores áreas de contacto conseguidas permiten al cojinete soportar cargas mucho más pesadas que las de los cojinetes de bolas. En cojinetes de piezas rodantes cilíndricas la carga debe dirigirse predominantemente en dirección radial. Cojinetes de piezas rodantes cónicas. Los cojinetes de piezas rodantes cónicas, como el que aparece en la Figura 37.2b, poseen un área de contacto entre la pieza y el canal mucho mayor que las de los cojinetes de bolas, pero, como ellos, puede también soportar cargas en dirección radial y axial. La potencia experimentada en los canales interiores y exteriores de contacto posee un componente que actúa sobre el eje de rotación tendiendo a expulsar la pieza rodante fuera del cojinete. Por esta razón es necesario disponer de un resalte, como el que aparece en la Figura 37.2b, bien en el anillo interno o en el externo, con el fin de retener las piezas rodantes. El rozamiento producido entre el resalte y los extremos de la pieza rodante son una causa importante de fricción; por tanto, aunque los cojinetes de piezas rodantes cónicas puedan transportar mayores cargas y posean una mayor versatilidad, sufren relativamente una pérdida mayor de energía que los cojinetes de bolas.

-

37.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cojinetes hidrodinámicos

Existen tres tipos de cojinetes hidrodinámicos: de eje de ruedas, de empuje y lineales. Sus principios básicos operativos aparecen en la Figura 37.3, que es un diagrama esquemático de un cojinete de eje de ruedas cilíndrico normal. Se compone de un anillo exterior y de un eje, entre los cuales existe un huelgo que da paso al lubricante. Cuando el eje se encuentra inmóvil, permanece en contacto con el anillo externo, de modo que el intersticio varía desde cero en el punto de contacto hasta dos veces el huelgo establecido para 180°. Durante la rotación, el eje empuja el lubricante dentro de la cuña y provoca una presión de fluido que lo levanta, haciendo que pierda contacto con el anillo externo. El eje no se encuentra en posición central dentro del ánima del anillo externo, sino que permanece excéntrico, dando lugar a una holgura que varía de posición angular. En el modelo simplificado de cojinete que aparece en la Figura 37.3 la excentricidad del eje es esencial para que se produzca el levantamiento y para proporcionar una mayor capacidad de carga. La excentricidad del eje debe mantenerse dentro de valores bajos en aplicaciones con cojinetes de precisión a alta velocidad. En el tipo de cojinete cilíndrico mostrado en la Figura 37.3 se puede solamente lograr una baja excentricidad reduciendo la holgura a costa de aumentar la fricción. Para operaciones de precisión y de alta velocidad existen diseños de cojinetes de mayor complejidad. En la Figura 37.4 aparece un diseño de cojinete hidrodinámico en el que el ánima del anillo externo está moldurada de modo que sea posible lograr un mejor ajuste entre el movimiento del eje y la fricción del cojinete que en el de piezas cilíndricas. En cualquier caso existen dos o más cuñas para aceite entre el eje y el anillo externo con el fin de proporcionar una distribución uniforme de presión de alzamiento y, por tanto, una mayor estabilidad. En la Figura 37.5 aparece un cojinete de rodillos basculan tes. Su anillo externo protege varios rodillos colocados simétrica-

lI". . . .~ Capa de aceite

FIGURA 37.3.

Cojinete hidrodinámico. Principios operativos.

c1

37.5

RUIDO DE COJINETES

(a)

(b)

(e)

FIGURA 37.4. Cojinetes hidrodinámicos de ánimas molduradas. (a) Mitades descentradas; (b) ánima en forma de limón; (e) multilobulada.

mente alrededor del eje de ruedas, dispuesto cada uno de ellos sobre un pivote con el fin de bascular en sentido circunferencial. Cada rodillo crea un hueco en forma de cuña entre la superficie del cojinete y el eje, que en condiciones de rotación provoca el levantamiento. El movimiento estable se consigue cuando la presión de levantamiento se distribuye con uniformidad alrededor del eje. En las Referencias 3 y 4 se podrá encontrar más información sobre diseño y análisis de cojinetes hidrodinámicos.

Cojinetes hidrostáticos

Se pueden encontrar cojinetes hidrostáticos de eje de ruedas y de empuje lineal. Sus principios operativos básicos aparecen en la Figura 37.6, que muestra un cojinete lineal que emplea líquido lubricante. Los elementos principales del cojinete son el restrictor interior, la cavidad y el borde circundante. El lubricante penetra a presión a través del restrictor hasta la cavidad, generando la fuerza de levantamiento precisa para (1) separar las superficies móviles de las fijas y (2) soportar la carga aplicada. Cuando se separan las superficies, el pequeño huelgo que se forma entre el borde y la superficie en movimiento controla la cantidad de lubricante que llega desde la cavidad. El cojinete alcanza la estabilidad debido al hecho de que la presión dellubricante en la cavidad depende de la carga del cojinete. Un aumento de carga reduce el huelgo entre el borde y la superficie móvil, haciendo que la resistencia del borde frente al flujo de líquido aumente respecto al restrictor interior. Como consecuencia se produce un aumento de la presión del lubricante en la cavidad, que lo hace capaz de soportar la carga mayor y de mantener un huelgo positivo entre el borde y la superficie móvil. Por el contrario, una reducción de la carga produce un aumento de huelgo, un mayor flujo de lubricante y una reducción de la presión en la cavidad. Un cojinete hidrostático de eje de ruedas posee tres o cuatro cavidades similares a las mostradas en la Figura 37.6 colocadas simétricamente alrededor del ánima de la carcasa, como indica la Figura 37.7. Cuando el eje se desplaza radialmente, en la cavidad que sufre una reducción de espacio entre base y eje se produce un aumento de presión del lubricante, mientras que en la cavidad opuesta disminuye esta presión. La presión diferencial entre cavidades opuestas indica la capacidad de carga

-

37.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 37.5. Cojinete hidrodinámico de rodillos basculantes.

de pesos del cojinete y limita el movimiento del eje. Los cojinetes hidrostáticos pueden utilizar líquidos o gases como lubricantes. Los principios operativos básicos de los gases son similares a los de los líquidos, pero los diseños optimizados de cojinetes se diferencian bastante en construcción y funcionamiento. En las Referencias 5 y 6 se puede encontrar información sobre el diseño y análisis de cojinetes hidrostáticos.

FUENTES DEL RUIDO DE COJINETES El ruido producido por los cojinetes suele ser debido a (1) imperfecciones en las superficies de rodaje que impiden el deslizamiento correcto y a (2) inestabilidad. El estado de la superficie del cojinete depende de su calidad inicial y de construcción, del diseño de la máquina en la que está insertado, y de las consiguientes condiciones de funcionamiento de esta máquina. La inestabilidad, conocida comúnmente como torbellino de aceite, se produce en cojinetes de tipo hidrodinámico, mientras que el movimiento inestable del tambor puede darse en cojinetes con piezas rodantes. Ruido de las piezas rodantes del cojinete

Vibración de elasticidad variable. La vibración de elasticidad variable es el término empleado para describir la vibración producida por variaciones cíclicas en deformaciones elásticas de las piezas de la máquina. Se da en toda clase de cojinetes con piezas rodantes susceptibles de soportar cargas radiales o no alineadas. Con este tipo de cargas, la deformación sufrida entre el anillo interno y el externo del co-

c1

RUIDO DE COJINETES

Suministro de lubricante, presión P

5\

37.7

Restrictor

,;;;11 Superficie en movimiento

FIGURA 37.6. Cojinete hidrostático. Principios operativos.

jinete depende de las posiciones de las piezas rodantes. Por ejemplo, cuando una pieza rodante se encuentra perfectamente alineada y la carga radial aplicada, la deformación sufrida entre el anillo interno y el externo es mínima, mientras que cuando dos piezas rodantes se encuentran equidistantes respecto a la línea de carga radial, la deformación alcanza su nivel máximo. Este tipo de ruido contiene una frecuencia fundamental igual a la de las piezas rodantes pasando a través de la línea de acción de la carga, así como tres o cuatro armónicos de importancia. Además de depender del tipo de carga, la vibración de elasticidad variable también depende del diseño del cojinete, siendo de mayor nivel en cojinetes que poseen un bajo número de piezas rodantes o un gran huelgo radial interno. La variación de elasticidad variable no depende de la calidad del cojinete, y se produce incluso en cojinetes dotados de superficies rodantes perfectas.

Ruido originado por defectos en las supe1jicies rodantes. Las imperfecciones en las superficies de rotación son responsables de gran parte de los problemas sonoros de las piezas rodantes del cojinete. Ninguna superficie es perfectamente redonda ni lisa, e incluso los cojinetes de mejor calidad poseen elementos capaces de producir ruido. Las imperfecciones en la superficie se pueden clasificar como ondulaciones o asperezas, y surgen debido a los procesos de fabricación empleados en la creación del cojinete. En la Figura 37.8 aparecen superficies onduladas y con asperezas, ambas con unas líneas de onda complejas que pueden sin embargo considerarse compuestas por varios períodos armónicos simples. Por tanto, el radio r del canal de rodadura del cojinete o superficie de la pieza rodante se puede hallar empleando ¡ =N

r = ro

L

¡

donde ro

(je + 4>¡)

(37.1 )

= radio medio de la superficie,

a¡ =

-

a¡ sen

= I

amplitud de la onda de superficie armónica simple con j resaltes por circunferencia,

37.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 37.7. Cojinete hidrostático de eje de ruedas. e j

= posición angular medida a partir de una referencia, y

= período de la fase.

La diferencia principal entre la ondulación y las asperezas es el número de resaltes por circunferencia. La ondulación se emplea para describir una superficie que posea menos de unos lOO resaltes por circunferencia, mientras que las asperezas se refieren a una superficie que supere los lOO resaltes. Estos dos tipos de accidentes en la superficie generan ruidos de distinta clase. El grabado de la Figura 37.8 muestra superficies irregulares en relación al contacto del canal de rodadura con la pieza rodante. Las dos superficies opuestas se encuentran nominalmente separadas por una capa de lubricante de un espesor medio h. Por sus características de aspereza cada superficie posee varios salientes y entrantes dentro de la franja de contacto que provocan variaciones locales en el espesor de la capa de lubricante. Los salientes de cada superficie pueden rasgar la capa de aceite y poner en contacto las superficies opuestas, produciendo como resultado una vibración consistente en una secuencia variable de pequeños impulsos que incrementan los valores naturales del cojinete y de la estructura de soporte. La aspereza de la superficie se mide y cuantifica normalmente en términos de la variación en la altura de la superficie de la raíz cuadrática media (rms), a. El índice de espesor de la capa lubricante en relación a la aspereza de la superficie de la raíz compuesta cuadrática media consiste en h A = ¡=::::;¡=====:::;¡====-

J ~anal

de rodadura

+ a~ieza rodante

(37.2)

y es un parámetro importante para estimar la gravedad de la vibración producida

por las asperezas de la superficie. Los fabricantes de cojinetes realizan acabados

RUIDO DE COJINETES

37.9

.Anchura de contacto

FIGURA 37.8. Ondulaciones y asperezas de superficies rodantes.

perfectos para lograr un alto índice A. Cuando la altura del saliente de la superficie es de unas tres veces la altura rms y el espesor habitual de la capa de aceite es de 0,3 jJ.m, las superficies deben estar pulidas en una medida mayor de 0,05 jJ.m para lograr una baja probabilidad de interacción entre las superficies y, por tanto, poco ruido. Entre las características superficiales de ondulación se dan salientes y entrantes ampliamente espaciados, como muestra la ilustración principal de la Figura 37.8. Las piezas rodantes siguen estos contornos ondulantes y, de este modo, producen movimientos radiales relativos entre los anillos internos y externos del cojinete. La relación entre el perfil ondulante de la superficie y la magnitud de la vibración re-

37.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

sultante es compleja, y depende de la geometría del cojinete y de las condiciones de carga y velocidad. En la Referencia 7 se estudia en detalle esta relación respecto a cojinetes con bolas de carga de empuje, y muestra cómo las ondulaciones en los canales de rodadura internos y externos y las superficies de las piezas rodantes con un número concreto de resaltes por circunferencia se encuentran relacionadas únicamente con frecuencias específicas del espectro de vibración del cojinete. Este estudio demuestra que las ondulaciones producen vibraciones especialmente en la franja de frecuencias de hasta unas 60 veces la velocidad rotacional del cojinete, mientras que las asperezas en la superficie producen vibraciones particularmente en frecuencias superiores a 60 veces la velocidad del cojinete. A la hora de identificar errores puede ser útil el conocimiento de la relación existente entre la onda de la superficie de rotación y las frecuencias de vibración del cojinete, que permiten distinguir entre vibraciones del cojinete y otras causas de vibración de la máquina o de problemas potenciales localizados en los anillos externo e interno o en las piezas rodantes. La Figura 37.9 es un ejemplo de espectro de vibración grabado en un aparato de ensayo que contiene un cojinete con bolas de carga de empuje. En él se aprecian una serie de frecuencias de gran amplitud que son armónicos del paso de la bola por los anillos externos e internos, y de su velocidad de rotación. En este caso el aparato de ensayo posee pocas causas diversas de vibración, con lo que las frecuencias de los cojinetes son fácilmente identificables. Por lo general, el espectro de vibración de una máquina estará compuesto por muchas frecuencias adicionales debidas a otros elementos. Las frecuencias causadas por los anillos externos e internos y por la rotación de la bola, que pueden ser apreciadas en la Figura 37.9, indican que los canales de rodadura externos e internos y las superficies de las bolas son fuentes importantes de vibraciones. Por lo general, los cojinetes producen frecuencias de vibración que son armónicos de la tasa de paso externa e interna de la pieza rodante y de su velocidad de rotación. En la Referencia 7 se describe cómo calcular estas frecuencias a partir del conocimiento de la geometría y de la velocidad de rotación del cojinete. Ruido originado por defectos y distorsiones en la supeificie. Aunque en relación a la mayor parte de las piezas de una máquina los cojinetes son elementos de precisión fabricados según unas normas estrictas de esfericidad y acabado, pueden producir ruidos como resultado de defectos y distorsiones en su superficie. Las superficies de rotación pueden sufrir daños debido a una gran variedad de causas, como por muescas originadas por la presencia de contaminación, corrosión, brinelación y ralladuras. Las superficies de rotación pueden sufrir distorsiones cuando los cojinetes se encuentran acoplados a ejes o bastidores con superficies no redondeadas o estribos no planos, o cuando las partes de la máquina no están en su posición correcta. El modo en que estos factores inciden en la emisión de vibraciones es el mismo al de ondulación y asperezas descrito en la sección precedente, y el espectro resultante de vibración del cojinete es muy parecido. Cuando se producen distorsiones o defectos, éstos tienen a menudo consecuencias mayores de amplitud en la superficie del cojinete en comparación a la amplitud de la ondulación o de la aspereza producida durante el proceso de fabricación. La importancia de las vibraciones pro-

sd

37.11

RUIDO DE COJINETES

80

1

'1'

'1'

'1

1

I

"1

"1'

I

I

BO

V

o

/~

~n,

O B

I

I

VV

B

I 8 BMO

~

AI'W

O

N:'

IV'

V

~U"

B

~

~ ~~

B

/\j

Jr~

I

I

I I

,1.

o

111

'~-• -

I

"'

Frecuencia, Hz

-:

1 1000

FIGURA 37.9. Espectro de vibraciones que muestra las frecuencias emitidas por las bolas (B), el anillo interno (1) y el anillo externo (O) de los cojinetes.

ducidas por un cojinete puede ser por tanto un indicador de un problema de calidad de origen o de uno producido por defectos o distorsiones. Ruido originado por movimientos inestables del tambor. El tambor que separa las piezas rodantes, como el que aparece en la Figura 37.1, puede ser una fuente de ruidos cuando sufre vibraciones. Este movimiento del tambor se conoce habitualmente como inestabilidad del tambor. Los cojinetes en buen estado que funcionan dentro de sus propios límites de carga, velocidad y lubricación no sufren por lo general inestabilidades en el movimiento del tambor. Estas se producen con más frecuencia cuando la carga del cojinete es ligera, a alta velocidad y con escasa lubricación. En estas condiciones, las fuerzas de las piezas rodantes que se producen en el tambor pueden ser alteradas por ligeros movimientos radiales del tambor fuera del eje central del cojinete. Esta alteración de fuerzas produce movimientos del tambor fuera de su centro que llegan a ser persistentes. Los tambores inestables producen una gran cantidad de ruido transmitido por el aire que proviene directamente del cojinete, y cuyo origen puede ser a menudo distinguido simplemente escuchando. El sonido que producen puede ser agudo o de golpeteo. Ruido de cojinetes hidrodinámicos

Los cojinetes hidrodinámicos, correctamente instalados y lubricados y funcionando dentro de sus límites de carga y velocidad, producen ruidos y niveles de vibración bajos en comparación a los cojinetes de rotación. En las condiciones apenas descritas la capa de aceite que separa completamente las piezas rotatorias y fijas del cojinete ofrece varias ventajas: (1) anula cualquier vibración debida a las superficies abombadas o ásperas del cojinete, (2) evita los movimientos de adherencia y deslizamiento típicos del contacto entre metales, y (3) proporciona una fuente de amor-

37.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tiguación para la atenuación de ruidos y vibraciones generadas y transmitidas. El ruido producido por cojinetes hidrodinámicos es relevante solamente cuando no se genera una capa completa de aceite o cuando las condiciones de funcionamiento de los cojinetes son tales que se produce una inestabilidad propia conocida por el nombre de torbellino de aceite. Las causas habituales de que se produzca una insuficiente capa de aceite son: (1) una recepción insuficiente de aceite lubricante; (2) una sobrecarga del cojinete, tanto total como parcial, y (3) una insuficiente velocidad de rotación para generar una capa de aceite completa. El torbellino de aceite es una causa de ruidos en el cojinete hidrodinámico difícil de controlar. Se produce con más frecuencia en maquinaria de alta velocidad, y puede ser explicada en términos de movimiento de aceites. En relación a la Figura 37.3, la aplicación de una carga radial sobre el eje hace que éste se ladee como si la capa de aceite fuera un muelle. Como consecuencia se forma una cuña convergente en la cual queda forzado el aceite debido a la rotación del eje, haciendo que la presión generada de este modo soporte la carga aplicada. La velocidad angular media del aceite a través de la cuña es aproximadamente la mitad de la velocidad de rotación del eje, y en caso de que el centro de éste se mueva en dirección orbital, la posición de la cuña se movería también, y la velocidad relativa del aceite con respecto a la cuña tendría un efecto notable sobre la capacidad de transporte de carga del cojinete. La inestabilidad puede ser debida a movimientos de la cuña en la dirección de rotación del eje a la velocidad media del aceite, o sea, a la mitad de su velocidad de rotación. El aceite ya no puede ser arrastrado hacia la cuña, produciéndose una pérdida de presión hidrodinámica que hace que el cojinete pierda su capacidad de transporte de carga. El movimiento en torbellino resultante se produce más o menos a la mitad de la velocidad del eje, y la energía que mantiene esta inestabilidad proviene de su rotación. La posibilidad de que se produzca esta inestabilidad rotacional aumenta en gran medida cuando la frecuencia natural de la instalación del eje del cojinete es cercana a la mitad de la velocidad de rotación del eje.

Ruido de cojinetes hidrostáticos

Un cojinete hidrostático que sea correctamente instalado, lubricado y funcione dentro de sus límites de carga y velocidad, apenas produce ruidos o vibraciones. Posee en común con los cojinetes hidrodinámicos la ventaja de tener una capa espesa de lubricante que anula los errores geométricos y de asperezas de las superficies del cojinete. De este modo se evita el contacto entre metales y se proporciona al cojinete una gran capacidad de amortiguación. Como el lubricante recibe una presión externa de entrada, los cojinetes hidrostáticos no sufren las inestabilidades provocadas por el torbellino de aceite, ni pierden tampoco su capacidad de carga cuando la velocidad del eje es lenta. El ruido ocasionado por este tipo de cojinetes puede ser relevante solamente cuando no se genere la cantidad suficiente de lubricante, que puede ser resultado de una recepción insuficiente o de una sobrecarga del cojinete. Ambas posibilidades pueden ser evitadas con un diseño y un mantenimiento adecuados.

ac1

RUIDO DE COJINETES

37.13

CONTROL DE RUIDOS

El método más eficaz de controlar los ruidos del cojinete consiste en reducirlos en su origen, lo cual comporta una cuidadosa selección del tipo de cojinete y un diseño correcto de la maquinaria en la que va a ser instalado. Selección de las piezas rodantes del cojinete

Tipo. Es posible encontrar una amplia gama de piezas rodantes de cojinete, incluyendo varias graduaciones en precisión y calidad, además de los diseños tratados hasta el momento. Por lo general, la selección de un cojinete depende de los requisitos de carga, duración y velocidad. Sin embargo, cuando la emisión de poco ruido es una condición fundamental los cojinetes de bolas pueden ofrecer las mayores ventajas respecto a los de otro tipo de piezas rodantes. Es posible obtenerlos con un alto grado de precisión y acabado de fabricación, y pueden ser sometidos a cargas de empuje para asegurar que todas las piezas rodantes están en plena carga. Los cojinetes de piezas cilíndricas pueden soportar cargas radiales solamente, y puede llegar a ser importante su cantidad de vibración de elasticidad variable. Los cojinetes de piezas cónicas tienen la desventaja de que precisan de un resalte bien en el anillo interno o en el externo para retener la pieza rodante, como muestra la Figura 37.2b. Entre los extremos de la pieza rodante y del resalte se puede producir un rozamiento en condiciones normales de funcionamiento, posiblemente provocando una causa adicional de vibraciones. Precisión. En la norma ISO 492-1986 se definen los siguientes grados de precisión de los cojinetes de bolas y de cilindros rodantes, listados en orden decreciente de tolerancia: 1. Tolerancia de clase 2. 2. Tolerancia de clase 4. 3. Tolerancia de clase 5. 4. Tolerancia de clase 6. 5. Tolerancia normal. Estas tolerancias son aplicables al diámetro externo del cojinete, al diámetro del ánima y a la anchura y excentricidades radiales y axiales de los canales de rodadura. Las ventajas de un funcionamiento preciso son: (1) un exacto acoplamiento del anillo externo a la cubierta y del anillo interno al eje, y (2) una rodadura precisa, factores ambos que influyen en el ruido y las vibraciones producidos por el cojinete. Los cojinetes de precisión se emplean en pequeños motores eléctricos, que utilizan tolerancias de clase 6, y en husos de máquina herramienta de alta velocidad, que utilizan las de clase 2. Las máquinas susceptibles de emitir ruidos molestos emplean cojinetes de tolerancia de clase 4 o mejores.

Calidad. En la norma ANSII AFBMA 13-1970 se definen métodos de ensayo para la medición de ruido y vibración de cojinetes. Se aplican específicamente a cojinetes de bolas rodantes, aunque la mayoría de los fabricantes han creado métodos de

37.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

prueba simila.es aplicables a cojinetes de cilindros y de doble fila de bolas. En este caso, el término calidad se refiere al acabado final necesario para que las piezas rodan te" ':uperen la prueba AFBMA. En la prueba de calidad, el anillo interno del cojinete está instalado sobre un huso silencioso que gira a 1.800 rpm, mientras que el anillo externo recibe una carga de empuje como la mostrada en la Figura 37.10. La vibración se mide en dirección radial en un punto del anillo externo y queda reflejada en términos de velocidad rms en bandas de frecuencia de 50 a 300, de 300 a 1.800, y de 1.800 a 10.000 Hz. La finalidad primordial de esta prueba de calidad consiste en distinguir los cojinetes de buena y mala calidad, y se emplea para definir los niveles de calidad adecuados a motores eléctricos empleados con fines militares. Los límites de vibración permitidos que especifica la (American) Military Specification MIL-B-17913D aparecen en la Figura 37.10, y pueden ser cumplidos con facilidad por cojinetes de bolas creados para una amplia gama de aplicaciones. En aplicaciones problemáticas y de precisión para cojinetes los niveles reales de calidad son tales que los límites de vibración analizados en la prueba pueden ser de menos de la mitad de los aparecidos en el gráfico. La Figura 37.10 proporciona una orientación sobre la calidad de cojinetes preTransductor

Huso de rodadura silenciosa

Carga de empuje

Método de pruebas

Cojinete

Límites de vibración rms, .... m/segundo Anima de cojinete, mm

10y 12 15 17 y20 25y30 35y40 45 50y55 60y65 70 75,80 Y85 90y95 100 105y115 120

50-300

300-1800

Hz

1800-10.000

Hz

Hz

120 150 150 180 180 240 240 240 300 300 300 300 380 380

90 120 120 150 150 150 180 180 180 240 300 300 300 300

75 75 120 120 150 180 180 240 240 300 300 380 380 455

FIGURA 37.10. Método de ensayo y niveles de vibración de cojinetes con piezas rodantes silenciosas definidas en MIL-B-17931D (ships).

...

37.15

RUIDO DE COJINETES

cisa para un rodamiento silencioso, pero no define necesariamente los mayores índices de calidad obtenibles.

Influencia del diseño de la máquina sobre el ruido de rodamiento del cojinete

Disposición de los cojinetes. En aplicaciones problemáticas de ruido en las que sea posible aplicar una gran variedad de colocaciones de cojinetes, es preferible emplear la disposición mostrada en la Figura 37.11, consistente en dos cojinetes de bolas (de contacto radial o angular en fila única) cargados axialmente entre sÍ. Cargas minimas recomendadas para cojinetes. Las cantidades mínimas de carga axial recomendadas para las bolas de cojinetes aparecen en la Figura 37.12. Las cargas axiales de valores de al menos la misma magnitud que los que allí aparecen reducen el riesgo de inestabilidad en el tambor descrito anteriormente. Estas cargas recomendadas han sido determinadas experimentalmente para bolas de cojinetes lubricados con aceite girando a 1.800 rpm, y deberían servir como guía, ya que factores tales como la velocidad del cojinete y el tipo de lubricante, por ejemplo si se trata de grasa o aceite, pueden provocar alteraciones. La inestabilidad en tambores puede producirse también en cojinetes de bolas cargados radialmente y de piezas rodantes cilíndricas, pudiéndose minimizar este riesgo asegurando que los cojinetes sufran un nivel mínimo de carga. Como orientación, los cojinetes de bolas y de piezas cilíndricas con carga radial precisan de entre un 30 y un 50 por 100 de la carga axial mostrada en la Figura 37.12 para cojinetes de bolas del mismo diámetro. Lubricación. Respecto a la lubricación con aceite, la mayoría de catálogos de los fabricantes de cojinetes proporcionan información acerca de la selección de viscosidad en condiciones operativas concretas, basándose en el espesor de capa de aceite necesario para evitar que la interacción entre superficies rodantes de contacto afecten negativamente a la vida del cojinete. Un espesor similar de la capa es necesario para minimizar el ruido del cojinete. En conclusión, es importante cumplir adecuadamente las recomendaciones del fabricante. Anima del bastidor Resorte de carga previa --C.:lhI-'--="-n

Estribos Cojinete de rueda radial de surco único Cubierta final

Apoyo del eje

FIGURA 37.11. sas.

Instalación recomendada de cojinetes con piezas rodantes silencio-

37.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

2500

2000

z (¡j

'x

"'el"' ... U"'

1500

1000

500

10 20

40

60

80

100

120

Diámetro de ánima del cojinete, mm

FIGURA 37.12. Cargas axiales mínimas recomendadas para cojinetes silenciosos de bolas.

Las grasas contienen varios aditivos con el fin de mejorar su eficacia, algunos de ellos en forma de partículas sólidas que llegan a proporcionar altos niveles de ruido de impulsión en los rodamientos del cojinete. Estas partículas pueden además provocar inestabilidad en el tambor de la pieza rodante en cojinetes de alta velocidad. El ruido producido por estas partículas puede distinguirse con mayor facilidad una vez aplicada la grasa. A medida que el cojinete va rodando, estas partículas van reduciendo su tamaño o son arrastradas fuera del itinerario de rodaje, con lo que el ruido producido por el cojinete disminuye, aunque son precisas entre 50 y 100 horas de rodaje antes de alcanzar este nivel disminuido de estabilidad. Existen a la venta aceites de rodaje silencioso producidos por numerosos fabricantes y recomendables para instalaciones problemáticas de ruido. Posición de apoyo de los anillos. La práctica habitual es la de situar los anillos interiores del cojinete en posición intermedia a los diámetros del eje, y los exteriores en un punto del huelgo del ánima del bastidor, como muestra la Figura 37.11. El nivel de interferencia o de holgura queda controlado por medio de tolerancias en la dimensión entre los anillos, por un lado, y los apoyos del eje y del bastidor, por otro. Los catálogos de los fabricantes contienen posiciones recomendadas y tolerancias en los apoyos aplicables a sus productos. Existen diferencias entre los diversos fabricantes debido a que la posición más adecuada depende de la aplicación en concreto, así como de la tolerancia individual de fabricación. Estas posiciones recomendadas no pueden tener en cuenta la gran variedad de posibilidades térmicas que el cojinete puede sufrir, y deberían ser tenidas en cuenta solamente como orientación. Las posiciones de apoyo de los anillos influyen de modo decisivo en su funcionamiento, particularmente en su ruido y vibración. Un desajuste de los anillos in-

RUIDO DE COJINETES

37.17

ternos en el eje de rotación provoca pequeños movimientos radiales relativos entre el anillo y el eje, que a su vez tienen consecuencias negativas en el equilibrio del rotor y repercuten en un alto nivel de vibración a velocidad de rotación. Estos movimientos relativos también pueden causar un desgaste interfacial en la superficie de contacto entre el anillo y el eje, lo cual puede ser causa de contaminación y provocar que el cojinete emita una vibración impulsiva. Un desajuste excesivo de los anillos externos en el ánima del bastidor produce un tipo de vibración de torbellino del rotor por medio de la cual el anillo realiza un movimiento en órbita alrededor del ánima del bastidor, existiendo de nuevo riesgo de desgaste interfacial. Las posiciones de apoyo de los anillos son comprometedoras, ya que un desajuste excesivo es causa de desgaste, ruido y vibraciones, mientras que el ajuste exagerado del anillo interno sobre el eje o del externo sobre el bastidor puede reducir el huelgo interno del cojinete o evitar el deslizamiento de los anillos externos para ajustarse a la expansión térmica del eje. Tanto la pérdida de holgura interna como la expansión térmica del eje pueden producir un gran aumento de carga del cojinete, que puede tener como consecuencia un excesivo calentamiento y el agarrotamiento del cojinete. Desajuste de alineación. El desajuste de alineación entre los anillos internos y externos de las piezas rodantes de un cojinete puede ser causa de ruidos y vibraciones. Este desajuste puede provocar variaciones en la velocidad de las bolas de los cojinetes y sesgamientos en los rodamientos de los cojinetes de cilindros rotatorios, lo cual puede dar origen a un excesivo aumento de la potencia en las piezas rotatorias del tambor, aumentando el riesgo de inestabilidad. Los cojinetes con piezas rodantes pueden por lo general asumir ciertos desajustes en su alineación sin provocar repercusión sensible alguna en su funcionamiento. Estos desajustes no deberían superar las siguientes cantidades:

Cojinete de Cojinete de Cojinete de Cojinete de

bolas radiales en fila única bolas en contacto angular piezas rodantes cilíndricas piezas rodantes cónicas

0,001 radianes 0,0003 radianes 0,0004 radianes 0,0003 radianes

Esfericidad del apoyo y planeidad de los estribos. En la Figura 37.11 aparecen las superficies del eje y de la cubierta que entran en contacto con los anillos del cojinete, particularmente los diámetros externos del eje, las cargas de empuje y los estribos. Cualquier irregularidad en estas superficies puede provocar distorsiones en el anillo e inducir el tipo de ruido emitido por las ondulaciones descrito en el capítulo anterior sobre Ruido de las piezas rodantes del cojinete. Es preciso que los apoyos sean esféricos y los estribos planos. Los cojinetes diseñados para aplicaciones silenciosas poseen por lo general unos diámetros de ánima y externos situados dentro de 2 /Jom entre los salientes y los entrantes, y superficies planas situadas dentro de 2 /Jom entre salientes y entrantes. Estas cifras sirven de orientación para conocer el grado de esfericidad del apoyo y de planeidad de los estribos necesario para evitar distorsiones importantes entre el anillo del cojinete.

37.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Efectos de la calidad de fabricación de la máquina sobre el ruido de la pieza rodante del cojinete

La calidad de fabricación de la máquina comprende la contaminación, daños o distorsiones de los cojinetes que pueden producirse durante el ensamblaje de las partes, y que dependen del método de instalación. A continuación se tratan las causas más comunes de ruidos en el cojinete. Contaminación. El espesor de la capa de aceite generada entre las piezas rodantes y los canales de rodadura es normalmente de 0,3 ~m. Cualquier partícula que supere esta medida puede provocar vibraciones impulsivas en caso de que entre en contacto con el canal de rodadura, llegando incluso a provocar la aparición de mellas permanentes en su superficie. Como consecuencia se produce un aumento de los niveles de ruido del cojinete y una reducción de su ciclo vital. Todas las fases de ensamblaje y manejo de los cojinetes y partes adyacentes de la maquinaria deberían ser llevadas a cabo en un entorno limpio si se desea lograr un bajo índice de ruidos, debiéndose establecer un procedimiento de limpieza de los componentes de la máquina y de las herramientas empleadas para montar los cojinetes. Daños. Muescas, rebabas, arañazos y otros tipos de daños visibles producidos en los apoyos y estribos del cojinete debidos a deficiencias de manipulación pueden causar distorsiones en los anillos similares a las previamente descritas en el capítulo Esfericidad del apoyo y planeidad de los estribos. Las marcas así producidas suelen tener aristas que sobrepasan el nivel superficial y que deberían ser eliminadas para evitar distorsiones entre los anillos del cojinete. Fuerzas irregulares de bloqueo. Los anillos internos del eje y los externos del cojinete precisos para proporcionar la disposición axial se encuentran normalmente bloqueados por contratuercas o estribos de tapa de extremidad, como muestra la Figura 37.11. Se pueden producir importantes distorsiones de los anillos del cojinete si surgen fuerzas excesivas o irregulares durante el ensamblaje. Un caso común es el de un anillo exterior bloqueado por una tapa de extremidad, la cual es retenida en su posición gracias a una serie de pernos, equidistantes en el diámetro del círculo de contacto. Se pueden producir distorsiones en la tapa de la extremidad y en el anillo del cojinete, a menos que estos pernos se encuentren perfectamente regulados a una potencia determinada en un secuencia opuesta. Montaje de los anillos a presión. Los anillos de cojinetes de ajuste entre piezas, o sea, los anillos internos del eje, pueden precisar de la aplicación de una potencia axial para instalarlos en la posición requerida. Para proporcionar esta fuerza axial es necesario emplear una prensa, y la potencia de presión debería ser mantenida en un mínimo, bien calentando los anillos internos o enfriando los ejes, aplicándose directamente al anillo que debe ser instalado y no a través de las piezas rodantes. Cuando no se obedecen estas reglas se pueden producir distorsiones residuales en el anillo del cojinete o en la indentación de los canales de rodadura.

RUIDO DE COJINETES

37.19

Cojinetes hidrodinámicos

Torbellino de aceite. Los cojinetes hidrodinámicos son inherentemente silenciosos en comparación a los de piezas rodantes, y el control de ruidos se suele limitar a evitar el torbellino de aceite y a asegurar las condiciones operativas de lubricación, carga y alineación, de modo que el cojinete funcione con una capa completa de lubricante hidrodinámico. Aunque en este tipo de cojinetes se producen fuerzas desestabilizadoras que provocan torbellinos de aceite, este fenómeno está en función de la instalación del eje del cojinete 9 y se produce más a menudo cuando una frecuencia resonante de la instalación del rotor del cojinete está próxima a la mitad de la velocidad de rodaje del motor. Los problemas de torbellino de aceite pueden resolverse (1) alterando las cualidades de respuesta dinámica del rotor por medio quizá de un cambio en la separación o en la rigidez de los cojinetes, (2) mejorar su estabilidad cambiando a un diseño alternativo, y (3) aumentando el sistema de amortiguación por medio de amortiguadores de película prensada o separando los cojinetes de los puntos de vibración. La acción más adecuada dependerá de la aplicación concreta del cojinete. Los tipos de cojinete que aparecen en las Figuras 37.3, 37.4 Y 37.5 poseen diferentes cualidades operativas, lo cual influye en su elección. Los cojinetes de rodillos basculante s son particularmente estables y se emplean con gran frecuencia en rotores de velocidades muy altas. Sin embargo, resultan caros, y los de ánima moldurada pueden proporcionar una rodadura estable en aplicaciones mucho menos problemáticas. Estos últimos se emplean habitualmente en aplicaciones en las que la carga es ligera y tiene poca estabilidad. Los cojinetes con piezas rodantes perfectamente cilíndricas se usan sobre todo en aplicaciones a poca velocidad, a condición de que se aplique una carga adecuada. Condiciones de operatividad. Con el fin de minimizar ruidos en el cojinete es necesario asegurar que se genere una capa completa de aceite hidrodinámico, para lo que es preciso que la velocidad superficial del eje, la viscosidad del lubricante y las presiones efectivas medias se sitúen dentro de los límites de diseño recomendados por el fabricante. En velocidades superficiales del eje muy bajas (o sea, del orden de 0,1 mlsegundo), no se puede conseguir siempre una capa de lubricación completa, debido a la viscosidad del lubricante y a la carga del cojinete. Por tanto, éste puede funcionar con una capa incompleta, en la que es posible que se produzcan roces entre superficies. La capacidad de transporte de carga de los cojinetes hidrodinámicos puede verse reducida por factores tales como (1) defectos de alineación, (2) distorsiones del anillo externo del cojinete, y (3) daños en las superficies en contacto. Los límites permisibles de falta de alineación dependen de la longitud del cojinete y del huelgo establecido, siendo más problemáticos en cojinetes largos y con poca holgura. Un defecto de alineación de 20 ¡Lm sobre la longitud total del eje de ruedas del cojinete o su diámetro máximo de empuje puede ser considerado como una cantidad límite aconsejable para cojinetes hidrodinámicos. Para instalaciones de mayor precisión es necesario consultar a los fabricantes. El huelgo diseñado para el cojinete puede ser considerado como una orientación de los niveles máximos permisibles de distorsión del anillo externo, distorsión controlada por la esfericidad de

37.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

los apoyos (en cojinetes de eje de ruedas) o la planeidad de los estribos (cojinetes de empuje), y el mantenimiento de la altura entre los salientes y los entrantes de estas superficies dentro de un 10 por lOO del huelgo interno garantiza consecuencias mínimas en el funcionamiento del cojinete. Una capa completa de lubricación se verá influenciada por la calidad dellubricante suministrado y por el acabado de las superficies de contacto del eje. La limpieza del lubricante es imprescindible para evitar desgastes y daños en las superficies, por lo que se debería disponer de filtros para la recepción repetida de aceites. También se debería prestar atención a la estanqueidad de la instalación con el fin de evitar la penetración directa de contaminación. Un correcto mantenimiento de las superficies de contacto del eje asegura una capa completa de lubricación en una amplia gama de velocidades, minimizando el desgaste durante el encendido y apagado del cojinete. Una vez más es necesario consultar las recomendaciones concretas de los fabricantes en lo relativo a los acabados precisados para sus productos. Cojinetes hidrostáticos

Los cojinetes hidrostáticos son inherentemente silenciosos y estables, y la existencia de cualquier tipo de ruido es probablemente un síntoma de una imperfecta alineación, una sobrecarga o un suministro inadecuado de lubricante desde el exterior.

Alineación y sobrecarga. Una alineación precisa del eje de ruedas del cojinete y una perfecta ortogonalidad del empuje del cojinete respecto al eje tienen una importancia decisiva en uno de tipo hidrostático. El eje de ruedas habitual de estos cojinetes posee un diseño con longitudes de diámetro de entre 1 y 2, por lo que los defectos de alineación respecto a la longitud del cojinete pueden reducir en gran medida tanto el huelgo como la capacidad de transporte de carga del cojinete. Como resultado, aumenta el riesgo de sobrecarga y de que aparezcan áreas de contacto entre el eje y los bordes. El torcimiento del eje debido a un exceso de carga tiene como consecuencia un funcionamiento del cojinete hidrostático similar al provocado por defectos de alineación, y debe ser minimizado con un correcto diseño de la maquinaria. La representación matemática de una instalación de eje de cojinetes posibilita la estimación de torcimientos del eje diseñado y la búsqueda de soluciones para lograr un torcimiento aceptable de este eje. En algunas máquinas es posible instalar cojinetes sobre diafragmas radialmente rígidos, pero flexibles en condiciones particulares de carga o falta de alineación, con lo que cualquiera de estos errores de alineación o de torcimiento de ejes provoca simplemente un ladeamiento del bastidor, que conserva la holgura, la capacidad de carga y la rigidez radial del cojinete. Suministro de lubricante. Las fluctuaciones de presión en el suministro de lubricante (por ejemplo, las debidas al empleo de una bomba de engranajes para alcanzar las presiones estáticas requeridas en la instalación) influyen directamente en los niveles sonoros del cojinete. En instalaciones problemáticas de cojinetes (por ejemplo, en el torneado de punta de diamante) el suministro de lubricante debe realizarse por medio de bombas silenciosas y acumuladores, con el fin de minimizar las

...

RUIDO DE COJINETES

37.21

fluctuaciones de presión. Otros parámetros de suministro de lubricante tienen efectos indirectos en el ruido de los cojinetes, incrementando el riesgo de que se produzcan áreas de contacto entre el eje y el borde y, por tanto, provocando desperfectos. La contaminación puede bloquear los restrictores o desgastar los bordes en forma desigual. Unas cantidades inadecuadas de flujo de lubricación o de refrigeración pueden reducir la capacidad de transporte de carga y aumentar el riesgo de sobrecarga. Con el fin de evitar este tipo de problemas es esencial seguir unos criterios básicos de diseño y de mantenimiento.

REFERENCIAS 1. T. A. Harris, Rolling Bearing Analysis, 2." ed., John Wiley y Sons, Chichester, Inglaterra,

1984. 2. P. Eschmann, L. Hasbargen y K. Weigand, Ball and Roller Bearings: Theory, Design and Application, John Wiley y Sons, Chichester, Inglaterra, 1985. 3. D. D. Fuller, Theory and Practice o[ Lubrication [or Engineers, 2." ed., John Wiley y Sons, Chichester, Inglaterra, 1984. 4. A. Cameron, Principies o[ Lubrication, Longmans, Londres, 1966. 5. F. M. Stansfield, Hydrostatic Bearings, The Machinery Publishing Co., Brighton, Inglaterra,I970. 6. W. B. Rowe, Hydrostatic and Hybrid Bearing Designs, Butterworth, Londres, 1983. 7. F. P. Wardle, «Vibration Forces Produced by Waviness of the Rolling Surfaces of Thrust Loaded Ball Bearings», Partes I y 11, Proc. Inst. Mech. Engineers, vol. 202, n.o C5, 1988, p.305. 8. R. Holmes, «The Role of Oil Film Bearings in Promoting Shaft Instability y the Remedial Effect of Damping», Tribology International, IPC Business Press, vol. 13, n.o 5, octubre 1980, p. 243. 9. A. V. Ruddy y D. Summers-Smith, «An Introduction to the Influence of the Bearing on the Dynamics of Rotating Machinery», Tribology International, IPC Business Press, vol. 13, n.o 5, octubre 1980, p. 199.

Capítulo

38

MEDIDA Y ANALISIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA Richard H. lyon Richard G. Cann David L. Bowen

INTRODUCCION En este capítulo se describen: (1) las técnicas para llevar a cabo mediciones del ruido y la vibración en máquinas, (2) los métodos para analizar la información a partir de estas medidas, (3) los procedimientos para recoger los datos, (4) la instrumentación para procesar los datos obtenidos, (5) los métodos para extraer la información deseada a partir de los datos obtenidos y (6) los usos a que puede aplicarse esta información. Este capítulo está estrechamente asociado con el Capítulo 9, "Técnicas de medición del ruido»; Capítulo 10, «Técnicas de medición de la vibración»; Capítulo 13, «Medida de la potencia sonora»; Capítulo 14, «Medición de la intensidad sonora», y Capítulo 39, «Control del estado de la maquinaria».

OBJETIVOS DE LAS MEDICIONES DEL RUIDO DE LA MAQUINARIA Las medidas del ruido de maquinaria suelen plantearse con uno o más de los siguientes objetivos: • Verificar que la máquina satisface un requisito legal o cumple una norma específica. • Desarrollar una base de datos de medidas del ruido de máquinas que pertenecen nominalmente al mismo tipo; estos datos sirven de base de comparación para nuevas máquinas. • Reducir el ruido de la maquinaria. • Evaluar los efectos del ruido de la maquinaria sobre las personas. • Realizar un control del estado y un análisis diagnóstico de la maquinaria. 38.1

-

38.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

• Desarrollar un modelo del proceso de emisión de ruido de una máquina; este modelo resulta útil para la investigación y el desarrollo. La consecución de estos objetivos suele requerir distintos métodos de medición y evaluación de datos.

Verificación de que se satisface un requisito legal o una norma

Frecuentemente, las medidas del ruido de maquinaria son necesarias para demostrar que una máquina satisface un requisito legal o una norma. El requisito puede expresarse en términos de nivel de presión sonora con ponderación A, por ejemplo, que el nivel sonoro (en la cabeza de la persona que opera con la máquina) no supere un límite especificado. A menudo, el requisito se expresa en términos del nivel de potencia sonora emitido por la máquina.

Desarrollo de una base de datos

Supongamos que se realizan mediciones sobre un número de máquinas nominalmente idénticas para determinar su emisión de ruido en unas determinadas condiciones de funcionamiento; el propósito de estas mediciones es establecer una base de datos que permita comparar las medidas que se realicen sobre máquinas futuras del mismo tipo. En general, en estas medidas se producirán tanto variaciones sistemáticas como aleatorias. Las variaciones sistemáticas son el resultado de cambios en parámetros controlables u observables, tales como la velocidad y temperatura de funcionamiento de la máquina. Las variaciones aleatorias son el resultado de: (1) la variabilidad inherente entre una máquina y otra y (2) las incertidumbres en la medición. Consideremos el siguiente ejemplo: se realizaron mediciones repetidas sobre la misma máquina. Con la máquina funcionando bajo las mismas condiciones y con el transductor en la misma localización fija. las mediciones fueron similares, con errores inferiores a 0,1 dB. Cuando el transductor se retiró y volvió a montar, las mediciones diferían entre sí alrededor de 1 dB. Cuando se realizaron mediciones parecidas sobre un grupo de máquinas nominalmente idénticas, los resultados oscilaron en un intervalo de 1,5 dB. Cuanto más estrecha es la anchura de banda del sistema de medida, mayor es la variabilidad. En estas mediciones, hay dos fuentes de variaciones aleatorias: (1) las atribuibles al ruido de los instrumentos electrónicos y el ambiente del transductor y (2) las atribuibles a las variaciones de la máquina!. Con el fin de determinar los cambios sistemáticos que se producen como resultado de las variaciones de los parámetros (como velocidad de la máquina y temperatura ambiental), hay que eliminar las variaciones aleatorias de los datos para establecer los valores de la correlación entre estos parámetros y los niveles de ruido. El nivel de confianza (la probabilidad de que la dependencia inferida sea la correcta) de tales correlaciones puede determinarse mediante procedimientos estadísticos2 • Cuanto mayor es la base de datos y menores las variaciones aleatorias, mayor será el nivel de confianza.

38.3

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAOUINARIA

Una base de datos puede utilizarse para evaluar los efectos de una modificación en el diseño sobre el ruido emitido por la máquina. Por ejemplo, en el programa de desarrollo de productos silenciosos, se comparó la emisión de ruido de varias cadenas de transmisión. Estos resultados se ilustran en la Figura 38.1, que muestra el espectro de ruido de la máquina en términos de niveles de potencia sonora de bandas de tercio de octava con ponderación A en función de la frecuencia. La curva superior muestra el espectro correspondiente a la cadena de transmisión de metal original. La curva inferior es el resultado de la sustitución por otra cadena más blanda y móvil; ésta redujo la emisión de ruido en las bandas de frecuencia por encima de 1000 Hz. Para observar efectos tan pequeños como éstos, es preciso que las variaciones aleatorias en las mediciones del ruido de la máquina que se examina sean pequeñas en comparación con la reducción en la emisión del ruido debida a los cambios en el diseño.

Reducción del ruido de maquinaria

En general, la potencia sonora es un indicador mucho más útil para evaluar la reducción del ruido en las máquinas que el nivel de presión sonora en una o más ubicaciones fijas, debido a que la potencia sonora es independiente de la distancia al punto de medida. Dado que la mayoría de las máquinas suelen estar cerca de otros equipamientos y situadas en espacios semirreverberantes, los patrones espaciales de los niveles de presión sonora muestran una variación considerable. Aunque las medidas de los niveles de presión sonora suelen ser más fáciles de realizar que las de potencia sonora, si la habitación en que la máquina está locali-

:s:a.

70

~

65

Cadena de transmisión de metal original

al 'O

~ 60

o e o

'"

'"

55

'ü e al

50 O a. al

'O

Qi

45

>

Z

40 125

250

500

1k

2k

4k

8k

Frecuencia central de bandas de tercio de octava, Hz

FIGURA 38.1. Espectro de potencia sonora con ponderación A de una cadena de transmisión. La curva superior representa el espectro con la cadena de transmisión de metal original. La inferior representa el espectro cuando una cadena más blanda y móvil sustituye a la original, dando como resultado una reducción global en el nivel de potencia sonora de 5,2 dB.

---

38.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

zada está calibrada de manera que los niveles de potencia sonora promediados espacialmente estén relacionados con los niveles de potencia sonora [véase Ecuación (13.7)], se puede llevar a cabo una evaluación rápida de los niveles de potencia irradiados a partir de las medidas del nivel de presión sonora. La evaluación de la potencia sonora producida por los distintos componentes mecánicos de una máquina es un primer paso útil en un estudio de reducción del ruido. La Figura 38.2 muestra el espectro de potencia sonora irradiado por el sistema de arranque de una máquina que tiene un nivel de potencia sonora con ponderación A de 73 dB. Los cuatro componentes de la máquina produjeron los siguientes niveles de potencia sonora con ponderación A: cadena de transmisión, 71 dB; engranajes, 63 dB; motor, 62 dB, Y correa, 62 dB. Nótese que estos componentes producen distintos espectros para un rango de frecuencias amplio. Supongamos que el objetivo del programa es reducir el nivel de potencia sonora con ponderación A a 66 dB. Una estrategia razonable para conseguirlo es reducir las contribuciones de cada uno de los cuatro componentes, de manera que todos produzcan la misma emisión de ruido (lo que podríamos llamar un diseño equilibrado). Entonces, el nivel de potencia sonora con ponderación A de cada uno ha de reducirse a 60 dB para que, de acuerdo con la Figura 1.14, su potencia combinada sea 6 dB más alta que la potencia de cada uno de los cuatro. Por tanto, la cadena de transmisión debe silenciarse 11 dB; los engranajes, 3 dB, Yel motor y la correa, 2 dB cada uno.

Evaluación de los efectos del ruido de la maquinaria sobre las personas

El sonido producido por una máquina puede crear reacciones subjetivas de sonoridad (véase Capítulo 17) y molestia (véase Capítulo 23); puede afectar al rendimien~Q. 70

... ID

65

"O

cO > 60


'ó o 55 al "O

o 50

'ü

~ 45

al "O
"O

e .o

40


al "O

Qi

.~

z

35 30 125

250

500

1k

2k

4k

8k

Frecuencia, Hz

FIGURA 38.2. Espectro de potencia sonora con ponderación A para los componentes individuales de una máquina cuyo nivel de potencia sonora con ponderación A era 73 dB.

--

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.5

to humano (Capítulo 24) y tener efectos fisiológicos (Capítulo 25). Los rangos de frecuencia y niveles de potencia sonora a los que estos efectos tienen lugar varían ampliamente, dependiendo de un gran número de factores, descritos en los capítulos mencionados anteriormente. ¡for ejemplo, las sensaciones de tacto (táctil) y de movimiento suelen producirse por vibraciones de máquinas a frecuencias bajas, habitualmente desde unos 2 hasta 200 Hz, como se describe en el Capítulo 26.

Control del estado y análisis diagnóstico de la maquinaria

Una aplicación importante de las mediciones de ruido de la maquinaria es el control de su estado, descrito en detalle en el Capítulo 39. Estas medidas se utilizan para la detección y clasificación de posibles fallos. El rango de frecuencias necesario para el control del estado puede extenderse desde unos pocos herzios (grandes máquinas rotatorias) hasta muchos kiloherzios, dependiendo de la máquina y de su aplicación particular.

Desarrollo de un modelo de emisión de ruido

Puede desarrollarse un modelo analítico, empírico o computacional del proceso mediante el cual una máquina emite ruido, cuya finalidad es ayudar al proceso de diseño. Un papel importante de las mediciones es «validar» estos modelos examinando la consistencia entre sus previsiones y los resultados reales en máquinas de muestra a las que los modelos se aplican. Estas medidas no tienden a ser estadísticas, ya que las previsiones suelen ser deterministas y las medidas se llevan a cabo sobre una muestra única (o pocos ejemplares) de la máquina. Las repeticiones del mismo diseño pueden mostrar una variabilidad significativa. Por tanto, una comparación de la previsión de la radiación de sonido con las mediciones sobre una sola máquina no siempre es fiable.

SELECCION DE UN PROGRAMA DE MEDICION DEL RUIDO

La elección de un sistema de medición para el análisis del ruido de la maquinaria está muy influida por el tipo de problema concreto. En muy pocos casos, en los que el interés principal sea simplemente documentar los niveles sonoros medios, un sonómetro simple representa una buena elección. Por otra parte, cuando existen exigencias rigurosas para determinar las condiciones de una máquina en lo que respecta a señales acústicas y/o de vibración, probablemente será necesario un equipamiento para el procesamiento posterior de las múltiples señales en un rango amplio de frecuencias. En este apartado se consideran aquellos factores que han de ser tenidos en cuenta cuando se selecciona un sistema de medición del ruido.

-

38.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Micrófonos

Las propiedades básicas de los micrófonos se describen en el Capítulo 5. Las características generales más importantes son el rango o gama de frecuencias, la sensibilidad acústica, la directividad, la sensibilidad a otros factores ambientales (como la influencia de campos magnéticos" humedad, temperatura, presión atmosférica, radiación térmica y productos químicos) y la impedancia eléctrica. El coste ha de considerarse como segundo factor, ya que el gasto de una sola sesión de recogida de datos puede superar con mucho la diferencia entre un micrófono de primera y segunda calidad. Acelerómetros

El Capítulo 7 trata en detalle las características de los acelerómetros importantes para la selección de un transductor: (1) sensibilidad, (2) resolución, (3) sensibilidad transversal, (4) linealidad y límites de amplitud, (5) rango de frecuencias, (6) cambio de fase, (7) sensibilidad a factores ambientales y (8) sensibilidad al ruido de fondo. Una vez elegido un transductor, es importante asegurarse de que se elige el cable adecuado para conectar el transductor a su equipo electrónico asociado. Preamplificadores y acondicionadores de señal

Es necesario un preamplificador para convertir la señal débil a impedancia eléctrica alta (del transductor piezoeléctrico) en una señal de voltaje a impedancia baja, que es menos sensible a la influencia de factores externos ambientales. El acondicionador de la señal suele usarse después del preamplificador para limitar las bandas de la señal mediante un filtro eléctrico; el acondicionador de la señal puede integrarla o diferenciarla (con respecto a velocidad y/o desplazamiento). El acondicionador de la señal también se utiliza para ajustar la ganancia. Estos aparatos se describen en el Capítulo 6. Registradores de datos (véase también Capítulo 6)

A menudo es deseable registrar los datos en el lugar de medición y procesarlos posteriormente. Este método resulta particularmente adecuado si el análisis ha de llevarse a cabo mediante un ordenador. Las características fundamentales de un buen sistema de registro de datos son: (1) fidelidad. (2) recuperabilidad (la posibilidad de identificar las condiciones en que las medidas fueron tomadas) y (3) seguimiento (la posibilidad de identificar los límites de frecuencia y ganancia de los datos). Los siguientes procedimientos son útiles al recoger y procesar datos sobre ruido para las finalidades descritas anteriormente. El registro permite el análisis de los datos obtenidos en las mediciones del ruido de la maquinaria que han de llevarse a cabo en el momento de su medición o posteriormente. En el Capítulo 6 se comentan las características de los distintos tipos de registradores.

sd

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.7

Ventajas de registrar sobre cinta magnética 1. Puede reducirse la cantidad total de equipamiento que hay que llevar. Por lo general, una grabadora, micrófonos y/o transductor y preamplificadores son más fáciles de transportar al lugar de medición que un analizador. sobre todo si todavía está por determinar el mejor método de análisis de datos. Desafortunadamente. es difícil realizar la selección óptima sin un conocimiento razonable acerca de las características de los datos que se están analizando.

2. Los datos están siempre disponibles para volver a usarlos. A menudo, el primer método de análisis de datos empleado no es el óptimo porque el rango de frecuencias seleccionado o la resolución elegida no son apropiados o, por ejemplo, porque un rasgo aparece más claramente en el ámbito del tiempo y los datos se analizaron en el ámbito de la frecuencia. La grabación en cinta magnética permite volver a analizar los datos tantas veces como sea necesario. 3. Es posibLe apLicar varios procedimientos de análisis distintos. A menudo, resulta conveniente analizar los datos tanto respecto al tiempo como a la frecuencia, con distintos rangos para ambos, con el fin de buscar efectos de modulación, acontecimientos impulsivos, etcétera. Al tener los datos en cinta magnética es posible analizar los mismos de varias formas. 4. AL volver a oírlos, se puede cambiar la frecuencia de los datos. Al modificar la velocidad de la cinta magnética, los datos de alta frecuencia pueden pasarse a frecuencia baja, o los de frecuencias más bajas a más altas. Esto hace posible analizar los datos a frecuencias infrasónicas y ultrasónicas con equipos normalizados de análisis de frecuencia auditiva, del tipo descrito en el Capítulo 8. 5. En una cinta magnética, pueden almacenarse gran cantidad de datos con un coste bajo. Almacenar los datos en cinta magnética es barato en comparación con otras formas de almacenamiento. El almacenamiento digital en disquetes es una modalidad adecuada para archivos digitales, pero el número de mega bytes que pueden registrarse en cada disquete es limitado. Sin embargo, una cinta analógica puede registrar fácilmente giga bytes de datos en cintas magnéticas de casetes inmediatamente disponibles.

Desventajas de registrar sobre cinta magnética. Grabar los datos del ruido de la maquinaria sobre cinta puede tener las siguientes desventajas: 1. Puede reducirse el rango dinámico de los datos. El ruido no deseado puede introducirse en los datos si la relación entre señal y ruido del sistema de grabación con cinta no es suficientemente alta. (La Tabla 6.1 presenta los valores típicos de la relación entre señal y ruido; los efectos de la anchura de banda de esta relación se comentan en el Capítulo 8.)

2. Pueden introducirse errores de fase. La precisión de fase no suele ser una preocupación importante en la mayoría de las mediciones de ruido. Sin embargo, la fase es importante si es necesario conservar las formas de onda transitorias. como puede suceder en el diagnóstico de maquinaria o interpretación técnica de las señales de ruido. En el proceso de registro de frecuencias altas pueden introducirse

38.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

desfases inaceptables. Además, puede producirse un cambio significativo de fase entre los canales grabados, debido a tiempos de arrastre ligeramente distintos entre las cintas o distorsión mecánica de la cinta durante la grabación. Los errores de este tipo pueden eliminarse utilizando una señal de calibración común, que se aplica a todos los canales. 3. Es más difíciL hacer un seguimiento de Los vaLores absoLutos. Cuando vuelve a oírse la grabación en cinta magnética y los datos se transfieren a un procesador (ordenador o analizador), la ganancia o sensibilidad fijadas para la recogida original de datos se combina con las fijadas en el proceso de repetición. También es probable que las repeticiones impliquen cambios adicionales en la ganancia. Es muy importante que se anoten estos cambios, de manera que los valores absolutos de las cantidades dinámicas puedan recuperarse.

4. Son necesarios registros amplios de los parámetros de funcionamiento. Dado que gran parte de los datos no pueden analizarse in situ, hay que anotar toda la información funcional relativa a la máquina para su referencia potencial durante la fase de tratamiento de los datos en otro lugar.

Registradores de canales múltiples. Los registros multicanales en cinta magnética diseñados para su aplicación en mediciones poseen dos o más cabezas de grabación (y un número igual de cabezas de repetición) que graban los datos sobre la misma cinta; cada conjunto de vías utiliza un par de cabezas concreto. La diferencia entre los tiempos de arrastre para los distintos conjuntos de vías puede ser significativa, dependiendo de la precisión con que estén montados los distintos pares de cabezas. Si es importante la fidelidad de fase, es preferible asignar las señales que se incluirán en las comparaciones de la fase posterior a un par concreto de cabezas. Si el número de canales relacionados con la fase es mayor que el número de vías para una cabeza. puede ser necesario duplicar una de las señales en otra cabeza, a la que se van a asignar las señales adicionales.

PLANIFICACION DE LAS MEDICIONES DEL RUIDO DE MAQUINARIA Los primeros pasos en un programa de medición son: (1) determinar las condiciones de funcionamiento en las que hay que determinar el ruido de la máquina y (2) definir los datos que hay que recoger para cada condición. El control y especificación del funcionamiento de la máquina durante el examen es una parte importante de la planificación del programa de medición. La recogida de datos debe limitarse a ensayos bien definidos; incluso las pruebas exploratorias, que a menudo son necesarias. deben catalogarse de antemano.

Lista de revisión para mediciones del ruido de maquinaria

1. Determinar el régimen de funcionamiento de la máquina. 2. Definir los índices que hay que medir y sus rangos de amplitud y frecuencia.

-~----

~~------

zrd

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.9

3. Seleccionar el(los) método(s) de procesamiento, micrófonos y/o transductores de la vibración y acondicionadores de señal. 4. Preparar un protocolo experimental; formalizarlo de la manera necesaria. 5. Montar el equipamiento de medida, incluyendo la instalación necesaria. 6. Llevar a cabo una calibración de campo del sistema de medición como se describe en los Capítulos 9 y 10. 7. Llevar a cabo las mediciones con el equipamiento, haciendo todas las correcciones necesarias, de acuerdo con los Capítulos 6, 9 Y 10. 8. Relacionar los datos medidos con el funcionamiento de la máquina. 9. Analizar los datos (véase Capítulo 8). 10. Preparar el informe. Consideremos, por ejemplo, un generador eléctrico diesel que sólo puede funcionar a una velocidad específica y ajustes de potencia predeterminados, denominados puntos o trinquetes. Las medidas de la vibración han de hacerse en tres lugares sobre cada uno de los 12 cilindros. Hay que recoger información sobre los distintos sucesos mecánicos (funcionamiento del inyector, combustión, asiento de la válvula) en el ciclo de la máquina para determinar la contribución relativa de cada uno de ellos al ruido global. En esta máquina, cada suceso acústico se produce en un tiempo concreto durante el ciclo de funcionamiento. El equipo de análisis se programa en el tiempo para singularizar los sucesos de interés. De ahí que este procedimiento requiera una señal de temporización que especifique la posición rotacional u otra configuración de la máquina en cualquier instante, como sería una señal que se obtenga de un transductor (fotocélula, por ejemplo) que aporta un pulso de salida en un estadio específico del ciclo de la máquina.

Determinación de los requisitos de almacenamiento de la cinta magnética

Las grabaciones en cinta magnética se comentan en el Capítulo 6. Los requisitos de almacenamiento de los datos pueden determinarse de la siguiente manera: 1. En primer lugar se determina la longitud total (en tiempo) del registro de datos (los tiempos de los registros individuales multiplicados por el número de registros), expresada en segundos. 2. Se asume que la tasa de muestreo es 2,5 veces la frecuencia más alta de interés. 3. Se multiplica la tasa de muestreo por la longitud total del registro; esto representa el número total de muestras que se van a almacenar. 4. Generalmente, una muestra se almacena como 2 bytes o 16 bytes (véase Capítulo 6). El registro preciso en bytes es 2 veces el número requerido de muestras, determinado en el Paso 3. Por ejemplo, un sistema de adquisición digital de 10 canales que ocupa 2 bytes por muestra con una anchura de banda de 10.000 Hz es aproximadamente equivalente a 0,5 megabytes por segundo (10 canales X 25.000 muestras/segundo X 2 bytes/muestra). Así, un disquete floppy de alta densidad con una capacidad de 1,2 megabytes puede almacenar aproximadamente 2,4 segundos de datos. Un disco duro

38.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de 80 mega bytes de un ordenador personal, por tanto, tiene una capacidad de aproximadamente 160 segundos de datos. Muchos experimentos pueden implicar la recogida de varios giga bytes de datos; una manera cómoda de manejar una cantidad tan grande es almacenar los datos en casetes de cinta magnética en formato analógico y transferir después pequeñas porciones de ellos en forma parcialmente procesada, quizá con una anchura de banda reducida, a los archivos del ordenador sólo cuando sea necesario. Estos archivos más pequeños pueden almacenarse entonces, por ejemplo, en el disco duro o en disquetes floppy y utilizarse cuando sea necesario para un procesamiento más detallado.

Facilidad de seguimiento. Hay que asegurarse de que siempre pueda hacerse fácilmente un seguimiento de los registros de datos (véase «Registradores de datos», anteriormente), de manera que puedan determinarse las condiciones originales de la medición. La necesidad de este seguimiento hace preciso el establecimiento de un procedimiento adecuado de codificación de datos antes de que éstos se registren. Los códigos utilizados con este fin deben ser consistentes con las etiquetas utilizadas en los libros de notas, datos grabados y archivos de ordenador originales. Una planificación adecuada de los registros experimentales puede ahorrar muchas horas de trabajo en el tratamiento de datos en fecha posterior, al facilitar la identificación de las condiciones de examen. También asegurará que la validez de los datos puede verificarse más fácilmente al compararlos con otros obtenidos en condiciones parecidas. La codificación de los registros también debe hacer posible la referencia cruzada entre ellos. Por ejemplo, hay que guardar los registros cronológicos con un sistema numérico que emplee un código de año-mes-día-hora-minuto-segundo. Aunque este código no da como resultado una secuencia numérica, el procedimiento asegura que no se producirá una duplicación de los códigos y que no habrá dudas sobre la cronología de los datos. Además, si los registros se introducen en una base de datos computarizada, este código simplifica la catalogación de datos.

TECNICAS DE MEDICION DEL RUIDO DE MAQUINARIA Pasos iniciales en un programa de medición del ruido

Uno de los primeros pasos en un programa de medición es montar la instrumentación. Hay que asegurar físicamente los amplificadores pequeños, alimentadores de potencia, cables, etcétera, con cinta de tipo adhesivo si es necesario. Los cables del transductor deben etiquetarse para su identificación en ambos extremos. Si hay que mover el transductor a otro lugar. hay que desconectar su cable; si se utiliza más de un transductor. el etiquetado asegurará que el cable correcto volverá a conectarse en el lugar adecuado. La elección de los micrófonos y/o transductores de vibración y su localización es quizá la parte más crítica del programa de medición. Debido a su estabilidad, los micrófonos de condensador suelen elegirse para la medición de la presión sonora. Su tamaño determina la respuesta en frecuencia y la directividad. En la medición en un

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.11

campo reverberante, la directividad no suele ser una preocupación importante. Dentro de los límites impuestos por la respuesta en frecuencia y la directividad, los micrófonos más grandes suelen tener mayor sensibilidad y tienen una relación mejor entre señal y ruido que los más pequeños. En los estudios de ruido, la vibración se mide casi siempre mediante acelerómetros. Aunque un transductor de este tipo aporta una señal que es proporcional a la aceleración, mediante la integración electrónica en su amplificador asociado puede aportar una señal que sea proporcional a la velocidad o al desplazamIento. Los sensores de proximidad del desplazamiento son útiles en casos donde el movimiento relativo entre dos componentes de la máquina resulta de interés, o cuando no se quiere el contacto físico con la máquina. Los instrumentos de medición de la vibración láser también han de considerarse como transductores de la vibración cuando resulta difícil el acceso físico directo a la estructura.

Establecimiento de la ganancia del amplificador

En un sistema de medida que contenga amplificadores cuya ganancia puede ajustarse, es importante establecer ésta de manera: (1) que el amplificador no se sobrecargue y (2) que el sistema de medida aporte la relación entre señal y ruido más alta posible. Dos disposiciones posibles son establecer las ganancias para una sensibilidad conocida del sistema y utilizar ganancias fijas con calibración de extremo a extremo. Si se satisfacen los dos criterios anteriores, hay que dar preferencia a la que permita el número mínimo de ajustes probables y que permita que los cambios se realicen con facilidad. Los ajustes del amplificador deben anotarse en el libro de registro de datos.

Ajustes de la grabadora de cinta magnética

Los parámetros de una grabadora de cinta magnética deben ajustarse de manera que se obtenga la relación más alta posible entre señal y ruido. Todos los ajustes establecidos deben anotarse en un cuaderno para su uso en el tratamiento posterior de los datos que se van a recoger. Algunas grabadoras permiten que estos ajustes se registren en la cinta de datos; en otras, se imprimen en papel. Sin embargo, a pesar de esta comodidad, es preferible mantener un registro escrito en forma tabular de todos los ajustes y otros detalles experimentales, en la misma página de datos. Si la grabadora de cinta magnética posee un mecanismo de calibración interna, hay que incluir esta información como parte del registro de datos. Además de su función específica, la señal de calibración ayudará a separar registros secuenciales de datos.

ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL Como se indicó en el Capítulo 6. a menudo se usa un acondicionador de señal directamente después de un preamplificador, con el fin de maximizar la re1ación entre señal y ruido. Generalmente. esto se logra limitandO la anchura de banda de la se-

38.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ñal, integrando o diferenciando la señal y ajustando su'· ganancia. Puede obtenerse una considerable mejora en la relación entre señal y ruido utilizando exclusivamente los rangos de frecuencias importantes de la señal; en este caso, puede usarse un filtro eléctrico adecuado para eliminar el ruido no deseado de la señal. Esto resulta particularmente útil cuando se registra la vibración de la maquinaria; a menudo, la excitación mecánica posee componentes de banda ancha, incluyendo frecuencias altas. Si la información deseada está en el rango de frecuencias bajo y medio, eliminar las frecuencias altas mediante un filtro eléctrico permitirá utilizar mejor el rango dinámico disponible de la instrumentación.

Supresión del ruido eléctrico en mediciones de maquinaria

Bucles a tie"a.

Al interconectar los componentes de un sistema de medición del ruido y la vibración, puede producirse un bucle a tierra. Un bucle a tierra es un bucle eléctrico que se forma cuando se interconectan dos o más puntos en un sistema eléctrico (nominalmente al potencial de tierra). Como resultado, el sistema tiene toma de tierra en más de un punto y se produce ruido eléctrico en él, como ilustra la Figura 10.9. Los métodos para evitar los bucles a tierra se describen en detalle en el Capítulo 10. Fundamentalmente, hay que eliminar estas interconexiones, eliminando cualquier vía para la corriente continua. Al medir la vibración es aconsejable aislar eléctricamente los transductores de la máquina a examen. En el caso de los acelerómetros, esto puede hacerse utilizando tacos de aislamiento eléctrico, como ilustra la Figura 1O.lb. Sin embargo, para algunos transductores, no es posible el aislamiento en el punto de montaje. En tales casos, puede utilizarse un amplificador de aislamiento.

Inducción electromagnética. Los campos magnéticos alternos pueden introducir zumbidos que se registran en el sistema de medición. Por esta razón, no se debe permitir que los cables de la señal corran en paralelo a las líneas de corriente alterna o cerca de aparatos eléctricos que produzcan grandes campos magnéticos. Los pares de conductores enroscados, con un protector conectado sólo en el extremo del aparato de registro, pueden reducir el acoplamiento de la corriente alterna a los conductores de la señal. Si existe interferencia inducida magnéticamente en un conductor: (1) éste debe ser revestido magnéticamente con una cubierta, por ejemplo, un conducto de acero, y (2) el blindaje debe tener la toma de tierra sólo en el extremo que recibe la señal. Los problemas de ruido de este tipo pueden evitarse utilizando cables de transmisión de fibra óptica. A menudo se utiliza cableado trenzado coaxialmente, pero el blindaje nunca es completamente efectivo. Requisito de una «potencia limpia».

Dado que la señal de salida del micrófono y del sensor de vibración que se utilizan en la medición del ruido de la maquinaria es muy pequeña. esta señal puede contaminarse fácilmente con el ruido producido por la interferencia eléctrica de fuentes exteriores. Una de éstas es la fuente «sucia» de potencia de corriente alterna. Por ejemplo, supongamos que se realizan mediciones de ruido y/cJ vibración en una fábrica donde hay grandes motores. El funcionamiento de este equipamiento da como resultado «puntas» de voltaje en la línea de po-

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.13

tencia eléctrica; entonces la forma de onda del voltaje que se aporta al equipo de medida ya no es sinusoidal. Esta contaminación de la potencia que llega al equipo de medición del ruido puede dar como resultado señales espurias en el mismo. Estos problemas pueden eliminarse si el equipo de medición funciona a pilas o está adecuadamente aislado de la línea de potencia3 • Calibración del sistema

Para que los datos experimentales sean válidos es necesario efectuar una calibración del sistema global de medida. La calibración acústica se describe en los Capítulos 5 y 9; la calibración de campo de los sistemas de medida de la vibración se describe en el Capítulo 10 y es tratada en bastante detalle en el Capítulo 18 de la Referencia 4. Al calibrar un sistema de medición del ruido es necesario: 1. Aportar un estímulo (presión sonora, vibración, eléctrico, etcétera) tan cerca

como sea posible de la entrada del sistema de medida. 2. Asegurarse de que las señales en todos los puntos del sistema de medida están dentro del rango dinámico de los instrumentos. 3. Insertar una señal de calibración en el registro de datos, al principio y al final de cada sesión de recogida de los mismos. 4. Determinar el nivel del ruido de fondo haciendo un registro de «calibración» sin que se aplique ningún estímulo (pero con las ganancias ajustadas adecuadamente). 5. Anotar: (a) la sensibilidad de los micrófonos y/o transductores y (b) todos los ajustes críticos del sistema, incluidas la ganancia del preamplificador, grabadora de cinta magnética y velocidad de la cinta. Si los datos se registran con un aparato de canales múltiples, hay que aportar esta información para cada canal. Preparativos y examen preliminar

Al iniciar una sesión de medición, hay que seguir los siguientes pasos: • Determinar el nivel del ruido de fondo cuando la máquina no está funcionando. • Con la máquina en funcionamiento, hacer una estimaci6n preliminar del nivel que se va a medir. La finalidad de esta medición preliminar es determinar si la relación entre señal y ruido es adecuada para el objetivo de la medición. • Repetir el procedimiento anterior a medida que los aparatos auxiliares se van encendiendo. Estos aparatos (fuelles, bombas, generadores, etcétera) pueden ser necesarios para el normal funcionamiento de la máquina. Este paso permitirá la evaluación de la emisión de ruido de cada uno de ellos. • Si la relaci6n entre la señal y el ruido (de fondo) es demasiado baja, hay que reducir este último. Si el ruido de fondo es resultado del sonido del equipamiento cercano, podría ser necesario: (1) retirar ese equipamiento, (2) apagarlo o (3) aportar un aislamiento sonoro que reduzca el nivel en el lugar de medi-

-

38.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ción. Para comprobar si existe interferencia eléctrica dentro de la instrumentación, se mueve el sensor (v.g., micrófono y/o transductor) desde su ubicación presente y se coloca en un lugar aislado eléctrica y acústicamente (todavía conectado a su cable). Se mide nuevamente el nivel de la señal. Si este nivel está ahora por debajo del nivel límite de fondo, la señal no está contaminada. Sin embargo, si el nivel todavía supera el límite, existen problemas de ruido dentro de la instrumentación . • Si se está midiendo la vibración, hay que apretar cualquier transductor o conector eléctrico aflojado por el calor o la vibración durante las mediciones preliminares. Hay que comprobar los cables batientes, próximos a áreas calientes, y controles defectuosos de instrumentación.

RECOGIDA Y REGISTRO DE DATOS Al recoger los datos deben seguirse los siguientes pasos: 1. Mantener hojas de datos que incluyan toda la información pertinente. Una hoja de datos bien diseñada debe contener la siguiente información: • • • • • • •

Códigos de fecha y tiempo Identificación de la máquina y condiciones de funcionamiento Identificación de todos los sensores e instrumentación Localización y orientación de todos los sensores durante las mediciones Ajustes de ganancia Información sobre calibración Notas especiales (incluyendo datos ambientales pertinentes)

2. Diseño de hojas de datos para uso de campo. La adquisición de datos de campo puede producirse bajo circunstancias adversas. El tiempo de funcionamiento de la máquina puede ser limitado, el calor excesivo, el espacio limitado y las distracciones inevitables. Por tanto, las hojas de datos deben ser sencillas y fáciles de usar. Al diseñarlas: • Se disponen de manera que las entradas, si es posible, sean de elección entre alternativas. • Hay que evitar mantener el registro mediante anotaciones. Hacer marcas sobre una hoja de datos origina menos errores que las entradas escritas sobre un tablero durante las medidas de campo. • Hay que anotar las condiciones de funcionamiento de la máquina y cualquier anomalía que se produzca en ésta o en el ambiente inmediato a la ubicación de la máquina. Para cada una, se anota el tiempo de observación. • Todos los datos se registran en unidades técnicas normalizadas. • Se registran los números de serie de todo el equipamiento, incluyendo la situación de cada transductor. • Se anotan los detalles completos del sistema global de medida, registrando la fecha y la hora. Si hay que inspeccionar los datos en un momento posterior, esta información ayudará a evaluar la validez de los datos.

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.15

• Hay que registrar toda la información de manera que otra persona pueda, en fecha posterior, extraer los datos correctamente calibrados y comprender las condiciones en las que fueron tomados. • Se anotan los cambios en los ajustes de las ganancias del equipamiento y los cambios en la calibración producidos a medida que avanzan las mediciones. • Hay que considerar la realización de un registro fotográfico, utilizando una cámara fotográfica o de vídeo con comentarios verbales de la sesión de medición; a veces este registro puede resultar muy útil. • Si se utiliza un registro analógico, se debe incluir un comentario verbal continuo mientras se toman los datos, siempre que sea posible. Por ejemplo, se puede realizar un anuncio cada 10 segundos describiendo el código del segmento del registro de datos, de manera que esta información pueda localizarse fácilmente durante la repetición.

METODOS DE PROCESAMIENTO DE DATOS La elección del tipo de análisis que se debe realizar de los datos recogidos durante la sesión de campo está condicionada por el problema de ruido de la maquinaria que se quiera resolver. Por ejemplo, los datos pueden consistir en una secuencia de niveles sonoros medidos con un sonómetro o un analizador de bandas de octava. Por otra parte, los datos obtenidos durante un programa de reducción del ruido de una máquina comercializada pueden estar compuestos por información de varios micrófonos o transductores distintos, en varias localizaciones encima o alrededor de la máquina. En este caso, el tipo de análisis puede ser considerablemente más elaborado. Por ejemplo, en el diagnóstico de maquinaria, a menudo se desea extraer de los datos brutos algún aspecto que pueda relacionarse fácilmente con el estado de un componente de la máquina. Esto puede requerir una considerable cantidad de procesamiento de datos, que puede lograrse mediante un ordenador.

Selección de un método de procesamiento de datos

Antes de elegir el método de procesamiento de los datos, es importante determinar el funcionamiento básico de la máquina y sus mecanismos de generación del ruido tanto como sea posible. Por ejemplo, el tipo de procesamiento de datos requerido depende de si el ruido o la vibración que preocupan son generados por: (1) un proceso periódico continuo o (2) transitorios impulsivos. Si el proceso es periódico y continuo, las variaciones de velocidad dentro del ciclo de la máquina pueden revelar información acerca del estado de, por ejemplo, un engranaje o las fuerzas de potencia de la máquina. Los sucesos transitorios pueden incluir, por ejemplo, el cerramiento de válvulas o impactos en mecanismos de eje y seguimiento. El análisis espectral es la forma más frecuente de analizar y presentar los datos en los estudios de ruido de la maquinaria. Los espectros de ruido de la maquinaria suelen mostrar frecuentemente componentes tanto de línea de banda estrecha

38.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

como de banda ancha. Estos componentes de distinto tipo pueden surgir del mismo o distintos mecanismos. Los componentes periódicos en el funcionamiento de la maquinaria, como son el desequilibrio o la mezcla de frecuencias del engranaje, aparecen como componentes de línea en el espectro; los sucesos transitorios e impulsivos se indican mediante un ensanchamiento general del espectro. Una decisión importante en el caso de programas amplios de ruido de maquinaria es determinar si las medidas deben llevarse a cabo con analizadores específicos o mediante un sistema de adquisición de datos de propósito general, utilizando el ordenador para realizar el análisis. En general, un instrumento específico es más rápido y portátil, pero si el procedimiento de análisis final no está decidido, el sistema del ordenador puede ser una elección mejor. Las distintas formas de presentación de los espectros se describen en el Capítulo 6. Métodos de análisis basados en técnicas FFT

Muchas técnicas útiles para analizar los datos se basan sobre las técnicas de las transformadas rápidas de Fourier (FFf). Estas incluyen el promedio sincrónico, el análisis de potencia Cepstrum y el análisis de demodulación de la amplitud, descritos en los Capítulos 8 y 39. Promedio sincrónico. El promedio de tiempo sincrónico resulta útil para recuperar aquella parte de la señal que es coherente con un período básico del funcionamiento de la máquina. Esta técnica se ilustra en la Figura 8.13, donde se compara el ruido de cajas de transmisión parecidas, en buenas y malas condiciones. Hay que tener cuidado al aplicar esta técnica, ya que pueden perderse información útil con respecto al funcionamiento de los mecanismos. A menudo, el funcionamiento de la máquina muestra «temblores» que pueden promediarse, y por tanto perderse, mediante este procedimiento. Este promedio puede llevarse a cabo en el ámbito del tiempo o de la frecuencia. Potencia Cepstrum. El análisis Cepstrum, descrito en el Capítulo 8, puede usarse eficazmente para hacer un seguimiento de grupos de frecuencias de línea que están integralmente relacionadas entre sí. La potencia Cepstrum es la transformada inversa de Fourier del espectro logarítmico de potencia. La detección de un cojinete defectuoso mediante esta técnica se ilustra en la Figura 13.43 de la Referencia 4. Si un espectro es excepcionalmente rico en armónicos (como ocurre con la vibración producida por una caja de transmisión) y la periodicidad es constante, este método es muy valioso. Sin embargo, si la velocidad de la máquina fluctúa, esta periodicidad se pierde y el Cepstrum es menos valioso. La técnica Cepstrum también es útil en la criba de máquinas en busca de fallos en el examen de la línea de producción. La potencia Cepstrum resulta particularmente útil para representar señales transitorias, especialmente para aquellos sucesos que deben detectarse individualmente. Para la detección de pulsos, el Cepstrum complejo se filtra con una ventana de tiempo, lo cual proporciona una igualación en el ámbito de la frecuencia; la representación Cepstrum así obtenida se reconvierte en una representación de tiempo comprimido de la señal original.

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

38.17

Demodulaci6n de la amplitud. La demodulación de la amplitud (comentada en el Capítulo 13 e ilustrada en la Figura 13.45 de la Referencia 4) del ruido de un cojinete defectuoso puede llevarse a cabo mediante un instrumento analógico o con un sistema de procesamiento digital utilizando la transformada de Hilbert, también descrita en el Capítulo 8. Por ejemplo, la demodulación de la amplitud puede indicar la carga variable de un engranaje o el impacto de energía vibratoria cuando el elemento rodante de un cojinete golpea un defecto en la pista. Los registros de demodulación de la amplitud tienden a ser bastante largos y es complicado realizar el filtrado de paso de banda en el ordenador. Sin embargo, si los datos ya se han metido en el ordenador por otras razones, el filtrado digital y la demodulación pueden resultar apropiados. Uso de lafunci6n de coherencia. En algunos casos están disponibles la excitación y las señales de respuesta. La coherencia se usa para comprobar si estas señales están bien relacionadas. La falta de linealidad o el ruido en el sistema de medición reducirá la coherencia, mostrando que los datos de respuesta son menos dependientes de la excitación. Los valores reducidos de coherencia en las resonancias son frecuentes porque es difícil mantener el nivel deseado de la fuerza de excitación cuando la movilidad es grande. La coherencia también se reducirá cuando la respuesta es pequeña en las bajas de transferencia de movilidad (o ceros). Uso de la funci6n de co"elaci6n cruzada para determinar el flujo de energía. El uso de la función de correlación cruzada (véase Figura 13.46 de la Referencia 4) tiene ventajas para su uso en el análisis del ruido de la maquinaria. Por ejemplo, el espectro cruzado de dos micrófonos próximos en el espacio puede utilizarse para calcular la intensidad acústica o el flujo de energía en el campo sonoro. De forma similar, el flujo de energía vibratoria en una estructura puede medirse mediante el espectro cruzado de las señales que aportan los acelerómetros próximos en el espacio. Si hay presentes errores de fase, se producirán errores significativos en los resultados de estas mediciones. Modelado para métrico de sistemas

A menudo resulta útil representar una señal de ruido mediante un conjunto de parámetros distintos a los valores de tiempo o frecuencia. La respuesta de impulso o las partes reales e imaginarias de la función de transferencia pueden expandirse en funciones ortogonales o en una serie de potencia. Dado que la elección de las funciones de expansión es altamente dependiente de la aplicación, hay que elegir funciones de transferencia que simulen la forma de las funciones medidas, de manera que se use el menor número posible de términos en la expansión.

38.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

EXTRACCION DE INFORMA ClaN DE LOS DATOS EXPERIMENTALES El tipo de información que se busca en los estudios de análisis del ruido, experimentos de diseño y desarrollo y proyectos de seguimiento de máquinas varía notablemente. Los métodos mediante los cuales puede obtenerse la información deseada en cada una de estas situaciones resultan de particular interés.

Contribuciones al ruido de la maquinaria

La mayoría de las máquinas producen energía vibratoria mediante un número de mecanismos distintos, con sonidos que surgen de distintas partes de la maquinaria. La finalidad de las mediciones del ruido de la maquinaria puede ser: (1) determinar la contribución de cada mecanismo y/o (2) determinar las áreas desde las que el sonido es irradiado. Sólo en situaciones especiales coinciden estos dos objetivos. Las contribuciones de los distintos mecanismos de generación de ruido de una máquina pueden establecerse fácilmente si puede hacerse funcionar a cada uno de los mecanismos de forma independiente. Al hacerlo, es importante cargar el mecanismo de forma realista. Si no puede lograrse que el mecanismo funcione de manera aislada, pero puede anularse, puede establecerse su contribución anotando la reducción que se produce en el nivel global al anularlo. La contribución de la fuente más débil puede determinarse mediante la Figura 9.8. Puede conocerse de dónde parte el sonido en una máquina mediante un sondeo de intensidad acústica; así puede fabricarse un mapa que muestre la radiación del sonido, como se describe en el Capítulo 14. Otra técnica es cubrir la máquina con un revestimiento (una cubierta, como una lámina de plomo, que proporciona aislamiento acústico a la superficie cubierta) y exponer luego distintas partes de la superficie, de una en una. Esta técnica sólo resulta práctica si el revestimiento sobre la máquina proporciona el aislamiento acústico adecuado de las superficies cubiertas y si esto no crea problemas de calentamiento.

Evaluación de cambios en el diseño

Pueden llevarse a cabo experimentos relacionados con el diseño para comparar el existente con un modelo analítico o empírico de una máquina. Entonces, a medida que se realizan cambios en el diseño. pueden observarse cambios en el nivel de ruido. La Figura 38.3 muestra un ejemplo de este procedimiento aplicado a un sistema de transmisión. Los componentes de la transmisión consisten en una correa dentada, un conjunto de engranajes y una cadena de eslabones rodantes (bicicleta). Se muestra el cambio en la emisión de potencia sonora del montaje cuando la cadena de metal es sustituida por otra con eslabones cubiertos de plástico. La potencia sonora puede determinarse utilizando el nivel de presión sonora con promedio espacial en una cámara de medición [véase Ecuación (13.7)]. Otro tipo de información de interés para el diseño es la forma de los distintos modos de vibración cuando se excita la máquina a sus frecuencias de resonancia.

38.19

MEDIDA Y ANALlSIS DEL RUIDO DE MAQUINARIA

~Q. ~ al "'C

cO

> tJ
o

CD

"'C

o

70~----------------------------------------~ Calculado para el sistema de transmisión colocado 65

60 55

M)mPlm,

50

.~

... CD

45

Calculado con la cadena de transmisión eliminada

CD

"'C
"'C

40

e


.D

35

CD

"'C

-¡¡¡ .~

30

125

Z

250

500

1k

2k

4k

Bk

Frecuencia. Hz

FIGURA 38.3. Efecto de reducir el ruido de la cadena en la emisión de ruido de una máquina. Esta máquina tiene un sistema de transmisión compuesto por una correa dentada, un conjunto de engranajes y una cadena.

Dado que a menudo éstos son los modos de vibración más bajos de la estructura de la máquina, un análisis de éstos «
t.5

REFERENCIAS 1. R. Gibson, «Phase variability of structural transfer functions», Tesis M.Sc, Department of Mechanical Eng., M.I.T., Cambridge, Mass., 1986. 2. H. Cramer, Mathematical methods of statistics, Princeton U niversity Press, Princeton, N.J., 1946, p. 512. 3. C. M. Harris (Ed.), Handbook of utilities and services for buildings, McGraw-Hill, Nueva York, NY 10020, 1990, Capítulo 27. 4. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handhook, 3." ed., McGraw-Hill, Nueva York, NY 10020, 1988. 5. R. H. Lyon, Machinery noise and diagnostics. Butterworth Publishers. Londres y Boston. 1987.

Capítulo

39

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA Joelle Courrech

INTRODUCCION El control del estado de la maquinaria consiste en medir los diferentes parámetros relacionados con el estado mecánico de la maquinaria (como la vibración, la temperatura de los cojinetes, la presión y los residuos de aceite, y el funcionamiento), con el fin de determinar el estado en que ésta se encuentra. Cuando la maquinaria no se encuentra en buen estado, este control permite averiguar el origen del problema 1.2. El control del estado de la máquina se emplea en unión al mantenimiento del estado de la máquina, o sea el mantenimiento de la maquinaria basado en las indicaciones de que se va a producir un problema. En muchas fábricas este tipo de mantenimiento está tomando el relevo al mantenimiento hasta la avería o al mantenimiento preventivo (en el que las partes mecánicas se reemplazan periódicamente en intervalos fijos de tiempo sin tener en cuenta su estado). El mantenimiento de la maquinaria: • Evita inesperadas averías graves de consecuencias costosas y peligrosas. • Reduce al mínimo el número de revisiones de la máquina, disminuyendo por tanto los costes de mantenimiento. • Evita intervenciones innecesarias con el riesgo consiguiente de introducir fallos en máquinas de funcionamiento correcto. • Permite la clasificación temporal de las piezas de repuesto, eliminando así costosos inventarios. • Reduce los tiempos de intervención, minimizando por tanto pérdidas de producción. Como se conoce por adelantado la avería a reparar, es posible programar las revisiones del modo más conveniente. En este capítulo se describe el empleo de las medidas de vibración para contro39.1

39.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lar el estado de la maquinaria. La vibración es el parámetro que se puede utilizar con más probabilidades de éxito con el fin de pronosticar la más amplia gama de averías. En esta descripción se incluye: 1. La selección del tipo apropiado de sistema de control (permanente o discontinuo). 2. El establecimiento de un programa de control de estado de la máquina que incluye la selección de transductores, de parámetros apropiados de vibración, de posición de medición en la máquina, y del intervalo de tiempo entre mediciones. 3. La detección de averías. 4. La interpretación del espectro y el diagnóstico de averías. 5. El análisis de tendencias.

SELECCION DEL TIPO DE SISTEMA DE CONTROL

Los sistemas de control del estado de máquinas son de dos tipos: discontinuos y permanentes. En un sistema de control discontinuo la vibración de la maquinaria se mide (o se registra para su posterior análisis) en intervalos seleccionados de tiempo dentro de una zona concreta. A continuación se realiza un análisis, bien en la zona o en el laboratorio. Es preciso emplear técnicas avanzadas de análisis para el diagnóstico de averías y el estudio de tendencias. El control discontinuo proporciona información en fases muy tempranas de la eventual avería y se emplea generalmente cuando (1) es preciso conocer con gran antelación la existencia de fallos, (2) es necesario obtener diagnósticos avanzados, (3) es preciso realizar medidas en muchas posiciones de la máquina, y (4) las máquinas son complicadas. En un sistema de control permanente la vibración de la maquinaria se mide continuamente en unos puntos determinados, y se compara constantemente con los niveles aceptables de vibración. El método de medición puede ser permanente (como en sistemas de captación paralela, en los que se emplea un transductor y una cadena de medición en cada punto), o casi permanente (como en los sistemas múltiples, en los que se emplea un transductor en cada punto de medición, pero el resto de mediciones de la cadena se comparte entre unos pocos puntos con un intervalo múltiple de unos segundos). En un sistema de control permanente los transductores se instalan permanentemente en cada punto seleccionado de medición. Debido a ello, este sistema puede alcanzar costes muy altos, y se emplea en casos muy especiales en los que (1) no existe personal disponible para realizar las mediciones (mar adentro, en estaciones de bombeo alejadas, etcétera), (2) es necesario detener la máquina antes de que se produzca una avería para evitar accidentes catastróficos, (3) puede producirse un fallo instantáneo que precisaría del apagado de la máquina, y (4) el entorno (explosivo, tóxico o de altas temperaturas) no permite la presencia humana que sería necesaria en caso de efectuar mediciones discontinuas. Antes de seleccionar un sistema de control permanente, es preciso realizar mediciones preliminares de modo discontinuo durante un período de tiempo con el fin de familiarizarse con las características vibratorias de la máquina. De este modo

---

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.3

será posible seleccionar el parámetro de mediciones de vibración, el rango de frecuencias y los niveles normales de alarma y desconexión más apropiados.

ESTABLECIMIENTO DEL PROGRAMA DE CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINA Selección de transductores

Con el fin de seleccionar el transductor más apropiado para el programa de control del estado de la máquina es necesario verificar el tipo de medición que se va a realizar: por ejemplo, si consiste en una vibración del eje o de los cojinetes. Transductores de desplazamiento. Los transductores de desplazamiento de tipo de corrientes parásitas, que poseen diodos rectificadores desconectados, se emplean habitualmente para medir la vibración del eje. Estos transformadores proporcionan información acerca del movimiento relativo entre el eje y los cojinetes, que puede ser reflejada directamente en cantidades físicas, como la holgura mecánica y el espesor de la capa de aceite, por ejemplo, ofreciendo la posibilidad de mostrar el inicio de raspaduras. El empleo de transductores de desplazamiento es esencial en máquinas que dispongan de cojinetes de eje de ruedas. Sin embargo, los diodos rectificadores desconectados de esta cIase (1) son difícilmente calibrables con exactitud, (2) poseen rangos dinámicos limitados debido a la influencia de descentramientos eléctricos y mecánicos del eje, y (3) poseen un rango de frecuencias limitado. Como consecuencia de los límites en el rango dinámico, la frecuencia útil superior queda por lo general limitada a la frecuencia de los primeros armónicos de velocidad del eje, como muestra la Figura 39.1a. La vibración del eje proporciona información sobre el estado real de la máquina y se emplea principalmente en sistemas de control permanente, que desconectan inmediatamente la máquina en caso de que se produzcan problemas. Acelerómetros y lectores de velocidad. Los acelerómetros y los lectores de velocidad se utilizan para realizar mediciones de vibración de cojinetes o bastidores. Los acelerómetros poseen un rango dinámico y de frecuencias más amplio que los transductores de desplazamiento o de velocidad, como muestra la Figura 39.1. Los acelerómetros (descritos en el Capítulo 7) tienen poco peso y gran resistencia. Deberían ser seleccionados para detectar averías a altas frecuencias, como por ejemplo para localizar deterioros en las piezas rodantes de un cojinete o desgastes en la caja de engranaje. Al contrario de lo que se suele pensar, los acelerómetros son capaces de medir frecuencias muy bajas, cuyo límite viene determinado por el preamplificador empleado más que por el transductor en sí mismo. Las frecuencias del orden de magnitud de 1 Hz o inferiores pueden ser medidas con acelerómetros de uso general sin tener en cuenta precauciones especiales. La aceleración del cojinete o del bastidor puede estar directamente relacionada con las fuerzas que actúan dentro de la máquina y que son transmitidas a los cojinetes. Las mediciones de aceleración de

39.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

o

wl-

a:¡

o Ir-----, 0,5 kHz g~

~~ ::¡;

Q..

« ffl O

(A)

1-----'''''''4--4-...I-~--+---+-_

10

1001kHz 10kHz 100kHz

w EE:FRECUENCIA 00

U~IBI ~I"

10

1001kHz 10kHz 100kHz FRECUENCIA

~ ~ f-------.--, 013

::J«

(C)

I-a: ::::¡~

~~

««

20 kHz 4 - - 4 - - _ + _ -.........- - + -. .

10

1001kHz 10kHz 100kHz FRECUENCIA

FIGURA 39.1. Espectros procedentes de la misma fuente de vibración empleando distintos tipos de transductores. (A) Espectro típico de desplazamiento que muestra una curva negativa. Incluso cuando el transductor de desplazamiento posee una amplia gama de frecuencias (normalmente de hasta 10 kHz), su limitado rango dinámico (40 dB) produce un espectro con una restringida gama útil de frecuencia (normalmente de hasta 500 Hz). (B) Espectro de velocidad. Aunque los transductores de velocidad poseen una amplia gama dinámica (60 dB), su gama de frecuencias se encuentra por lo general limitada entre 10 y 1.500 Hz. (e) Espectro de aceleración. Los acelerómetros cubren rangos de frecuencia desde 0,1 Hz o inferiores hasta los 15.000 Hz y superiores (según el tipo), con un rango dinámico típico de 150 dB. Incluso tras la integración de la señal de velocidad, producen un rango dinámico de 90 dB de unas tres décadas de frecuencia.

vibración de los cojinetes avisarán con gran antelación de los fallos que se produzcan en la máquina.

Selección del parámetro de medida: desplazamiento, velocidad o aceleración

Cuando se emplea un acelerómetro como detector en un sistema de control del estado de máquinas, la señal de aceleración resultante puede ser electrónicamente integrada con el fin de obtener la velocidad o el desplazamiento, por lo que cualquiera de estos tres parámetros puede ser utilizado en las mediciones. El parámetro a elegir se puede seleccionar por medio de la siguiente regla simple: emplear el parámetro que tenga el espectro «más plano», que indica el menor rango dinámico de la instrumentación que sigue al transductor. Por ejemplo, en la Figura 39.2 aparece un espectro de velocidad y otro de desplazamiento obtenidos en idénticas condiciones. El rango dinámico (o sea, el rango situado entre el nivel de la señal más elevada y el

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.5

RANGO

e

::l

RANGO

t:

-' a..

::¡¡

«

..L..-_

---"'.....,..---"=-__

L..-_ _ _

FRECUENCIA

FIGURA 39.2. Espectros de velocidad y desplazamiento obtenidos en idénticas condiciones. El espectro de velocidad requiere un rango dinámico menor del equipamiento que acompaña al transductor y es, por tanto, preferible.

de la inferior) precisado para medir el espectro de desplazamiento es mucho mayor que el rango del espectro de velocidad. Puede incluso exceder el rango dinámico disponible de la instrumentación. Por tanto, según esta regla debería escogerse la medida de velocidad. La regla del espectro más plano es aplicable solamente a la gama de frecuencias que interese, por lo que la selección de parámetros, de algún modo, depende de la clase de máquina y del tipo de avería a considerar.

Selección de localizaciones de medición

Cuando se emplea un sistema de control de maquinaria discontinuo, el número de lugares en los que se realizan las mediciones queda limitado solamente por el requisito de reducir el tiempo de medida al mínimo. Por lo general, las medidas de vibración de los cojinetes se llevan a cabo en dirección radial sobre cada cojinete accesible, y en dirección axial respecto a los cojinetes de empuje. No suele ser necesario medir la vibración de los cojinetes en dirección horizontal y vertical, ya que ambas mediciones ofrecen la misma información sobre las potencias que actúan dentro de la máquina, información que corresponde simplemente a dos vías de transmisión diferentes. Este método es aplicable para detectar la generación de averías. Como se comprobará más adelante, las mediciones tanto en sentido horizontal como vertical pueden, sin embargo, ofrecer información valiosa para diagnosticar el subsiguiente origen de la avería inminente. Al medir la vibración de los ejes con transductores de proximidad, es conveniente emplear dos diodos rectificadores para cada cojinete, situados a 90° entre sí, proporcionando por tanto una indicación de la órbita del eje dentro del cojinete. Cuando se emplea un sistema de control de maquinaria permanente, el número de posiciones de medición se suele minimizar por razones económicas. Al realizar una comparación del espectro completo se debe llevar a cabo la selección de acuerdo a un estudio de los espectros de vibración de los distintos cojinetes, con el fin de localizar estos lugares en los que cualquier componente de importancia relacionado con las diversas averías eventuales se transmitiría en niveles vibratorios medibles. Cuando se realizan controles de medida solamente de banda ancha, es preciso cumplir el requisito adicional de que todos los componentes de frecuencia relacionados con la eventual avería deberían ser aproximadamente del mismo nivel.

39.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

Selección del intervalo de tiempo entre mediciones

La selección del intervalo de tiempo entre mediciones precisa del conocimiento específico de la máquina. Algunas máquinas se averían rápidamente, mientras que otras duran años sin problema alguno. Es necesario llegar a un acuerdo respecto a la seguridad de la instalación y al tiempo precisado para realizar las mediciones y los estudios. Puede ser útil la siguiente regla general: seleccionar un intervalo de tiempo entre mediciones de entre un sexto y un décimo del período entre las revisiones generales. En cualquier caso, hay que realizar mediciones frecuentes en las primeras fases del sistema de control del estado de la máquina para asegurarse de que los niveles de vibración medidos sean estables y no se dé inicio a ningún tipo de avería. Cuando se detecte un cambio significativo, el intervalo de tiempo transcurrido entre las mediciones debería ser reducido lo suficiente como para que no se produzca una avería antes de la próxima medición. La curva de tendencias puede servir para determinar el momento en que debería realizarse la siguiente medición.

DETECCION DE A VERlAS DE LA MAQUINARIA DE ROTACION Sería deseable que fuera posible detectar todas las cIases de errores que podrían producirse durante el funcionamiento de la maquinaria rotatoria. Estos errores comprenden tanto las vibraciones a frecuencias muy bajas (componentes subsíncronos que indican aflojamientos, remolinos de aceite. defectos en la correa de transmisión. etcétera) como las vibraciones a frecuencias muy altas (frecuencias de acopiamiento entre dientes, de álabes. de resonancias estructurales producidas por fallos en las piezas rodantes del cojinete. etcétera). Esta detección debería aplicarse al total de máquinas existentes en una fábrica, desde las que funcionan a bajas velocidades hasta las que lo hacen a velocidades mayores. haciéndose preciso seleccionar un equipamiento y unas técnicas de análisis que cubran una gama de frecuencias muy amplia. Las mediciones de los niveles de vibración ahsolutos de los cojinetes no proporcionan ninguna indicación del estado de la máquina. ya que se ven influenciados por el itinerario de transmisión entre la fuerza y el punto de medición, pudiendo amplificarse unas frecuencias y atenuarse otras. Los niveles de vibración de los cojinetes cambian de un punto de medición a otro dentro de una máquina concreta. ya que las vías de transmisión son diferentes. Por la misma razón pueden cambiar de una máquina a otra en mediciones realizadas en el mismo luga~. Por lo tanto. al analizar el estado de una máquina es fundamental controlar los cambios vibratorios respecto a un valor de referencia establecido cuando la máquina se encuentra en perfecto estado. Los cambios se indican en una cantidad o, con mayor frecuencia. como un camhio de nivel. o sea. el logaritmo de una cantidad. en decibelios. El objetivo del control del estado de una máquina consiste en predecir la avería con gran antelación antes de que se produzca, por lo que la medida del nivel de vibración global no servirá como predicción fiable, debido a que los mayores componentes de vibración dentro de la franja global de frecuencias dominan en la medida. En la Figura 39.3 se muestra un ejemplo de cómo las mediciones globales de

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.7

.,

C>

~

E

ci

« O

U

70 60

O

....J w 50

>

w

0110 O

::>

!:: 100 ....J

~

::¡; 90

«

80 70 60 FRECUENCIA AUMENTO DE LA MEDIDA GLOBAL ENTRE 10 Y 1 kHZ

CD

20 -- -- ---- - -- - - -7(C) ~~I' "/ ~\

~/O~

" 10

O

1 2 3 TIEMPO, MESES

FIGURA 39.3. Análisis de tendencias llevado a cabo en una medición global y en la de un componente concreto. (A) Espectro de velocidad de vibración medida en una caja de engranajes tras la instalación. Obsérvese la gran amplitud del componente de 480 Hz, dominando el espectro de referencia. (B) Espectro de velocidad tres meses después. Obsérvese el notable aumento del componente de 121 Hz correspondiente a las revoluciones del eje de salida de la caja de engranajes. (C) Curvas de comparación del aumento del componente de 121 Hz en el espectro de velocidad. El aumento de velocidad global en la banda situada entre 10 y 1.000 Hz indica un comienzo de avería,

velocidad de vibración tienen como resultado una predicción incorrecta con una sobreestimación del plazo de espera. Una correcta detección de averías en la maquinaria puede realizarse con éxito solamente por medio de una comparación con un espectro de referencia. En esta sección se comparan varios tipos de espectros con esta finalidad.

39.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Análisis de ancho de banda constante y análisis de porcentaje de ancho de banda constante

Un analizador de ancho constante de banda, como el analizador de transformadas rápidas de Fourier (FFT), proporciona espectros con una anchura de banda constante en una escala de frecuencia lineal que ofrecen definiciones muy precisas en altas frecuencias, pero no en las bajas. Para cubrir una amplia gama de frecuencias con una definición suficiente empleando el análisis de ancho de banda constante, es preciso utilizar varios análisis diferentes de frecuencia, por lo general uno por cada década de frecuencias. Para ello se precisa una gran cantidad de tiempo, ya que se debe almacenar gran cantidad de datos y compararlos con cada punto de medición. El análisis de porcentaje constante de ancho de banda cubre por lo general tres décadas con idéntica resolución dentro de un único espectro dentro de una gama de frecuencias logarítmica. De este modo se consigue reducir considerablemente la cantidad de datos manteniendo sin embargo una definición precisa. Una ventaja adicional de este análisis de escala de frecuencias logarítmica es la simplicidad de compensación de los cambios de velocidad, que en la máquina queda reflejado en el espectro de vibración como una conversión global de todos los componentes relacionados con la velocidad. Debido a las razones antes expuestas, el mejor método de análisis para la comparación de espectros y la detección de averías es el uso del análisis del porcentaje de ancho de banda constante con una escala de frecuencias logarítmica. En la Figura 39.4 aparece un ejemplo de comparación de medidas dentro de una misma caja de engranajes, llevada a cabo con dos tipos diferentes de analizadores. En la Figura 39.4a se emplea el análisis del porcentaje constante de ancho de banda, y en la Figura 39.4b el de banda de ancho constante. Obsérvese en esta última figura la pérdida de información dentro de la franja situada entre Oy 2 kHz. Es preciso mantener una definición suficiente de frecuencias para distinguir los componentes importantes relacionados con la velocidad. Como en el caso de las mediciones globales de la Figura 39.3, cuando dos componentes de igual importancia pero de muy distinto nivel se encuentran dentro de la misma anchura de banda de filtro, la amplitud del mayor ocultará los cambios del menor. Una anchura de banda de entre el3 y el6 por 100 basta normalmente para cubrir las pequeñas fluctuaciones de velocidad (del orden del 1 por 100), pero posee la definición suficiente para separar los distintos componentes. Modo en el que los cambios en el espectro se relacionan con el estado de la máquina

Con el fin de obtener información respecto a los cambios en el estado de la máquina, deberían simplemente compararse los espectros de vibración de operaciones similares de funcionamiento. La influencia de estas condiciones de funcionamiento de la máquina (como su velocidad, carga y temperatura) respecto al parámetro de vibración medido varía de modo notable en los distintos tipos de máquina. Unos cambios de velocidad de hasta el 10 por 100 pueden por lo general ser compensados, y sus espectros comparados. Cuando superan este valor, las condiciones de funcionamiento de la máquina deben considerarse como diferentes y es necesario em-

39.9

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

lO

(a)

r

~J ~ ~~ ~,

0,1

0,01

1

A~,

~

I~

Cl ID

..!!! E E

\

~

'"

'O '(3

o

lO

~

(b)

0,1

V

~ ~V

~

0,01

O

2

4

~ ~~ )

\jl

~~

~ 'YI\I¡

6

8

lO

12

14

16

l\

!'liT)! 20

Frecuencia. kHz

FIGURA 39.4. Análisis de vibración de la caja de engranajes. (A) Espectro de velocidad obtenido por medio de un analizador con una amplitud de banda de porcentaje constante del 4 por 100, empleado para cubrir un rango de frecuencias de 20 a 20.000 Hz. La escala de frecuencias es logarítmica. (S) Espectro de velocidad obtenido por medio de un analizador con una amplitud de banda constante de 50 Hz, empleado para cubrir un rango de frecuencias de Oa 20 kHz. La escala de frecuencias es lineal.

plear un nuevo espectro de referencia como punto de comparación. Este espectro de referencia no necesita ser medido cuando la máquina es nueva (tras un corto período de rodaje), sino que puede ser determinado en cualquier momento de su ciclo vital a condición de que sus vibraciones sean estables, pues un espectro estable demuestra un funcionamiento estable de la máquina. La dificultad mayor radica en es-

39.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

tablecer cuándo los cambios en el espectro son lo suficientemente relevantes para aconsejar la desconexión de la máquina. La mayoría de las normas nacionales e internacionales de medición de vibraciones de cojinetes no prestan atención a los espectros de frecuencia, sino que indican valores de cambio de vibración del valor rms de la amplitud de velocidad de 10 a 1.000 Hz (o 10.000 Hz) para máquinas tanto en buen como en mal estado. Estos porcentajes han sido trasladados con éxito a los componentes característicos del espectro de vibración, como las frecuencias de desequilibrios o de engranaje entre dientes. Por lo general se considera significativo cualquier cambio en la amplitud de vibración del cojinete (medida en términos de aceleración, velocidad o desplazamiento) de cualquier elemento característico del espectro con un factor de 2 a 2,5 (6 a 8 dB en nivel de vibración). Un cambio de 8 a 10 en el factor (de 18 a 20 dB en nivel de vibración) se considera problemático, a menos que se especifique lo contrario por parte del fabricante. Los límites de medición de vibraciones del eje, que proporcionan su movimiento relativo dentro del cojinete, están directamente relacionados a su huelgo físico en la máquina. El intervalo de tiempo precisado entre las mediciones varía en gran medida de una máquina a otra, y depende directamente del período medio de tiempo transcurrido entre una avería y el grado de deterioro de las averías esperadas. Por tanto, las mediciones deberían realizarse con mayor frecuencia en cuanto se notifique la presencia de un deterioro creciente. Un buen proceso de detección de averías es el primer paso para la realización con éxito de un programa de control del estado de la maquinaria. Un reconocimiento temprano del deterioro es la clave para lograr una diagnosis exacta de las averías y un eficaz análisis de tendencias. Como consecuencia, esta fase de control de maquinaria no debería ser pasada por alto, a pesar de que a menudo puede ser considerada tediosa.

INTERPRETACION DEL ESPECTRO Y DIAGNOSTICO DE A VERlAS Aunque el análisis de porcentaje de ancho de banda constante es mejor para la detección de averías y la comparación de espectros que el análisis de ancho constante de banda, este último es primordial para un diagnóstico eficaz. Los analizadores FFf disponibles comercialmente proporcionan una herramienta eficaz para la interpretación de espectros, ofreciendo una anchura constante de banda (en una escala de frecuencia lineal) y, por medio del zoom, también proporcionan una gran definición en cualquier banda de frecuencia considerada. Esto permite (1) el reconocimiento rápido y la distinción de modelos armónicos o de bandas laterales, y (2) la separación de componentes individuales poco espaciados. Los analizadores FFf pueden también proporcionar herramientas de diagnóstico tales como el cálculo de tiempo medio síncrono, el análisis Cepstrum y/o el empleo de la transformada de Hilbert para la demodulación de amplitud y base (véase Capítulo 8). En la Tabla 39.1 se encuentran clasificados los distintos tipos de averías y se indica la frecuencia en la que aparecen los espectros de vibración. Aunque esta tabla puede suponer una considerable ayuda para la interpretación del espectro, cualquier simplificación de este tipo debe ser utilizada con precaución, como queda de-

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.11

mostrado en los ejemplos considerados más adelante. Las distintas averías pueden clasificarse según los componentes de su espectro, como se muestra a continuación. Componentes subsíncronos

Los componentes subsíncronos de vibración (en frecuencias inferiores a la velocidad de rotación de la máquina) se producen normalmente cuando se emplean cojinetes lisos. Los más comunes son los de vibración debida a torbellinos de aceite, de histéresis, resonantes o aflojamientos mecánicos. En la Referencia 4 se describen con detalle estas clases de inestabilidad y de comportamiento no lineal. La Figura 39.5 muestra un espectro medido en el eje de ruedas del cojinete de un compresor centrífugo con aflojamientos mecánicos. Se puede apreciar claramente un modelo característico de armónicos de orden medio de velocidad de rotación. En la Figura 39.6 aparece un espectro del eje de ruedas del cojinete de una bomba en la que se está creando un torbellino de aceite a 21 Hz (42 por 100 de la velocidad de rotación) y en su segundo armónico. Ambos ejemplos muestran claramente cómo el empleo de una escala de frecuencia lineal puede facilitar la diagnosis de una avería proporcionando una indicación precisa de los distintos tipos de modelos armónicos. Un alto grado de definición es preciso para separar un componente armónico de orden medio debido al aflojamiento (exactamente del 50 por 100 de la velocidad de rotación) de otro debido al torbellino de aceite (del 42 al 48 por 100 de la velocidad de rotación).

Armónicos inferiores de la velocidad de rotación

Los armónicos inferiores de la velocidad de rotación aparecen debido a desequilibrios en el eje, defectos de alineación y excentricidad, así como a grietas y torceduras en los ejes. Estas diversas averías pueden ser difíciles de distinguir, ya que se encuentran relacionadas mecánicamente. Un defecto de acoplamiento puede causar una mala alineación. Un eje torcido puede provocar desequilibrios. Incluso una avería tan conocida y perfectamente definida como el desequilibrio puede generar componentes vibratorios equívocos. Las averías de vibración debidas a las masas excéntricas forman una fuerza centrífuga (por lo tanto radial) que gira a la velocidad del eje, y que por tanto se supone deben generar un componente en el espectro de vibración de la velocidad de la máquina. Sin embargo, un desequilibrio dinámico puede también provocar un movimiento oscilante y consecuentemente una vibración tanto en dirección radial como axial. Del mismo modo, cuando se produce una vía no lineal de transmisión de un punto de aplicación de una potencia al punto de medición, es posible observar un aumento de armónicos de la velocidad de rotación en el espectro de vibración, debido a distorsiones en la señal. La relación de fase entre los cojinetes proporciona una información esencial para diferenciar los distintos tipos de averías. Por ejemplo, un desequilibrio generará una fuerza de rotación, y por tanto la relación de fase entre los cojinetes puede suponerse idéntica tanto en dirección horizontal como vertical (en ausencia de resonancias). Los defectos en la alineación, sin embargo, no crean una fuerza de ro-

Subarmónicos del eje en rpm, exactamente de 1/2 ó 1/3 rpm

Cojinete con piezas de rodamiento defectuosas (bolas, cilindros rodantes, etcétera)

Eje de ruedas de cojinetes sueltos en el bastidor

Habitualmente 1 x rpm A menudo 2 x rpm Algunas veces 3 y 4 x rpm

Eje con defectos de alineación y torcido

Indices de impacto de cada pieza individual del cojinete. Las vibraciones en frecuencias altas (de 2 a 60 kHz) están a menudo relacionadas con las resonancias radiales de los cojinetes

1 x rpm

Piezas rotatorias desequilibradas

Origen de la avería

Frecuencia de la vibración dominante, Hz = rpm/60

TABLA 39.1. Esquema de localización y reparación de averías

1-

BD PD cos¡3 )

1 =

:~[, [1 - (:~ cos¡3 internos y externos

n = número de bolas o cilindros [, = rps relativas entre los anillos de rodadura

[(Hz)

n

n ( + PD BD cos¡3 ) = 2[' Defectos en las bolas

[(Hz)

Defectos en el anillo de rodadura interna

n [, ( [(Hz) = 2

Niveles irregulares de vibración, a menudo con sacudidas ¡ndices de impacto[(Hz) Defectos en el anillo de rodadura externo

Avería habitual

Causa habitual de un exceso de vibración en la maquinaria

Observaciones

Primordialmente Se pueden producir aflojamientos solamente radial durante la velocidad y temperatura de funcionamiento (por ejemplo, turbomáquinas)

axial

y

Radial

axial

y

Radial

Radial

Direc:ción

O

e O

:o

O ,... O m ,...

:o

...¡

z

O

-< n

C/)

l>

n

...¡

eC/)

n

l>

C/)

l>

O

m O

~

O m

,...l>

e

~

l> Z

N

~

~

w

Ligeramente por debajo de la mitad de la velocidad del eje (de 42 a 48 %)

Velocidad crítica del eje

Frecuencias (rpm del eje x número de dientes) y armónicos del acoplamiento entre dientes

2 x rpm

1. 2. 3 Y4 rpm de la correa

I x rpm y/o múltiplos para desequilibrios de orden superior

Frecuencias y armónicos de paso de aspas y hélices

I x rpm ó 1 ó 2 veces la frecuencia sincrónica

Torbellinos o sacudidas de la capa de aceite en el eje de ruedas del cojinete

Torbellino de histéresis

Engranajes averiados o desgastados

Aflojamientos mecánicos

Correa de transmisión defectuosa

Desequilibrios entre fuerzas alternativas y acoplamientos

Aumento de turbulencias

Vibraciones eléctricamente inducidas

Aplicable a máquinas de alta velocidad (por ejemplo, turbo)

y axial

Radial

y axial

Radial

Primordialmente radial

Radial

Radial y axial

Debería desaparecer al apagar el motor

Un aumento de nivel indica una mayor turbulencia

>

W

....

~

w

»

> ::o

e Z

O

Es posible por lo general identificar el problema exacto con ayuda de un estroboscopio

> 3:

O m

O

o m ,.... m en -i > O

::o O ,....

Z -i

O

(")

También sub e interarmónicos, como en el caso de los ejes de ruedas del cojinete

Las bandas laterales en tomo a las frecuencias de acoplamiento entre dientes indican modulación (o sea, excentricidad) en la frecuencia correspondiente a la holgura de las bandas laterales. Por lo general detectables solamente gracias a un análisis de bandas finas y a un análisis Cepstrum

Primordialmente Las vibraciones producidas al girar al eje a velocidades críticas se mantienen a radial velocidades mayores. Es posible repararlas fijando los elementos del rotor.

Primordialmente radial

39.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

el

Z

O Ü <{ a: UJ

...J

UJ

U

<{

0,1

0,01

0,001

1

.

:®

Mio _.

CD·

·r·-~-·····,

'

VElOdDAD DE 'ROTACrO CID ETC = ARMONICOS MAYORES

800

. ---i

j

=

. 1.000·,:200---':-400- ·',:600

¡

•

-1

~._L_~

1.800

2.000

FRECUENCIA. Hz

FIGURA 39.5. Espectros de aceleración del eje de ruedas del cojinete de un compresor centrífugo. (A) Compresor en buenas condiciones. Antes del apagado, el esquema de vibración es normal, con pocos armónicos de la velocidad de rotación del compresor y un ruido de banda ancha en las frecuencias más altas debido a turbulencias inherentes. (8) Compresor con el eje de ruedas del cojinete suelto. Tras el apagado, los armónicos de orden superior adquieren una amplitud mayor, mientras que pueden observarse armónicos de orden medio.

tación, y como consecuencia la relación de fase entre los cojinetes tanto en dirección horizontal como vertical puede tener grandes diferencias. Armónicos de la línea (red de distribución) de frecuencia

Los componentes vibratorios. relacionados a la frecuencia de la línea de energía (red de distribución) o a la diferencia entre la frecuencia síncrona y la velocidad de rotación, se producen en máquinas eléctricas del tipo de motores o generadores de inducción. Estas vibraciones son debidas a fuerzas electromagnéticas inducidas, y estas fuerzas, que se producen cuando existen averías en la máquina eléctrica, están en relación con el espacio de aire entre el rotor y el estátor y con la corriente. Las averías en las máquinas eléctricas se deben bien al estátor (denominadas averías estacionarias) o al rotor (denominadas averías de rotación), y pueden producirse debido a una variación en el espacio de aire o en la corriente. En la Tabla 39.2 se resume cómo los diversos tipos de averías se reflejan en la franja de bajas frecuencias del espectro de vibración 5.

39.15

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

0,1.-----

{~I····· .. ~··I

....... L- . ... _.J ___ "'j

~-+--_

....- to. ... __._... __I

.H

t-····Jj:f--·.· ...

.,'H"_" '-

_.

..¡

-·ow _. el

.tri--_·· ..~:- ~:.'-_-........ ( :.

...... : 21 Hz: ., 0,01 -_.. _.-l-

a>

-.

~

;

l

ª

_.

..•-1-. -

-2 X OW

1- ~

C!i

.. .JM''':

...

'

r--_..

o

¡

. ..

... .

:::J~-::1

,

f···

w

>

L._

O

20

120 FRECUENCIA. Hz

FIGURA 39.6. Análisis del espectro que muestra el componente debido a un torbellino de aceite al 42 por 100 de la velocidad de rotación medida en el eje de ruedas de un cojinete de una bomba.

En la Figura 39.7 aparece una señal de vibración medida en la pieza rodante del cojinete de un motor eléctrico asíncrono. Mediante la ampliación en la zona de altas frecuencias del componente de 100Hz (o sea, el doble de la línea de frecuencia europea) se puede ver que este componente puede ser diagnosticado como la frecuencia de paso de polos de 100 Hz Yno el2 x velocidad de rotación a 99,6 Hz que podría haber indicado que existía un defecto de alineación. Con esto se demuestra la importancia de que se pueda utilizar el zoom en la zona de frecuencias que contenga un componente de interés. Este zoom proporciona la definición suficiente para que puedan ser distinguidos componentes muy cercanos entre sí. No sirve de ayuda al analizar máquinas o generadores síncronos, pues la velocidad de rotación y la línea (red de distribución) de frecuencia son idénticas. En este caso se debería permitir que la máquina se detenga por inercia. Cuando se haya apagado la corriente los componentes eléctricamente inducidos de rotación desaparecerán, y la frecuencia de los armónicos de velocidad de rotación disminuirá. Las fuerzas de vibración resultantes de la variación efectiva de reluctancia en el circuito magnético en función de la cadencia de paso de muescas del estátor y del rotor estarán presentes incluso en motores en buen estado. Estas vibraciones se producen en los armónicos de las muescas que determina la siguiente ecuación: Imuesca

donde

Imuesca

Rs Irol.

k

= Rsfrol.

±

klred

= frecuencia de paso de muescas = número de muescas del rotor = velocidad de rotación = cero o número par

lred =

frecuencia de la red de distribución (línea)

39.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 39.2. Vibraciones «de rotacióOl) y «estacionarias)) magnéticamente inducidas en motores de inducción

Causa habitual Clase de problema

Frecuencia sintomática de vibración

Variaciones en el huelgo de aire

Variaciones en la corriente

Estacionario

2 X frecuencia lineal

Excentricidad estática, debilidad en el soporte del estátor

Errores de bobinado del estátor

En rotación

1 X rpm con 2 frecuencias de deslizamiento lateral

Excentricidad dinámica, rotor torcido, segmentos del rotor sueltos

Segmentos rotos o agrietados, o laminaciones acortadas del rotor

Los componentes de vibración de baja frecuencia pueden diferenciar entre los problemas derivados del estátor y los del motor. No indican, sin embargo, si las averías tienen su origen en los espacios de aire o en la corriente. Los componentes armónicos de las muescas, como indica la Tabla 39.3, se comportarán por el contrario de modo diferente según si el origen de la avería es debido a variaciones en el espacio de aire o en la corriente. La Figura 39.8 muestra como por medio del empleo del zoom alrededor de los armónicos de las muescas se pueden observar las bandas laterales al doble de su frecuencia, dando la posibilidad por tanto de diagnosticar la existencia de segmentos partidos en el rotor. Como alternativa al empleo del análisis de señales de vibración, se puede utilizar el de señales de corriente del motor con el fin de controlar varias clases de averías. Es una medida más directa de todo tipo de problemas eléctricos y, con ayuda de algoritmos, permite por ejemplo determinar con bastante exactitud el número de segmentos partidos del rotor. En la Referencia 6 se cita cómo pueden también detectarse fenómenos tales como el desgaste de engranajes, de dientes, y de degradaciones de la turbina de vapor (en válvulas que funcionan por medio de motores). También se hace mención a la aplicación de esta técnica en motores de corriente continua.

Armónicos superiores de la velocidad de rotación

Los armónicos superiores de la velocidad de rotación se producen por lo general cuando las frecuencias características son un múltiplo de la velocidad de rotación de la máquina. Por ejemplo. en los casos de cajas de engranajes, compresores y turbinas, donde la vibración se produce según múltiplos del número de dientes, álabes, lóbulos, etcétera. Un aumento de los componentes tales como frecuencias de engranaje de dientes o de paso de álabes indican un deterioro que actúa en todos los dien-

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.17

FRECUENCIA, Hz

FIGURA 39.7. Estudio del espectro empleando un análisis de la frecuencia de zoom en torno al componente de 100 Hz, medido en la pieza rodante del cojinete de un motor eléctrico asíncrono. Obsérvese la presencia simultánea de la frecuencia de paso (100 Hz) y del segundo armónico de la velocidad de rotación (99,6 Hz). Una resolución menor no permitiría su separación.

tes o álabes, o sea, un desgaste unifonne o un aumento de turbulencias, respectivamente. A veces se pueden observar «componentes fantasma» en los espectros de vibración obtenidos en las mediciones realizadas en las cajas de engranajes, que se reflejan como frecuencias de engranaje entre dientes, pero en frecuencias en las que ningún engranaje de la caja posee el número correspondiente de dientes. Estos componentes se deben a averías en el proceso de tallado que han sido transmitidas a este nuevo engranaje. Por el hecho de ser averías geométricas, no son sensibles a la carga, ni aumentan con el desgaste, sino que a medida que va desgastándose el engranaje, tienden a disminuir con el tiempo. Las frecuencias de los componentes son un múltiplo del número de dientes en la rueda de referencia y, por tanto, se muestran como annónicos de velocidad de rotación del engranaje averiado.

Formas de bandas laterales debidas a modulaciones

Las modulaciones, que pueden ser a menudo apreciadas en mediciones de cajas de engranajes, son debidas a excentricidades, a variaciones en el espaciado entre los dientes de la caja, a errores de paso, a la variación de carga, etcétera. Se reflejan en grupos de bandas laterales rodeando la frecuencia de engranaje entre dientes con un espaciado igual a la frecuencia de modulación (o sea, a la velocidad de rotación del engranaje defectuoso en un engranaje excéntrico). En la Figura 39.9a aparece la distribución de este tipo de bandas laterales. Cualquier engranaje de la caja puede

Radial

Radial

Radial

Radial

2 x frecuencia de línea

2 x frecuencia de línea y componentes espaciados en 2 x frecuencia de línea alrededor de 1 kHz 1 x rpm con 2 x frecuencias laterales de deslizamiento y componentes a w x [«nR, ± k,) x (1 slP) ± k¡) 1 x rpm con 2 x frecuencias laterales de deslizamiento y componentes similares a los mostrados anteriormente respecto a la excentricidad dinámica, añadiendo 2 x frecuencias laterales de deslizamiento en torno a los armónicos de las muescas

Debilidad o aflojamiento del soporte del estátor, Resistencia de fase o lados de la bobina desequilibrados, Laminaciones o curvas del estátor acortadas

Laminaciones del estátor sueltas

Excentricidad dinámica

Segmentos del rotor rotos o agrietados Segmentos del rotor sueltos Laminaciones acortadas del rotor Imperfecciones en las uniones entre los extremos de los anillos

Radial

2 x frecuencia de línea y componentes a w X [nR, (1 - s)lp ± k¡)

Excentricidad estática

Las frecuencias laterales de deslizamiento pueden ser de bajo nivel, precisando de una amplia gama dinámica así como de una selección de frecuencias en los instrumentos de medida. Los espectros típicos aparecen en el apéndice, que muestra como estos componentes en la zona de armónicos vibratorios principales de las muescas poseen también frecuencias laterales de deslizamiento

Resultante de curvaturas, descentramientos o calentamientos locales del rotor (la vibración empeora a medida que el motor se va calentando)

Puede tener una gran amplitud pero no ser destructiva normalmente

Es difícil distinguir entre los casos de este grupo empleando simplemente el análisis de vibración, aunque se producirán tanto con carga como sin ella

Denominada «hierro suelto»

Resultante de una alineación interna imperfecta, de desgastes en el cojinete, o de calentamientos locales en el estátor (la vibración empeora cuando el motor se calienta)

TABLA 39.3. Guía de localización y reparación de vibraciones en motores de inducción

O

O

!;;

m r:o

O

r-

O

;j

z

O

-< n

~

::!

~ eC/)

C/)

~

m O

3:

om

> r-

z> e

3:

00

~

~

w

39.19

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA ,

-30

-~

¡;¡:::::z x frecuencias laterales de deslizamiento

-40 -50 al "O

z· O Ü

-60

w w

-70

< a: ...J

U

< -80

1

11III

I~~ ~ ~~ 'r 1 1

1

I

~~ll~

~~d

IIJ~~'

IIJJ~

~ ~ '"

1

-90 -100

775

780

785

790

795

BOO

805

810

815

820

Frecuencia. Hz

FIGURA 39.8. Espectro de zoom centrado en la segunda vibración principal de los armónicos de las muescas, mostrando 2 x frecuencias laterales de deslizamiento del componente de esta frecuencia.

dar origen a modulaciones, y para diferenciar todas las bandas laterales posibles se debe llevar a cabo un análisis suficientemente definitorio que detecte incluso las velocidades más pequeñas de rotación en la caja, siendo indispensable el uso del zoom. Las averías localizadas, tales como los dientes agrietados o rotos del engranaje, aparecen también como un grupo de bandas laterales con un espaciado igual a la velocidad de rotación del engranaje averiado. Las bandas laterales que muestra la Figura 39.9b son de bajo nivel y cubren una amplia gama de frecuencias. Es muy común que la influencia de la vía de transmisión modifique la forma de las bandas laterales, impidiendo la realización de un diagnóstico preciso 7. Los errores localizados en turbinas (por ejemplo, las aspas desaparecidas o distorsionadas) provocan un grupo similar de armónicos y bandas laterales 8,9. Armónicos no relacionados armónicamente con la velocidad de rotación

Las formas del espectro que sugieren armónicos no relacionados armónicamente con la velocidad de rotación aparecen por lo general cuando se producen averías localizadas en las piezas rodantes de los cojinetes 10,11. Un fallo localizado produce un impulso que posee una cadencia repetitiva igual a las frecuencias características del cojinete: frecuencia de paso de bolas por el canal de rodadura externo, por el interno, y frecuencia de rotación (véase la Tabla 39.1). Estas averías aparecen como una serie de armónicos separados por la frecuencia de impacto con una amplitud pro-

39.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

e

/

« e (A)

g ...J

UJ

>

TIEMPO

e

« e (S)

f FRECUENCIA

~

g ...J

UJ

>

I

..J

I J

TIEMPO

f FRECUENCIA

FIGURA 39.9. Distribución de las bandas laterales de fallos repartidos y localizados del engranaje. (A) En caso de averías repartidas, las bandas laterales son de nivel alto y se agrupan alrededor de la frecuencia y de los armónicos del engranaje de dientes con un espaciado igual al de la velocidad del engranaje averiado. (B) En caso de averías localizadas (como dientes rotos o agrietados), las bandas laterales son de nivel bajo y se extienden ampliamente a lo largo de una gran gama de frecuencias.

porcional al espectro de un único impulso. Como se aprecia en la Figura 39.10, este impacto tiende a hacer vibrar cualquier resonancia estructural de la gama de frecuencias cubierta, enfatizando de este modo las formas de armónicos que rodean a estas resonancias. De este modo se logran establecer dos métodos para detectar averías en las piezas rodantes de los cojinetes: (1) consiguiendo la frecuencia básica de impacto en la gama de bajas frecuencias, lo cual es difícil a menudo debido a que esta frecuencia fundamental es normalmente bastante pequeña y se pierde entre otros componentes vibratorios del entorno, y (2) consiguiendo la silueta armónica de la frecuencia de impacto en la franja de altas frecuencias, en las que vibran las resonancias, lo cual puede ser también costoso debido a que las fluctuaciones de velocidad tienden a difuminar estos componentes. TECNICAS ESPECIALES DE ANALlSIS

En la Tabla 39.4 se resumen las aplicaciones de las distintas técnicas de análisis descritas a continuación. Detección de la envolvente

La detección de la envolvente (en el Capítulo 8 se trata sobre los detectores de envolventes) es de particular utilidad para diagnosticar averías en la maquinaria, pues permite la eliminación de las señales emitidas por la vibración del entorno y concentra su atención en la gama de frecuencias que muestra con mayor énfasis la for-

39.21

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

~ Ü

¡..
.---....:T----.~I••---..1.T----+l~1

I

I

(A)

(

~ ~~%~%--__------JAA~~%~ft~ft---------:AAftftft \}UV~T~EMPO \}UV'

c(

ESPECTROS al "O

O

ESPECTRO DE ENERGIA DE UN IMPULSO AISLADO

cr:

I

Z

~

W

1\

ESPECTRO LINEAL DE REPETIDOS I*'WERIODICAMENTE

I ¡.. ....,.~IMPULSOS

""I~

(B)

.

...J

W

U

c(

w

O

...J

W

>

Z

, T

FRECUENCIA

FIGURA 39.10. Consecuencias de una avería localizada en la pieza rodante de un cojinete. (A) Respecto al tiempo se produce un impacto repetido con un período T. (B) Respecto a la frecuencia este impacto repetido produce un espectro lineal que se extiende hasta frecuencias muy altas (cuanto más breve sea el impacto, mayor será el rango de frecuencias). El espaciamiento de la frecuencia de estas líneas es igual a su impacto 1fT. Cualquier resonancia estructural provocada en esta gama de frecuencias se reflejará en una subida como la reflejada en este gráfico.

ma armónica de la frecuencia de impacto, una resonancia de la estructura producida por el impulso. Este proceso puede ser llevado a cabo bien por métodos analógicos o digitales 11. En la Figura 39.11 aparece el proceso analógico. La señal sufre primero un filtro de paso de banda alrededor de la gama de frecuencias en la que se ha detectado un aumento significativo de bandas anchas, como se refleja en la Figura 39.11b y d (normalmente se han producido resonancias de entre 2 y 20.000 Hz). La señal filtrada (que en este momento contiene solamente el repiqueteo de la resonancia seleccionada causada por los repetidos impactos, Figura 39.1 le) es rectificada y estudiada de nuevo en la franja de bajas frecuencias con el fin de determinar la frecuencia de repetición de impactos, como muestra la Figura 39.11e y f Las ventajas de la detección de la envolvente son las siguientes: 1. El empleo de filtros de paso de banda elimina el ruido del entorno causado

por otras fuentes de vibración (por ejemplo, de desequilibrios o vibración del engranaje). Lo único que permanece es la tasa de repetición de impactos que produce la resonancia estructural, probablemente con amplitud modulada. 2. No es preciso realizar un análisis de alta frecuencia, ya que solamente es relevante la envolvente de la señal, no la señal en sí misma, que puede elevarse en cientos de kilohertzios. 3. Es posible realizar un diagnóstico, pues las frecuencias del impacto vienen determinadas y pueden ser relacionadas con la fuente específica (la frecuen-

Raspaduras, impactos, rebabas, dientes agrietados Cojinetes de piezas rodantes, máquinas de aspas, cajas de engranajes Cojinetes de piezas rodantes, máquinas eléctricas, cajas de engranajes Máquinas eléctricas, máquinas alternativas, cajas de engranajes, etc.

Modelos de desviación operativa. Detección de aumento del tamaño de las grietas en el eje. Desequilibrios Visualización de la forma de onda para identificar la distorsión Identificación y separación de grupos de armónicos. Identificación y separación de grupos de bandas laterales. Demodulación de amplitud. Observación de la modulación de amplitud de una frecuencia baja en una alta Mejora de la relación entre señal y ruido. Análisis de la forma de onda. Distinción de los efectos producidos por máquinas cercanas. Distinción de los efectos producidos por los diferentes ejes. Distinción de las vibraciones inducidas eléctrica o mecánicamente Examen de la resonancia Análisis de señales inestables

Fase

Señal de tiempo

Cepstrum

Análisis de la envolvente

Cálculo de tiempo medio síncrono

Examen de impactos

Análisis de exploración

Recorrido rápido/prórroga

Apoyos, cojinetes, acoplamientos, engranajes

Máquinas eléctricas, cajas de engranajes, turbinas

Separación de las partes colocadas excesivamente cerca. Mejora de la relación entre señal y ruido, separación entre resonancias y tonos puros

Zoom

Técnica

A vería/máquina

Aplicaciones habituales de las diversas técnicas de análisis Aplicación

TABLA 39.4.

~

ao

e

::o

r-

om

or-

z ;1

O

()

-<

~ Ul

-t

Ul

e

» ()

~Ul

O

m

~

om

» r-

e

z

»

N

w CD N

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

ESPECTRO DE FRECUENCIA

SEÑAL TEMPORAL NO FILTRADA (A)

5 kHz O

O

~ a::

~ w

(B)

FRECUENCIA

z

z

U

o kHz

39.23

(O)

U c( a:: w

TIEMPO

c(

~

~ '----I--""""-F=-=R:-cE--cC-U...,.E-NC·IA ESPECTRO ENVOLVENTE

(F)

TIEMPO 2 kHz FRECUENCIA

FIGURA 39.11. Principio de detección de la envolvente analógico aplicado al análisis de impactos debidos a errores en la pieza rodante del cojinete. (A) Señal temporal no filtrada. (B) Espectro correspondiente de frecuencias. (El espectro señalado con puntos indica la posición del espectro antes de la existencia de la avería. Obsérvese el aumento de amplitud de banda causado por la vibración de resonancia del defecto del cojinete.) (e) Espectro de frecuencias tras la aplicación de un filtro de paso de banda en la franja en la que se ha detectado el cambio producido por el cojinete de bolas. (O) Señal temporal correspondiente a c; refleja el repique de una resonancia vibratoria periódica. (E) Envolvente de la señal temporal de d. (F) Análisis de baja frecuencia de la envolvente de e, restituyendo la tasa de impacto debida a la avería.

cia de paso de bolas por el canal de rodadura externo, por el canal de rodadura interno, frecuencia de rotación, frecuencia fundamental del tren de engranajes, o cualquier otro origen de impactos repetitivos, como por ejemplo un diente agrietado en un engranaje). En la Figura 39.12a y b aparecen los espectros de aceleración entre O y 25 kHz de un cojinete en buen estado y de otro averiado. Obsérvese que el espectro es bastante más alto en el cojinete en buen estado que en el averiado, lo que confirma que no se deberían realizar mediciones comparativas entre distintos puntos de medición o diferentes máquinas. Los niveles absolutos de vibración no proporcionan indicaciones satisfactorias del estado de la máquina, pues solamente los cambios de nivel son relevantes. Cualquier método simple de detección de fallos en el cojinete, como la medición de impulsos de impactos, la energía de impulsos parásitos, la curtosis o el factor de amplitud, es difícil dedetectar en esta máquina en concreto, pues un sistema de lubricación forzada emitía impulsos repetitivos a una frecuencia de 5,4 Hz, independientemente de la velocidad de rotación, dominando como consecuencia la señal total de vibración. En la Figura 39.12c y d aparece el análisis de la envolvente para los cojinetes en buen estado y averiados, obtenidos tras zoom alrededor de los 5.400 Hz, con una extensión de frecuencia de 800 Hz. El único factor relevante del cojinete en buen estado proviene del sistema forzado de lubricación. Por el contra-

39.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~-------

U --

<

a:

(B) -

~------~-

~----------~~

UJ ...J UJ

U

< FRECUENCIA, kHz

FRECUENCIA, kHz

FRECUENCIA. kHz

FRECUENCIA, kHz

FIGURA 39.12. (A) Espectro de aceleración de un cojinete en buen estado en la gama de frecuencias de Oa 25 kHz. (B) Espectro de aceleración de un cojinete averiado en la gama de frecuencias de O a 25 kHz. (e) Espectro envolvente en la gama de 100 Hz de la señal de A; el análisis de zoom se centra en 5.408 Hz y tiene una extensión de frecuencia de 800 Hz. (O) Espectro envolvente en la gama de 100 Hz de la señal de 8; el análisis de zoom se centra en 5.408 Hz y tiene una extensión de frecuencia de 800 Hz.

rio, el resultado del análisis de la envolvente de los cojinetes averiados ofrece una silueta compleja, haciéndose absolutamente necesaria la información de frecuencias para confirmar si existe o no una avería en las bolas del cojinete. En él aparecen las siguientes frecuencias: 5,4 Hz (tasa de repetición del sistema de lubricación forzada en el cojinete real y sus armónicos), 6,4 Hz (tasa de repetición del sistema de lubricación forzada en los cojinetes adyacentes y sus armónicos), y 15,43 Hz (frecuencia de paso de bolas por un canal de rodadura externo defectuoso y sus armónicos).

Aplicación del análisis Cepstrum

La utilización del análisis Cepstrum (que viene explicado con más detalle en el Capítulo 8) reviste una particular importancia para detectar periodicidades en el espectro de potencia (por ejemplo, en las formas de armónicos y de bandas laterales), ya que proporciona una medición precisa del espaciado entre las frecuencias de sus componentes HUI. En la Figura 39.13 aparece el espectro y el correspondiente análisis Cepstrum de una medición realizada en una caja auxiliar de engranajes propulsora de un generador y de una bomba de aceite impulsada por una turbina de gas. Cuando surge un fallo en uno de los cojinetes, aparece el primer armónico y va aumentando en una frecuencia idéntica al espectro recíproco del espectro de frecuencias correspondiente a un defecto en el canal de rodadura externo de uno de los cojinetes. Otra de las ventajas del análisis Cepstrurn queda reflejada en el hecho

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

ESPECTROS (A)

39.25

ESPECTROS CEPSTRUM (B)

al

0,1

"O

g'" 0,01 U c(

a: w w

...J

24AGO 81

U

w

O

c(

o

2

4

6

FRECUENCIA. kHz (A)

8

10 FRECUENCIA CEPSTRUM, m/seg (B)

FIGURA 39.13. Análisis de vibración de una caja de engranajes auxiliar antes y después de la aparición de una avería en uno de sus cojinetes'o. (A) Análisis del espectro; (B) análisis Cepstrum correspondiente.

de que uno de sus componentes representa el contenido de «potencia» global de un grupo completo de armónicos o bandas laterales. En la Figura 39.14 aparece la evolución en términos temporales de dos componentes de frecuencia diferente de los espectros de la Figura 39.13. La Figura 39.14a representa la evolución del componente armónico a 7.640 Hz, que muestra una cIara curva ascendente, así como la evolución del componente a 5.620 Hz., con una línea bastante horizontal. La Figura 39.14b refleja los cambios del primer armónico del cepstrum, mostrando la evolución efectiva de una avería en un rápido ascenso seguido de una estabilización, típica de la raspadura en una pieza rodante del cojinete. La detección envolvente y el análisis Cepstrum hacen posible determinar con exactitud las frecuencias afectadas y son por lo tanto métodos muy útiles para controlar el estado de las máquinas industriales, permitiendo un diagnóstico fiable de averías. De la misma forma, el análisis cepstrum es considerado como un valioso parámetro de control para el estudio de la aparición de averías (por ejemplo, las producidas en las piezas rodantes de los cojinetes y las que producen daños en las aspas de turbinas) que se reflejan en grupos de armónicos o bandas laterales. Aplicación del análisis de vibración interrumpida en máquinas alternativas

Las señales vibratorias de las máquinas alternativas (como los motores diesel, los compresores alternativos, las bombas hidráulicas y los motores de gas) se diferencian de las de las máquinas de rotación en que no son estacionarias. Por el contrario, constan de impulsos cortos que se producen en momentos y ocasiones diferentes (la apertura y el cierre de válvulas, el golpeteo de pistones, la combustión, etcétera) y

39.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

30

• I

•

••

1,

-.•

, •

(A)

•

••

COMPONENTE DE FRECUENCIA DE 7,64 kHz.=. COMPONENTE DE FRECUENCIA DE 5,62 kHz.=.

JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. ENE. FEB. MAR. ABR. FECHA DE MEDICION

...

-- •

_a

...

--

-

.-

(B)

COMPONENTE BPFO CEPSTRUM = •

JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. ENE. FEB. MAR. ABR. FECHA DE MEDICION

FIGURA 39.14. (A) Desarrollo de la avería ilustrada en la Figura 13.13, empleando como parámetros los armónicos 7.640 y 5.620 Hz. (B) Curva de tendencia correspondiente empleando el componente Cepstrum como parámetro, que refleja una evolución fluida 10.

se repiten con el mismo intervalo de tiempo en cada nuevo ciclo de la máquina. Si estas señales se continúan repitiendo cíclicamente en un período de tiempo mayor, como suele ser práctica común en el análisis de las máquinas rotatorias, estos casos individuales llegarían a un término medio que no permitiría la detección del cambio. En máquinas alternativas diferentes hechos pueden ocasionar distintas resonancias en una estructura, cuyas frecuencias resultantes proporcionan una información valiosa para el diagnóstico. La medición temporal también proporciona una información igualmente valiosa, debido a que el momento en que se produce un hecho puede encontrarse directamente relacionado a lo que se está realmente produciendo en el ciclo de la máquina. En el análisis de vibración interrumpida la señal vibratoria es analizada en varios ángulos del cigüeñal con el fin de cubrir un ciclo completo de la máquina en un plano tridimensional 12 • El analizador es conectado por medio de una señal activadora una vez por cada ciclo. A continuación se altera el retraso de la activación para proporcionar una superposición de ondas adecuada. Este proceso continúa hasta que se da por finalizado un ciclo completo. Obsérvese que cada espectro representa

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.27

realmente la media de muchos ciclos de máquinas por cada retraso. En este proceso se obtiene la media de diferencias entre los distintos ciclos de las máquinas. Un método alternativo al de vibración interrumpida es el de potencia de sonido interrumpida, mucho más adecuado para el control sonoro y las pruebas de calidad 13• ANAL/SIS DE TENDENCIAS El análisis de tendencias emplea gráficos de parámetros relacionados de control respecto a tiempo (fechas u horas de funcionamiento) con el fin de determinar cuándo dichos parámetros pueden llegar a exceder un límite dado. El objetivo de un buen programa de control del estado de máquinas consiste en predecir el momento en que se producirá una avería inesperada con gran antelación a su aparición real, con el fin de detener la máquina a tiempo, reparar las partes defectuosas y, por tanto, minimizar la cantidad de tiempos muertos. Como todos los criterios de vibración indican que los cambios idénticos en una escala de logaritmos se corresponden a cambios de igual importancia, los datos de un análisis de tendencias deberían ser trazados en una escala de logaritmos en decibelios. Ocasionalmente es posible conseguir una tendencia lineal en una escala de logaritmos, pero la tendencia real puede seguir otras pautas. Por ejemplo, cuando la avería avanza en dirección de deterioro (por ejemplo, desgaste de engranajes), la tendencia, reflejada en una escala de logaritmos, puede ser entonces exponencial. En algunos casos la avería cambia súbitamente sus pasos finitos (por ejemplo, una raspadura causada por deterioro gradual por debajo de la superficie), haciendo muy diffcilla extrapolación para determinar la fecha de desconexión. Para asegurar un correcto análisis de tendencias, deberían tenerse en cuenta las siguientes precauciones: 1. Determinar una tendencia basada en mediciones de un parámetro directa-

mente relacionado con un tipo específico de avería, no en la medición de niveles globales. 2. Diagnosticar las averías antes de tratar de interpretar la curva de tendencias con el fin de (a) seleccionar el parámetro apropiado para la clase de error que se intenta controlar (por ejemplo, dicho parámetro podría ser el nivel de un componente concreto o de un componente cepstrum, o una gama seleccionada de frecuencias), y (b) interpretar críticamente los resultados del análisis de tendencias con el propósito de determinar si es adecuada una interpolación lineal o exponencial. 3. Tener en cuenta que la mejor estimación del plazo de espera se obtendrá empleando una tendencia relativa a las mediciones más recientes.

39.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

EMPLEO DE ORDENADORES EN PROGRAMAS DE CONTROL DE ESTADO DE LAS MAOUINAS Los ordenadores pueden resultar de gran ayuda en un programa de control de estado de máquinas a la hora de manejar, archivar y almacenar datos y para realizar cálculos tediosos, tales como la comparación de espectros y el análisis de tendencias. Un programa de control de maquinaria que incorpore cálculos informatizados debe incluir: 1. Un aparato de grabación para el almacenamiento de las señales analógicas de

tiempo o los espectros de frecuencia. En la instalación de un sistema de control permanente, la señal analógica de tiempo se encuentra directamente conectada a los siguientes elementos. 2. Un analizador que realice estudios FFf de bandas finas y técnicas avanzadas de diagnóstico (con zoom y cepstrum) en lo relativo a diagnósticos, e investigaciones de amplitud de banda de porcentaje constante para la detección de averías. (Cuando no se incluye este último estudio, puede realizarse la transformación de FFf a amplitudes de banda de porcentaje constante en el ordenador.) Algunos analizadores pueden ser utilizados además como grabadores. 3. Un ordenador y el software apropiado con el fin de obtener (a) la gestión del programa de mediciones, incluyendo el trazado del itinerario, y el almacenamiento de los espectros y cepstros tanto investigados como nuevos; (b) la comparación entre espectros y la impresión de cambios relevantes, y (c) el análisis de tendencias de cualquier parámetro escogido (de componente concreto o de nivel global en una gama de frecuencias dada). En un sistema de control permanente este proceso completo (o sea, el nuevo análisis) se realiza automáticamente con una cadencia predeterminada, que va ajustándose a medida que aparece la avería.

REFERENCIAS 1. M. Neale y cols., «A Guide to the Condition Monitoring of Machinery", Department of Industry Committee for Terotechnology, Her Majesty's Stationery Office, Londres, 1979. 2. J. S. MitchelI, An lntroduction to Machinery Analysis and Monitoring, Penwell Publishing Company, Tulsa, 1981. 3. E. Downham y R. Woods, «The Rationale of Monitoring Vibration in Rotating Machinery in Continuously Operating Process Plant». ASME paper n.o 71-Vibr-96, 1971. 4. J. S. Shore, «Turbomachinery Problems and Their Correction», en J. W. Sawyer y K. Halberg (eds.), Sawyer's Turbomachinery Maintenance Handbooks, Turbo International Pubn., vol. 11,1981, cap. 7. 5. A. H. Bate, «Vibration Diagnostics for Industrial Electric Motor-Drives», Brüel and Kjaer application note. 6. R. C. Kryter y H. D. Haynes, «Condition Monitoring of Machinery Using Motor Current Signature Analysis», Sound and Vibration, septiembre, 1989.

CONTROL DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA

39.29

7. R. B. Randall, «A New Method of Modeling Gear Faults», AS ME paper n.o 81, Sept-lO, junio 1981. 8. G. Sapy, «Une Application du Traitement Numérique des Signaux au Diagnostic Vibratoire de Pannes-Ia Detection des Ruptures d'Aubes Mobiles de Turbines», Automatisme, tomo XX, n.o 10, octubre 1975. 9. D. Barschdorff, W. Hensle y B. Stühlen, «Neue Ergebnisse der Akustischen Uberwachung von Betriebsdampfturbinen», VGB Kraftwerkstechnik 59, junio 1979. 10. P. Bradshaw y R. B. Randall, «Early Detection and Diagnosis of Machine Faults on the Trans Alaska Pipeline», MSA session, ASME Conference, Dearborn, Mich., sept. 11-14 1983. 11. J. Courrech, «New Techniques for Fault Diagnostics in Rolling Element Bearings», Proc. 40th Meeting ofthe Mechanical Fai/ure Preventive Group, National Bureau of Standards, Gaithesburg, Md., 16-18 de abril de 1985. 12. J. Courrech, «Examples of the Application of Gated Vibration Analysis for the Detection of Faults in Reciprocating Machines», Noise and Vibration '89 Conference, Singapur, 16-18 de agosto de 1989. 13. P. Rasmussen y T. L. Moller, «Gated Sound Intensity Measurements on a Diesel Engine», Brüel and Kjaer application note.

Capítulo

40

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA Colin G. Gordon Robert S. Jones

INTRODUCCION

Este capítulo describe técnicas útiles para reducir el ruido de la maquinaria o el equipamiento, que no requieren una modificación de estos equipos. Se presenta una lista de las diversas técnicas de control del ruido que pueden aplicarse. Varios de estos métodos se comentan en este capítulo, incluyendo el uso de barreras interiores, cerramientos parciales alrededor del equipamiento y cerramientos completos. Se hacen referencias a otros capítulos que describen en detalle métodos específicos para reducir el ruido generado por maquinaria o equipamiento, como por ejemplo: reducción de las fuerzas de impacto (Capítulo 27); aplicación de amortiguación de la vibración (Capítulo 28); uso de aisladores de vibración (Capítulo 29); aplicación de materiales absorbentes del sonido (Capítulo 30); selección apropiada de particiones, que es importante en el diseño de las cubriciones para maquinaria (Capítulo 31); control del ruido transmitido por la estructura (Capítulo 32); el control del ruido de los motores eléctricos (Capítulo 34), ruido de transformadores (Capítulo 35), ruido de engranajes (Capítulo 36), ruido de cojinetes (Capítulo 37), ruido de ventiladores (Capítulos 41 y 44) Yruido del flujo de fluidos (Capítulo 45).

CONCEPTO DE SISTEMA DE CONTROL DEL RUIDO

El control del ruido es básicamente un problema de un sistema, en que pueden modificarse sus distintos componentes para lograr un resultado final particular. Habitualmente, los problemas en el control del ruido pueden representarse mediante un sistema del tipo ilustrado en la Figura 1.15, que contiene sus tres partes principales: la fuente, la vía y el receptor. 40.1

40.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Fuente

Consideremos el sistema relativamente simple que muestra la Figura 40.1, que representa una fuente de ruido (como una fotocopiadora) en un ambiente típico de oficina. La fuente irradia sonido que es transmitido por el aire, tanto a través de las aberturas para entrada y salida de la ventilación, como a través de la cubierta de la máquina; la fuente también irradia energía transmitida a través de la estructura de sus apoyos.

Vía de transmisión

El sonido transmitido por el aire, irradiado a través de las aberturas para ventilación y la cubierta de la máquina, se propaga a lo largo de las vías a y b de la Figura 40.1. El ruido transmitido por la estructura puede seguir la vía denominada como c, a través del suelo hasta que llega a particiones relativamente ligeras, poniéndolas en vibración y emitiendo a su vez ruido que, por último, alcanza al receptor por una vía de transmisión aérea. El ruido que se propaga por las distintas vías posee características de frecuencia diferentes. Por lo general, cada uno de estos ruidos ha de reducirse en distinta medida para lograr una solución económica al problema de control del ruido.

t-

Fuente-.¡.. ...c - - - - - - - - - Via de transmisión - - - - - - -.....¡-I.~ Receptor--1

Aberturas (a) de ventilación

Cubierta de la máquina

(b)

- -

- - - -- - - - 1121 Cerrlmiento l I con amortigua-

1dores I~adido 1

-

Apoyos dela máquina

- --

1131 Condueto.1 Vía de transmisión aérea ~5)M;er¡al8s1 1absorbentes . 1absorbentes ~ lreflelada sobre el techo) 1 ____ del sonido - 1 1 del sonido 1

(e)

----

,.... - - - 1 1 141 Aisladores

Vía de transmisión aérea

~6)T;~ne-; 1

(vía aérea directa)

1 1

1 1

Vía de transmisión a través de la estructura

I de la vibración I

- -

- -

-

~

1-----1 ¡(1) Máquinal

nueva

de los oídos

- - - - ...

: Posibles medidas de control adicionales

- y--

1

1 17) Horario 1 1restringido 1

1- _ _ _ _

FIGURA 40.1. Diagrama de bloques del sistema de control del ruido comentado en el texto, mostrando las fuentes, vías de propagación de la energía [(a), (b) y (e)) y posibles métodos de control del ruido.

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

40.3

Receptor

El receptor puede ser una persona (p. ej., el operario de una máquina, un trabajador en una oficina o una fábrica), o puede ser un elemento delicado de un equipamiento cuyo funcionamiento puede verse afectado negativamente por el ruido y la vibración. PROCEDIMIENTO DE CONTROL DEL RUIDO PARA LOGRAR UNA SOLUCION ECONOMICA

Para seleccionar un tratamiento de control del ruido económico y adecuado (como el ilustrado en la Figura 40.1), deben seguirse los siguientes pasos: Paso l. Determinar la contribución del ruido que se propaga por cada una de las vías entre la fuente y el receptor. Esta contribución puede calcularse en términos de niveles de presión sonora de bandas de octava, como ilustra la Figura 40.2. (En este ejemplo, se asume que el ruido ambiental es lo suficientemente bajo como para ser ignorado.) El espectro en bandas de octava denominado «ruido total» representa el espectro en el receptor cuando el equipamiento está funcionando antes de que se hayan introducido medidas de control del ruido. El espectro en bandas de octava denominado «transmitido por el aire reflejado» representa el resultado de las mediciones tomadas cuando la energía transferida a lo largo de las vías b y c se ha eliminado. Por ejemplo, la transferencia de energía a través de la vía b puede eliminarse mediante la instalación temporal de una barrera que proteja efectivamente la fuente del receptor. La energía que se transmite a través de la vía c puede eliminarse aislando el equipamiento del suelo sobre el que se apoya. El espectro en bandas de octava denominado «transmitido por el aire directo» representa el resultado de las mediciones tomadas cuando la energía que se transmite a través de las vías a y c ha sido eliminada, de manera que el único sonido que llega al receptor es el propagado a través de la vía aérea directa entre la fuente y el receptor. Este espectro se obtiene tomando medidas de la máquina en campo libre; puede evaluarse cubriendo todas las superficies de la habitación con material muy absorbente, eliminando por tanto la propagación a lo largo de la vía a. La energía que se transmite a través de la vía c puede eliminarse, como en el caso anterior, aislando el equipamiento del suelo. El espectro en bandas de octava denominado «transmitido por la estructura» representa el resultado de las mediciones tomadas cuando la fuente de ruido está completamente rodeada por un cerramiento muy efectivo que elimina la contribución del ruido transmitido por el aire a lo largo de las vías a y b. Las medidas de la vibración sobre superficies cerca del receptor pueden usarse para estimar las contribuciones debidas a la vía de transmisión por la estructura, a partir de la relación entre la vibración de la superficie y la presión sonora dada en la Figura 32.18. Paso 2. Elegir un objetivo de diseño. El objetivo del diseño (el espectro de

40.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

60 ftJ

O-

::1.

o

N

e

al

50

~



~o ~

40

ftJ

~

c: ftJ

.o Q) ~

~

o c: o

30

'"

c: 'o '¡¡;

ea.

20

Q) ~

a¡ >

Z 10 63

125

250 300 1000 2000 4000 Frecuencia central de banda de octava. Hz

8000

FIGURA 40.2. Espectros en bandas de octava para el sistema de la Figura 40.1 mostrando: (1) el espectro del sonido transmitido por el aire que llega al receptor mediante reflexión, vía 8; (2) el espectro del sonido transmitido por el aire que llega al receptor directamente, sin reflexiones, vía b; (3) el espectro del sonido transmitido por la estructura que llega al receptor mediante la vía e; (4) el espectro del sonido total que llega al receptor por las vías de transmisión aérea y de la estructura, y (5) el objetivo del diseño; en este ejemplo, NC 35.

presión sonora en bandas de octava que se quiere conseguir) depende de la naturaleza del equipamiento, el entorno en que está localizado y la naturaleza de los requisitos. Por ejemplo, en un entorno industrial, el objetivo del diseño puede ser lograr un espectro de ruido que cumpla con las normativas gubernamentales; en un ambiente exterior, el objetivo del diseño puede ser un espectro de ruido que satisfaga una ordenanza local; en un ambiente de oficina, el objetivo del diseño suele ser un espectro de ruido que asegure unas normas aceptables de comodidad y comunicación hablada. La Tabla 43.1 presenta los objetivos de diseño típicos para distintos locales. Estos pueden utilizarse con las curvas NC, ilustradas en la Figura 43.2, o las curvas RC, que se muestran en la Figura 43.5, para obtener el espectro en bandas de octava requerido. En este ejemplo, se eligió un objetivo de diseño de NC 35, cuyo espectro en bandas de octava se muestra en la Figura 40.2. Paso 3. Determinar la reducción del ruido precisa en cada banda de octava con el fin de lograr el objetivo de diseño. La reducción del ruido necesaria viene

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

40.5

dada por la diferencia entre: (1) el espectro en bandas de octava correspondiente al ruido total en el receptor y (2) el espectro en bandas de octava del objetivo del diseño. Paso 4. Evaluar las distintas opciones disponibles para lograr la reducción del ruido requerida determinada en el Paso 3. Hay que lograr el objetivo de diseño tan económicamente como sea posible. Hay que considerar tanto los costes directos como los indirectos al evaluar todas las soluciones posibles. Además del coste de la solución, hay que considerar sus posibles efectos adversos en términos de las restricciones de funcionamiento del equipamiento. Ejemplo. Se consideran las diversas medidas posibles de control del ruido que pueden emplearse para resolver el problema de control del ruido de la Figura 40.1. Cada una de las acciones posibles que pueden llevarse a cabo está indicada en la ilustración dentro de un recuadro a trazos:

1. Reemplazar esta máquina por otro modelo nuevo más silencioso. 2. Rodear la máquina con un cerramiento. 3. Añadir conductos revestidos con material absorbente del sonido a las aberturas de ventilación de la máquina. 4. Montar la máquina sobre aisladores de vibración. 5. Instalar materiales absorbentes del sonido en la habitación; por ejemplo, sobre el techo. 6. Proveer al operario de la máquina de tapones para los oídos. 7. Restringir el horario de trabajo del operario de la máquina. Aunque el coste de aplicar los métodos de control del ruido 6 y 7 suele ser pequeño, no se consideran en este ejemplo específico debido a las restricciones que plantean sobre las actividades del personal. Así, en la Tabla 40.1 se consideran tres soluciones posibles. Como se indica, la solución 3, que consiste en la aplicación de TABLA 40.1. Figura 40.1

Soluaón

Resultados del análisis hipotético del sistema de control del ruido de la

Método de control Coste directo, (véase Fig. 40.1) dólares

1

1

25.000

2

2+3+4

6.000

3

3+4+5

.4.000

Comentarios Máquina nueva más eficaz, pero la entrega tarda 6 meses El tratamiento de las aberturas de ventilación y la cubierta puede plantear problemas de ventilación y acceso. El aislamiento de la vibración es mínimo Satisface todos los requisitos de funcionamiento y aporta beneficios a la absorción de la habitación. Ahora se precisa un tratamiento mínimo para las aberturas de ventilación. No es necesario tratamiento para la cubierta

Fut!nlt!: Adaptado de R. H. Boll y K. U. Ingard en la Referencia l.

40.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

los métodos de control 3, 4 Y5, no sólo es la más económica que satisface los requisitos de funcionamiento, sino que también aporta beneficios adicionales. AISLAMIENTO DE LA VIBRACION Las exigencias relativas al control del ruido suelen requerir que la maquinaria o el equipamiento se monte sobre aisladores de la vibración. Los aisladores de vibración y su selección se comentan en el Capítulo 29. Un equipamiento aislado de la vibración suele precisar la instalación de conexiones flexibles entre la máquina (que es la fuente de vibración) y los conductos y las tuberías conectados a ella (Capítulo 28). En algunos casos, puede resultar beneficioso montar la máquina sobre un bloque de inercia. Así: (1) se reducirá el nivel de vibración de la máquina sobre sus aisladores y (2) se ayudará a estabilizar la máquina al descender su centro de gravedad. Si el receptor está localizado cerca de la fuente de ruido, la reducción del ruido que puede lograrse mediante aislamiento de la vibración del equipamiento suele ser limitada, porque los niveles sonoros de bandas de octava en el receptor están determinados fundamentalmente por la transmisión del ruido a través de las vías aéreas. En estas condiciones, la atenuación en la mayoría de las frecuencias es relativamente pequeña. Este efecto se ilustra en la Figura 40.3, que muestra el espectro en bandas de octava medido cerca de un transformador de potencia que está sobre un suelo ligero. El montaje del transformador sobre una placa de aislamiento de la vibración reduce los niveles de banda de octava. La diferencia entre estos dos espectros (la reducción del ruido) es en su mayor parte de tan sólo unos pocos decibelios. Por otra parte. la Figura 40.4 muestra el espectro en bandas de octava medido en el receptor cuando la vía principal de propagación del ruido es la estructura. En este caso, cuando la fuente de ruido se monta sobre aisladores de una manera eficaz, la reducción del ruido que puede lograrse es sustancial; en este ejemplo, es aproximadamente de 10 dB para la mayoría del espectro. USO DE BARRERAS ACUSTICAS EN INTERIORES Consideremos una barrera que se coloca en un local cerrado en la vía directa entre la pieza ruidosa de equipamiento y el receptor; se asume que las fuentes de ruido están aisladas adecuadamente de manera que la transmisión del ruido a través de la estructura sea insignificante; es decir, la transmisión se efectúa únicamente por vía aérea. La reducción de ruido en el receptor que se obtiene con la barrera depende de: (1) el material de que está hecha la barrera, (2) las dimensiones de la barrera, (3) la distancia entre la barrera y la fuente. (4) el espectro de la fuente de ruido y (5) las características fonoabsorbentes de otras superficies en la vecindad de la fuente que pueden redirigir la energía hacia la zona de sombra creada por la barrera, tal como se describe en los Capítulos 3 y 48. En la Figura 40.5 se muestran los efectos del material de la barrera sobre su eficacia en la reducción de ruido, cuando sólo el sonido directo es significativo. La curva superior muestra el espectro en bandas de octava en el receptor en ausencia de

40.7

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

100

/: ~

ro

a..

::1.

o

N

~ aJ

90



~ Ql

,

V' l.----

1J

I

Sin aislamiento de la vibración

'~ ,,

I

80

,,

1J

ro

1J

c:

, , ,,

,,

I

,

~

Con aislamiento> de la vibración

10

.o ~ 70

~

10

oc: o en

c: 'o 'o; 60 ~

o. Ql

1J

Qi

.~

z 50 63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 40.3. Espectros de nivel de presión sonora en bandas de octava en una habitación que resultan del ruido generado por un transformador próximo; la curva superior muestra el espectro sin aislador de la vibración bajo el transformador. La curva inferior muestra que el aislamiento ha reducido los niveles de presión sonora de banda de octava en varios decibelios.

la barrera. Las otras tres curvas representan los espectros en bandas de octava para barreras de tres diferentes materiales. La diferencia entre los espectros con y sin la barrera colocada es la atenuación lograda por ésta, y es una medida de su eficacia. En este ejemplo se consideran tres tipos de barreras. Barrera porosa, compuesta por un material absorbente del sonido, como la fibra de vidrio. Barrera sólida reflectante, compuesta por un material no poroso, como la mampostería o el hormigón. Barrera sólida fonoabsorbente, compuesta por una barrera sólida reflectante recubierta con un material fonoabsorbente en la cara situada en el lado de la fuente

La eficacia de la barrera porosa en cuanto a reducción del nivel de ruido es escasa, porque los materiales porosos poseen valores bajos de pérdida por transmisión. La barrera sólida es mejor, sobre todo a frecuencias altas. Muy poco sonido puede penetrar la barrera; el que llega al receptor debe difractarse sobre la parte su-

40.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

100 ni

a..

o

N

e

90

al

L---

/

::1.

~~

~

\

"O

\

ca >

/

\ /

\

ni

tí ~ 80

/

\

- - --

/

\

Sin aislamiento ~ la vibración

\ \

/

\ ; \

ni

\

"O

c:

Con aislamiento de la vibración

ni

.o ~ 70

\

\ \

ni

(;

\ \

c:

o

'"c: -o

.¡¡¡

ec.

~

\

"O

\

1--

60

- - -,

,

,

Q)

"O

a¡ .2:

z

50

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 40.4.

Espectros de nivel de presión sonora en bandas de octava en una habitación que resultan de una fuente totalmente encerrada, localizada en una habitación adyacente al receptor. En este caso, suele predominar la vía de transmisión a través de la estructura. Aquí, el aislamiento de la vibración es muy efectivo al lograr una reducción sustancial del ruido.

perior de la barrera. Revestirla con material absorbente del sonido en el lado que está frente a la fuente aporta alguna mejora, pero ésta es solamente de unos pocos decibelios. Consideremos el uso de barreras del sonido en espacios cerrados. La Figura 40.60 muestra un esquema de una habitación en que el sonido de una fuente de ruido llega al receptor a través de una vía directa y también a través de múltiples reflexiones sobre las paredes, techo y suelo. En la Figura 4O.6b, se ha instalado en la misma habitación una barrera sólida reflectante, que es efectiva en la eliminación o en la reducción importante del sonido directo; sin embargo, debido a las reflexiones el sonido que llega al receptor aumenta, ya que no está protegido por la barrera de estas reflexiones. Así, la eficacia de la barrera se cuestiona a causa del sonido reflejado. En la Figura 4O.6c, se ha instalado material absorbente del sonido sobre la barrera, el techo y la pared. En estas condiciones, las vías reflejadas están muy atenuadas y se logra una reducción máxima del ruido.

40.9

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

100r-----r-----r-----,-----,-----,-----,-----, ca a..

Sin barrera

~

o

N

~

90

~----+_----;_--~~~~~----~------r_--~

ce

"tl

ni"

> ca

tí

~ 80 ~----+_--~;_rT~_r~~~--~~------r_--__1

"tl

ca

"tl

e

ca

.o

~ca 70 r-----+_----;-----_r-----+--~~----~r._--__1 (; e

o Ul e

-o .~

60

~----+-----4------r-----+----~--~~~~~

C. Q)

"tl

Gi

z.~ 50

~

63

____ ____ ____ ____ ____ ______ 125 250 500 1000 2000 4000 ~

~

~

~

~

L __ _~

8000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 40.5. Espectros de nivel de presión sonora en bandas de octava en una habitación en que se han colocado distintos tipos de barreras: barrera porosa, barrera sólida reflectante y barrera sólida absorbente del sonido (con revestimiento absorbente). La reducción del ruido que aporta la barrera es igual a la diferencia de nivel entre el espectro sin barrera y el espectro con ella.

Reglas empíricas para el uso de barreras interiores 1. Colocar la barrera tan cerca de la fuente como sea posible, pero sin estar en

contacto con ella. 2. Extender la barrera más allá de la línea de visión de la fuente (tanto vertical como horizontalmente), en una longitud equivalente a un cuarto de longitud de onda correspondiente a la frecuencia más baja para la que se precise una atenuación significativa. 3. Seleccionar un material sólido para la barrera (sin aberturas ni agujeros), con una pérdida por transmisión del sonido al menos 10 dB más alta que la atenuación requerida. CERRAMIENTOS PARCIALES Los cerramientos parciales, ilustrados en la Figura 40.7, representan un paso intermedio entre la simple barrera unilateral y el cerramiento acústico total del equipamiento. Supongamos que una fuente está en un interior y que el receptor está lo su-

40.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

PARED REFLECTANTE

(b)

~~~~~E~~TE~~u:"-,-..... " , -

PARED ABSORBENTE

-........ - - - - -

--.!~"* ~ ...."* I.J...

I

~

,

I DE SONIDO

I

~~

SUELO REFLECTANTE

"

,

......

'

RECEPTOR

BARRERA ABSORBENTE (e)

FIGURA 40.6. El diagrama de rayos muestra las reflexiones del sonido de una fuente de ruido en una habitación. (a) Todas las superficies de la habitación son duras y reflectantes. no hay barrera; (b) las superficies de la habitación son duras y reflectantes. y hay una barrera sólida; (e) se aplica material absorbente del sonido al techo y hay una barrera absorbente sólida.

ficientemente lejos como para que predomine el sonido reflejado. En este entorno, la reducción del ruido que aporta un cerramiento parcial completamente absorbente depende de la medida en que éste rodee la fuente. Si el cerramiento rodea el 50 por 100 de la fuente, se obtiene una reducción del ruido de 3 dB; si el cerramiento rodea el 75 por 100 de la fuente, se logra una reducción de 6 dB. La Tabla 40.2 muestra otras condiciones y las atenuaciones correspondientes. Si el cerramiento parcial no es absorbente del sonido, la reducción será casi nula. Si ambos, fuente y receptor, están en exteriores o si el receptor está cerca de la fuente, muy influenciado por el campo directo, el rendimiento de un cerramiento parcial suele ser parecido al de una barrera. El cerramiento parcial produce zonas de sombra dentro de las cuales el rango de atenuación que puede lograrse va desde

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA (a)

40.11

(d)

(e)

(e)

(f)

FIGURA 40.7. Ejemplos de cerramientos parciales utilizados en el control del ruido de la maquinaria. (De acuerdo con L. N. Mil/er, en la Referencia 2.)

5 hasta 20 dB, dependiendo de la frecuencia de la fuente y de la construcción y configuración del cerramiento parcial. Consideremos el rendimiento de los cerramientos parciales que muestra la Figura 40.7. Los cerramientos a, b y e logran una reducción del ruido para un rango más amplio de ubicaciones del receptor que la barrera sólida absorbente considerada en la Figura 40.5. El cerramiento e en combinación con un techo absorbente aporta una reducción del ruido parecida a la de las barreras revestidas en una oficina de planta abierta que se comentan en el Capítulo 33. Los cerramientos parciales d, e y f, en general, aportan mayor reducción del ruido que una barrera simple porque el tratamiento se extiende por encima de la parte superior de la fuente. Esto reduce la medida en que la dispersión difractiva limita la atenuación disponible en la zona de sombra.

40.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 40.2.

Efectividad de un cerramiento parcial'

Energía sonora encerrada y absorbida, % 50 75 90 95

98 99

Reducción del ruido máxima alcanzable, dB 3

6 10

13 17 20

• Estos valores se basan en el supuesto de que la fuente irradia uniformemente en todas direcciones y de que el cerramiento parcial que lo rodea está completamente revestido con material absorbente del sonido. Fuente: De L. N. Miller, en la Referencia 2.

Regla empírica. Los cerramientos parciales deben estar totalmente revestidos con material absorbente del sonido. (Deben seguirse las reglas empíricas para barreras.)

CERRAMIENTOS COMPLETOS ALREDEDOR DE LA FUENTE

El propósito de un cerramiento completo es contener y absorber la energía acústica irradiada por la fuente. Esto reduce los niveles de presión sonora para cualquier distancia a la fuente. La magnitud de la reducción del sonido puede acercarse al valor de la pérdida por transmisión del material con el que está fabricado el cerramiento. La Figura 40.8 ilustra la importancia de utilizar un material sólido, en vez de uno poroso, en las paredes del cerramiento. Aunque el rendimiento del cerramiento sólido es mucho mejor que el del poroso, está limitado por las reflexiones múltiples en su interior. Este proceso hace que los niveles interiores de presión sonora se acumulen hasta que se logra un estado estable dentro del cerramiento. La cantidad de acumulación depende de las dimensiones del cerramiento y de sus características absorbentes del sonido, pero no es infrecuente un aumento de 10 a 20 dB. Esto reduce enormemente la efectividad del cerramiento. Por esta razón hay que revestirlo, tanto como sea posible, con material absorbente del sonido. Debido a este aumento del ruido interior, la pérdida por transmisión (TL) del material de las paredes debe ser mayor que la reducción del ruido (NR) requerida para cada frecuencia de interés. La Figura 40.8 también ilustra las ventajas de revestir el cerramiento con material absorbente del sonido. En algunos casos, la cubierta (o caja) de una máquina (como una fotocopiadora de una oficina) puede servir como cerramiento efectivo de las fuentes de ruido contenidas en su interior. En este caso, añadir un revestimiento absorbente del sonido (y sellar las vías de escape) puede aportar una reducción significativa del ruido.

40.13

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

100

I

:v

oC

::1.

/.

N

O

8 o

90

~

al

/

-o

.a>

.... lO U

80

o

Q)

-o lO -o c: lO

r'-,

Q)

-o ~

o c: oti)

c: -o .¡¡;

60

" ,,

¡,

,,

/' /

,,"

//

/ /

, , 1---

\

\

/--- ,

, \

,

, \

50

,, ,

40

63

125

,

(3) Cerramiento sólido reflectante

(4) Cerramiento sólido~ absorbente del sonido \

z

1'-,

I

'\

.~

.. . .. 1--.. .. .. .. ..

~)-

1\

~

-o

,

/

Q. CD

Q;

,,

/

'\

70

oC

I """Kc",,,m,,",o po,."

l/' ,,

~ , /-"

I

~ Sin cerraTiento

I

I

I

250

500

1000

----

2000

4000

8000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 40.8. Espectro en bandas de octava del ruido en un receptor: (1) fuente de ruido sin cerramiento, (2) fuente contenida dentro de un cerramiento poroso, (3) fuente contenida dentro de un cerramiento sólido reflectante (sin absorción) y (4) fuente contenida en un cerramiento sólido con absorción del sonido. En este ejemplo, no hay ventilación y no hay grietas a través de las cuales pueda transmitirse el sonido.

Reglas empíricas 1. Si el cerramiento no tiene absorción interna, entonces TL> NR + 20 2. Si el cerramiento posee absorción interna parcial, entonces TL> NR + 15 3. Si el cerramiento tiene absorción interna completa, entonces TL> NR + 10

40.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

REDUCC/ON DE LAS V/AS DE ESCAPE

La atenuación de un cerramiento depende en gran medida de las vías de escape que permiten que la energía sonora puentee sus paredes. La Tabla 40.2 ilustra la importancia de los escapes, al describir la medida en que un cerramiento parcial completamente absorbente debe rodear una fuente puntual omnidireccional para lograr distintos grados de atenuación. Un vía de escape que represente tan sólo un 1 por 100 del área de superficie del cerramiento limita la atenuación disponible a 20 dB. La atenuación de un cerramiento sin revestimiento depende más aún de los escapes, debido a que el aumento de nivel por las reflexiones internas reduce el rendimiento. Si hay que contener el ruido en la fuente, no debe haber escapes: (1) todas las juntas, uniones y entradas de conductos, tuberías, etcétera, en el cerramiento tienen que estar selladas, de manera que la integridad acústica del cerramiento no se vea afectada, y (2) hay que ajustar firmemente y colocar juntas de culata en las puertas de acceso a los cerramientos. Hay que colocar picaportes que ajusten la puerta completamente a la superficie con juntas para lograr un sello hermético. USO DE CONDUCTOS REVESTIDOS PARA ABERTURAS DE VENT/LAC/ON

Los cerramientos completos alrededor de un equipamiento ruidoso pueden precisar ventilación para impedir su recalentamiento. La Figura 40.10 ilustra el efecto de las aberturas de entrada y salida (para la ventilación de la caja que muestra la Figura 40.9a). Las aberturas reducen sustancialmente la atenuación que logra el cerramiento completo con absorción. Esta reducción puede minimizarse utilizando conductos revestidos que aportan atenuación sin impedir el flujo de aire, como ilustra la Figura 40.9b. En este caso, se han acoplado a las aberturas conductos de láminas de metal revestidos de material absorbente del sonido; el ruido tiene que realizar un giro en ángulo recto y pasar a través de un conducto revestido para alcanzar el entorno fuera del cerramiento. En el Capítulo 42 se incluye información para predecir la atenuación que aportan los conductos revestidos. Cada conducto de la Figura 40.9 tiene 18 cm (7 in) de anchura, está revestido con fibra de vidrio semirrígida de 2,5 cm (1 in) de grosor y tiene aproximadamente 1 m (3 ft) de longitud. En la Figura 40.10, se muestra el espectro en bandas de octava en el receptor correspondiente a: (1) el cerramiento con aberturas sin tratamiento, (2) el cerramiento con conductos revestidos y (3) el cerramiento completamente sellado, sin aberturas. Si es necesario un ventilador en el interior del cerramiento para aumentar la ventilación, hay que elegirlo con cuidado (como se describe en el Capítulo 44), de manera que no constituya una fuente significativa de ruido en sí mismo.

40.15

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

Abertura de salida

(a)

Conducto de salida

Conducto de entrada

(b)

FIGURA 40.9. Dibujo esquemático de un cerramiento completo con entradas para las aberturas de ventilación. (a) Aberturas de entrada y salida sin tratamiento; (b) aberturas con conductos revestidos con material absorbente del sonido.

LISTA DE TECNICAS DE CONTROL DEL RUIDO Uno de los métodos más eficaces para resolver el problema de ruido de una maquinaria o equipamiento es utilizar un método alternativo (menos ruidoso) para realizar la misma función. Allí donde no resulte práctico, pueden considerarse las siguientes técnicas de control del ruido: 1. Trasladar la maquinaria auna nueva ubicación, más distante del área en que

se precisa silencio (Capítulo 1). 2. Instalar aislamiento de la vibración para reducir la radiación de ruido de la superficie sobre la que está montada la maquinaria (Capítulo 29). 3. Utilizar una barrera acústica para proteger, deflectar y/o absorber la energía. 4. Utilizar un cerramiento parcial alrededor de la máquina.

40.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80.-----.-----.-----.-----.-----.-----'/-----. (1) Cerramiento con

:. :1.

~

~

aberturas de entrada V salida

70~--~+,~--~----_r----~~--~r_----r---~

ce 'l:J

~


g

60r_--~~~--~----_r~~-+----~r_-=~~~~

al 'l:J


c:


.o

al 'l:J

(3) Cerramiento completo absorbente del sonido

50r_----r-----~----~-----+~~

~

o c: o (1)

c:

'o '¡¡¡

40r_----+------r-----+----~------r_----~~~

~

C. al 'l:J

~ 30~----~----~----~----~------~----~--~ 8000 63 125 250 500 1000 2000 4000

z

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 40.10. Espectro en bandas de octava en el receptor con: (1) aberturas de entrada y salida sin tratamiento, (2) aberturas con conductos revestidos con material absorbente, y (3) cerramiento completo rodeando a la fuente, con material absorbente del sonido dentro del cerramiento.

5. Utilizar un cerramiento completo alrededor de la máquina o, cuando no sea posible silenciarla, una cabina para colocar al operario. 6. Reducir las vías de escape que permiten que el ruido pase a través de las aberturas del cerramiento. 7. Reducir las fuerzas de impacto (Capítulo 27). 8. Aplicar materiales de amortiguamiento de la vibración a la cubierta de la máquina (Capítulo 28). 9. Insertar conexiones flexibles entre la máquina y los conductos, cables, tuberías o vías de trabajo conectados a ella (Capítulo 28). 10. Allí donde sea adecuado, utilizar un bloque de inercia (Capítulo 28). 11. Reducir o modificar las superficies que irradian ruido (Capítulo 28). 12. Reducir los efectos de resonancia en los sistemas mecánicos y acústicos (Capítulo 28). 13. Utilizar material absorbente del sonido (Capítulo 30). 14. Modificar o reemplazar los engranajes (Capítulo 36). 15. Modificar o reemplazar los cojinetes (Capítulo 37). 16. Reducir el desequilibrio en los sistemas rotatorios3 • 17. Utilizar conductos revestidos con material absorbente del sonido (Capítulo 43).

40.17

CONTROL DEL RUIDO DE MAQUINARIA

(a)

Totalmente separados

Equipamiento y conexiones

vibratorias

Mal

Bien

FIGURA 40.11. Ilustraciones de las aplicaciones de distintas técnicas de control del ruido a un ejemplo de fuente de ruido. (a) los números corresponden a los del listado; (b) instalaciones correctas e incorrectas de una pieza de equipamiento ruidosa y vibratoria. (Oe acuerdo con la Referencia 4.)

40.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

18. Utilizar coberturas o termoaislante sobre tuberías o conductos para aumentar su insonorización (Capítulo 46). 19. Reducir o eliminar el ruido generado aerodinámicamente. Las técnicas que se describen en este capítulo pueden aplicarse sin modificar la maquinaria o equipamiento. Muchas de las técnicas de control del ruido y la vibración anteriormente expuestas se aplican en la Figura 40.11a. En esta ilustración, cada técnica está numerada de acuerdo con el número de la lista anterior. La Figura 40.11b muestra las instalaciones correcta e incorrecta de una pieza de equipamiento ruidosa y vibratoria. Técnicas distintas a las que muestra la Figura 40.11 se comentan en otros capítulos de este libro.

REFERENCIAS 1. C. M. Harris (Ed.), Handbook ofnoise control, 1." ed., McGraw-HiIl, Nueva York, 1957, Capítulo 22. 2. C. M. Harris (Ed.), Handbook ofnoise control, 2." ed., McGraw-HiIl, Nueva York, 1979, Capítulo 26. 3. C. M. Harris (Ed.), Shock and vibration handbook, 3." ed., McGraw-HiIl, Nueva York, 1988, Capítulo 39. 4. R. D. Berendt y E. L. R. Corliss, Quieting: A practical guide to noise control, National Bureau of Standards, Washington, D. c., julio 1976.

Capítulo

41

RUIDO DE VENTILACION J. Sarrie Graham Robert M. Hoover

INTRODUCCION En este capítulo se describen las características de los distintos tipos de ventilador, así como los procedimientos para calcular los niveles de potencia sonora que los distintos tipos de ventiladores (funcionando con intensidades de flujo y presiones especificadas) emiten a través del sistema. Se presupone que existe un buen diseño, una apropiada fabricación y una instalación adecuada del ventilador. En caso negativo se generarán niveles superiores de ruido no previsibles. Se tratarán también los procedimientos de medida de ruido de ventiladores, las técnicas para su control y otras especificaciones. Por definición un ventilador es un aparato capaz de propulsar aire gracias a un propulsor giratorio mecánico. Un ventilador posee al menos una cavidad de entrada y otra de salida. Estas pueden disponer o no de elementos de conexión al conducto principal!. El propulsor giratorio transmite la energía mecánica desde el eje del ventilador a la corriente de aire. Esta energía del aire se manifiesta en términos de velocidad y presión. Es importante destacar que toda la energía transferida al aire se transfiere desde el propulsor giratorio mecánico. Las diversas instalaciones de ventilación precisan de ventiladores con distintas características de funcionamiento. Las características operativas de un ventilador, incluyendo las de emisión de ruido, vienen determinadas primordialmente por el diseño del propulsor giratorio. Los tipos de ventiladores descritos en este capítulo son ventiladores centrífugos y ventiladores de flujo axial, empleados habitualmente en sistemas de aire acondicionado centralizados, sistemas de ventilación industriales e instalaciones para procesos industriales. Estas distintas características de funcionamiento de los diferentes tipos de ventiladores producen diferentes características de ruido. Una vez seleccionado el tipo, tamaño y velocidad del ventilador de acuerdo a un funciona41.1

41.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

miento específico y a los requisitos estructurales, se establecen las especificaciones de ruido de ese tipo particular de ventilador. La composici6n general de un ventilador y la nomenclatura de uso habitual para describir sus distintas partes se muestran en la Figura 41.1 para ventiladores centrífugos, y en la Figura 41.2 para ventiladores de flujo axial 2. Los ventiladores centrífugos se caracterizan por el tipo de álabe empleado. En la Figura 41.3 se muestran tres tipos: de aspas curvadas en el sentido de la marcha, aerodinámicos y radiales. Entre estos ejemplos existe una amplia gama con diversos diseños. Los ventiladores de flujo axial se dividen en tres categorías principales, mostradas en la Figura 41.4: l. Ventiladores axiales con aletas guía. 2. Ventiladores tuboaxiales. 3. Ventiladores helicoidales. Es imposible dar recomendación alguna sobre el «mejor ventilador». Antes de elegir un determinado tipo deben ser considerados los requisitos particulares de aplicación para cada caso. El criterio de selección básico para cada ventilador se fundamenta no sólo en sus características acústicas, sino en su capacidad para poner en movimiento la cantidad de aire precisa a la presión adecuada. Debe además llevar a cabo esta tarea con un

'DESCARGA DE SALIDA

..6iI>-H1-- OBTURADOR

"BOCA DE ENTRADA TOLVA ANILLO CAMPANA ENSANCHAMIENTO ORIFICIO - _....... VENTURI "PROPULSOR HELlCE ROTOR

"SOPORTE DE APOYO PEANA

FIGURA 41.1.

"ANILLO DE ENTRADA MANGUITO DE ENTRADA ABRAZADERA DE ENTRADA

"CORONA ANILLO DE REFUERZO ANILLO DE LA HELlCE TOLVA DE LA HELlCE ANILLO DE RETENCION CORONA DE ENTRADA CORONA DE LA HELlCE PESTAÑA PLACA DE ENTRADA

Elementos de un ventilador centrífugo.

"ESPIRAL CUBIERTA BASTIDOR BASTIDOR DE LA ESPIRAL VOLUTA 'SOPORTES REFUERZOS

• = PREFERIDO

41.3

RUIDO DE VENTILACION TOLVA O CAMPANA

-.

ALABE

---

SALIDA DE AIRE

TOPE CUBIERTA DE PROTECCION FUSELADO

FIGURA 41.2.

Elementos de un ventilador de flujo axial.

coste inicial razonable (puede que también sea necesario que transporte aire cargado de polvo, tenga que resistir la abrasión o la corrosión, deba disponer de un tipo de montaje de manera que pueda ser reparado con facilidad en el lugar, o soporte altas temperaturas, etcétera). Una vez especificados estos requisitos se deben establecer las características de tipo, tamaño y velocidad del ventilador. Finalmente se deben concretar sus características acústicas. En la mayoría de los casos no suele ser práctico sustituir un ventilador que genere relativamente poco ruido, ya que es poco probable que un modelo más silencioso del mismo tipo cumpla los demás requisitos de funcionamiento. Como consecuencia, los niveles de potencia sonora generados por un ventilador seleccionado correctamente deben ser aceptados como niveles de potencia sonora de uso en los cálculos acústicos. Se pueden predecir con bastante exactitud las características acústicas de los diversos tipos de ventiladores y, en caso de que estén diseñados adecuadamente, estas características acústicas no se verán afectadas significativamente por cambios leves en la geometría del ventilador. Cuando un ventilador correctamente diseñado y seleccionado produce demasiado ruido en una aplicación particular suele ser inútil realizar cambios en su configuración. ya que tales cambios reducirán el nivel de ruido pero afectarán a sus características funcionales, que ya no cumplirán las condiciones especificadas. Un control industrial del ruido transmitido por los conductos proporciona suficiente atenuación de sonido para lograr los objetivos acústicos establecidos. Los requisitos de funcionamiento de los ventiladores empleados en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado son relativamente fáciles de cumplir, ya que entre ellos no se incluyen las rigurosas especificaciones de selección (tales como la corrosión) mencionadas anteriormente. Por lo tanto la selección puede establecerse de acuerdo a las características acústicas. Es también primordial la correcta instalación del ventilador, para la que se deberían utilizar unas conexiones recomendadas de entrada y salida 2.3 .

41.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

CURVADO EN SENTIDO CONTRARIO A LA MARCHA

AERODINAMICO

RADIAL

FIGURA 41.3. Ejemplos de ventiladores centrífugos para diferentes aplicaciones, con indicación del tipo de hélice.

CARACTERISTICAS DEL RUIDO DE VENTILACION

En la Tabla 41.1 se muestra una lista de características de los ruidos de banda ancha correspondientes a diseños de ventiladores habituales. En esta tabla se enumeran niveles específicos de potencia sonora medios en ocho bandas de octava para ventiladores correctamente diseñados e instalados en sistemas adecuados, con una amplia dispersión. Estos datos pueden ser empleados para calcular el ruido del ventilador en la fase de proyecto del sistema, como se ilustra en los ejemplos de este capítulo. Con estas cifras se pretende proporcionar datos de fabricación con fines de valoración. Respecto a los proyectos acústicos en espacios particularmente complicados, se deberían solicitar del fabricante los datos de ruido reales para la instalación de ventiladores. Para cálculos de sistemas de transporte de aire deberían emplearse niveles de sonido en bandas de octava, desechando el uso de valores globales para su clasificación. El tipo de ventilador conocido como ventilador propuLsor o ventiLador de encendido, empleado a menudo en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HV AC). consiste en una hélice de ventilación centrífuga descubierta, situada en la pared de la cámara del impelente. como muestra la Fig. 42.11. El aire es aspirado por el ventilador a través de una campana de entrada que descarga directamente en el interior de la cámara descubierta que rodea a la hélice del ventilador. Esta descarga comprime la cámara impelente, y la presión en la cámara expulsa a continuación el aire hacia el conducto anexo. En el próximo capítulo se describen algunas especificaciones sobre ruido relativas a este tipo de instalaciones.

Ruido de frecuencia de los álabes

Cada vez que un álabe atraviesa un determinado punto. el aire situado en ese punto recibe un impulso. La tasa de repetición de ese impulso, o frecuencia de paso del álabe. normalmente llamada frecuencia deL áLabe, determina el tono fundamental emitido. Duplicando el número de álabes del ventilador o la velocidad de giro se consigue una duplicación de la frecuencia del álabe básica. En conexión con esta regla lógica se producen varios tipos de sonido que dependen de la forma del impulso de aire.

RUIDO DE VENTILACION

41.5

-fH!....""""'4-- FLUJO DE AIRE VENTILADOR AXIAL CON ALETAS GUIA ~It+--f-- FLUJO DE AIRE

DE AIRE

~I!r---- FLUJO DE AIRE

VENTILADOR HELlCOIDAL

FIGURA 41.4.

Tres tipos principales de ventiladores de flujo axial.

Los tonos de banda fina que genera un ventilador son fundamentales para el control de ruido del sistema del ventilador. En muchos casos relativos a problemas con ventiladores, la principal dificultad radica en el componente de frecuencias discretas causado por la frecuencia de los álabes de la hélice. Se debería prestar atención particular a las bandas de octava dentro de las cuales se produce este componente de frecuencia. ya que el oído es capaz de identificar un determinado tono en el ruido ambiental, y éste puede por tanto causar molestias. Las propiedades de atenuación del sistema deben adecuarse completamente a esa banda de octava. La frecuencia del álabe se calcula del siguiente modo:

lB

=

n

X

N

en donde

lB = frecuencia del álabe, herzios n N

= =

velocidad de ventilación, número de revoluciones por segundo número de álabes de la hélice del rotor

(41.1)

41.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 41.1. Potencia sonora relativa producida por varios tipos de ventiladores Estos datos vienen especificados en términos de nivel de potencia sonora específica en decibelios re 7 pico vatio, basados en un caudal de aire de 7 rrr/seg y una presión total de 7 kPa. Los ajustes de los caudales de aire y de presión reales deben realizarse de acuerdo a la Ecuación (47.2) de la página 47.27. Estos valores corresponden a los niveles de potencia sonora totales emitidos por el ventilador. En caso de que sea necesario separar los valores de nivel de potencia bien de entrada o de salida se debe restar 3 dB en todas las bandas. No es preciso realizar ningún cambio en el incremento de frecuencia de álabe. Estos valores incluyen las correcciones de curva de reflexión final. Al realizar cálculos de niveles de potencia sonora en esta tabla no se deben emplear presiones totales menores de 0,725 kPa. En estos casos utilizar un valor de 0,725 kPa. Tipo de ventilador

Frecuendas centrales de bandas de odava, Hz

Tamaño de la hélice

63

125

2SO

SIlO

1000

2000

4000

8000

BFI*

75 79

68 73

64 69

62 64

3 3

77

71 76 71 79

8 8

Ventiladores centrifugos Aerodinámicos. curvados o inclinados en sentido contrario a la marcha Ventiladores radiales: Baja presión (presión estática de 4 a 10) Presión media (presión estática de 10 a 20) Alta presión (presión estática de 20 a 60) Curvados en sentido de la marcha

84

79

88

84

88 98 90 96

84

104 99 108

88 87 93

82 87 83 91

78 86

74 79 74 82

103 112 98

98 104 88

93 99 81

91 99 81

89 97 76

86 94 71

83 91 66

8 8 2

93 RR

92

90 RI 92 91 96 97

83 75 88

79 73 85 82 85 87

6 6 6 7 7 5

85 90

85 90

Por encima de I m Por debajo de I m Por encima de 1 m Por debajo de I m

101 112 103 113

Por encima de I m Por debajo de I m Todos

106 116 98

Por encima de 0.75 m Por debajo de 0,75 m

92

84

Ventiladores axiales Axiales con aletas guía: Hub-ratio (U-O.4 Hub-ratio 0.4-0_6 Hub-ratio 0,6-0,8 Tuboaxiales Helicoidales • BFI

=

Todos Todos Todos Por encima de I m Por debajo de I m Todos

94 94 91l % 93 93

88 R8 97 91 92 %

88 91 96 92 94 103

% 94 98 101

R6 94

92 97 lOO

84

88 91

Incremento de frecuencia del álabe.

El número de álabes y la velocidad de ventilación se pueden obtener del catálogo usado para seleccionar un ventilador. En la Tabla 41.1 se encuentra una lista con los incrementos de frecuencia del álabe (BFI) para cálculos de ruido de ventilación, que consisten en el número de decibelios que se deben añadir al nivel de banda de octava que incluye la frecuencia del álabe responsable de la presencia de dicho tono. En la Figura 41.5 se ofrece un análisis del ruido de ventilación_ El espectro en bandas de octava es bastante uniforme. Por el contrario, el espectro en bandas de tercio de octava muestra valores máximos significativos. Teniendo en cuenta que no todos los fabricantes ofrecen datos de niveles de potencia sonora en tercios de oc-

41.7

RUIDO DE VENTILACION

~

8 el:

o

O~~~~~:l:t:I:t~~~~~jl~~~~~~~~:j~~ ~

NIVELES EN BANDAS DE OCTAVA ~

I

:;; 100

""t 1--< ~

1'.

NIVELES EN BANDAS DE TERCIO DE OCTAVA'

ü

~ 80

b

!lo UJ

O -'

UJ

~

z

70

~~~~L-L-~~L-~~Lrrrr-L-L-~L,L-~~~~--~ 5 I 2 I 2 I 5

100

1000

1000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 41.5. Análisis del espectro de ruido de ventilación. La frecuencia del álabe (en la banda de 125 Hz) es evidente en el análisis en bandas de tercio de octava, pero no en el de bandas de octava.

tava, se debería suponer que estos tonos se encuentran presentes y deberían tenerse en cuenta en el proyecto del sistema.

Relación entre el nivel sonoro en un local cerrado y el nivel de potencia sonora del ventilador

En la Figura 4.6 se muestra la relación general existente entre el nivel de potencia sonora de una fuente y el nivel de presión sonora resultante en un espacio cerrado (véase el Capítulo 3 para todo lo relativo a cálculos en caso de que la fuente se encuentre situada en campo libre). Esta relación se emplea en la Tabla 4.3 con el fin de calcular el nivel sonoro en un espacio cerrado resultante del funcionamiento de un sistema de aire acondicionado. Para este cálculo, la contribución del ruido de ventilación al nivel sonoro global está basada en los niveles de potencia sonora de los ventiladores (suministrados por el fabricante). Con el fin de garantizar la reducción del ruido de ventilación hasta niveles aceptables es preciso aportar un nivel suficiente de atenuación al sistema de servicio de la habitación. Como el fabricante del ventilador no puede controlar el diseño del sistema o las propiedades acústicas de la habitación. características ambas que determinan el nivel sonoro en cualquier punto del espacio. no le es posible garantizar el nivel de sonido resultante del funcionamiento del ventilador. El fabricante es solamente responsable de la exactitud de los datos de ruido del ventilador suministrados.

41.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ALAB~V V~ RECTO

ALAB::[L CURVADO

-

ALABE RADIAL

ALABE CURVADO EN EL SENTIDO DE LA MARCHA

ALABE CURVADO EN SENTIDO CONTRARIO A LA MARCHA

FIGURA 41.6. Diagramas de vectores que muestran las relaciones de flujo de descarga en los tres tipos principales de ventiladores centrífugos.

TIPOS DE VENTILADORES Ventiladores centrifugos

Un ventilador centrífugo provoca un movimiento del aire y genera una presión gracias en parte a la acción centrífuga y en parte a la velocidad de giro. La fuerza centrífuga surge debido a una columna giratoria de aire producida por las aspas de la hélice, que aparece en la Figura 41.6 como velocidad radial v,.. Existe también un componente tangencial u debido al giro del rotor. Como consecuencia de todo este proceso el aire es expulsado por el rotor con un vector absoluto Va calculado a partir de los vectores tangencial y radial. En la Figura 41.6 se puede observar que es posible controlar el vector V r cambiando la forma de los álabes del ventilador centrífugo. En la Figura 41.6 se muestran las relaciones vectoriales de los tres principales tipos de ventiladores centrífugos. Desde el punto de vista de la eficacia y del ruido es preferible un valor Va mínimo para ventiladores curvados en sentido contrario a la marcha. Sin embargo, no es siempre posible emplear este tipo de ventiladores. Cada tipo posee características distintas de presión y potencia que lo hacen adecuado para aplicaciones concretas.

Efectos de la espiral y del obturador de los ventiladores centrifugos

La espiral de un ventilador centrífugo puede tener la forma de una involuta en la que la holgura axial aumenta directamente en proporción al ángulo atravesado, condición precisa para que exista una velocidad constante media de flujo alrededor

RUIDO DE VENTILACION

41.9

de la espiral, asumiendo que se reciba un suministro de aire uniformemente distribuido por parte del área de descarga de los álabes. Este tipo de hélice es el adecuado para una producción mínima de sonido. Si aumenta la holgura en la hélice con más rapidez, la velocidad de salida se reduce y aumenta la presión. Aunque el aumento de presión pueda ser adecuado en ciertos casos, provoca un cambio brusco en el obturador que tiene como consecuencia un incremento de ruido a la frecuencia del álabe. La holgura del obturador es también un punto problemático. Por lo general, cuanto más pequeño sea el obturador, mayor será el ruido giratorio que genera. Una holgura del 5 al lO por 100 del diámetro de la hélice se considera normalmente la medida ideal.

Alabes aerodinámicos, inclinados y curvados en sentido contrario a la marcha

Los ventiladores centrífugos con diseño de álabes inclinados en sentido contrario a la marcha son de tres tipos principales, como muestra la Figura 41.7. Estos ventiladores son los de mayor eficacia de todos los diseños de tipo centrífugo, y producen los menores niveles de potencia sonora. Se emplean estos tres tipos de ventilador para sistemas generales de calefacción, ventilación y aire acondicionado con exigencias de presión bajas, medias y altas. También se emplean estos ventiladores para servicios industriales de limpieza de aire. El ventilador aerodinámico debe ser utilizado solamente en instalaciones en las que el aire es bastante limpio, ya que sus álabes no deberían sufrir erosión ni corrosión. Los álabes de grosor uniforme deben ser usados para instalaciones en las que el aire puede contener pequeñas cantidades de suciedad y material erosivo o corrosivo. Existen otros tipos de diseños de ventilador para casos en los que se prevén condiciones especialmente difíciles. Estos ventiladores emiten un espectro de ruido bastante uniforme. La frecuencia del álabe no es tan importante como en algunos de los demás ventiladores estudiados en este capítulo. Estos ventiladores poseen normalmente de 8 a 16 álabes.

ALABES AERODINAMICOS

ALABES CURVADOS EN SENTIDO CONTRARIO A LA MARCHA

ALABES INCLINADOS EN SENTIDO CONTRARIO A LA MARCHA

FIGURA 41.7. Los tres tipos principales de ventiladores centrífugos de alta eficacia y bajo nivel de ruido.

41.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ventiladores radiales modificados

Los ventiladores de este tipo, como el que muestra la Figura 41.8, han sido creados para usos industriales bajo condiciones de alta presión. El diámetro interior del filo del álabe posee un leve ángulo de inclinación en el sentido de la marcha. El diámetro exterior del aspa es radial. El funcionamiento de la hélice adquiere por tanto peculiaridades de alta presión que permiten su empleo para instalaciones en servicios industriales pesados, tales como calderas de utilidad pública, depuradoras y procesos industriales. Este diseño es empleado bajo condiciones de alta posibilidad de erosión y corrosión. En estos casos puede ser reforzado con una elaboración más sólida de lo habitual o con materiales especiales preparados para soportar estas condiciones. Este ventilador produce un espectro de ruido que tiene un gran componente de frecuencia del álabe. Tales ventiladores poseen entre 12 y 18 álabes.

Ventiladores radiales

Este tipo de ventilador industrial pesado se fabrica con diferentes secciones de hélice, como muestra la Figura 41.9. Se diseñan con álabes anchos y de poco espesor para su uso en instalaciones con grandes cantidades de flujo de aire a baja presión. Para aplicaciones a altas presiones y cantidades de flujo de aire relativamente pequeñas se emplean álabes estrechos y profundos. Es posible adquirir ventiladores de muy diversas proporciones, y están en uso muy distintas versiones de este tipo de ventilador industrial de álabes radiales. El tipo de ventilador radial que muestra la Figura 41.10 se emplea en servicios difíciles de instalaciones industriales. por ejemplo, cuando deban pasar directamente a través del ventilador materiales extraños (tales como virutas de madera, arena o partículas de papel). Este rotor posee álabes radiales planos que permiten realizar ciertas reparaciones en el mismo lugar. También se simplifica su fabricación cuando se emplean materiales especiales o se aplican revestimientos concretos a las superficies desgastadas. El ventilador radial posee un espectro de ruido con un gran componente de frecuencia del álabe. Estos ventiladores tienen por lo general entre 6 y 12 álabes.

FIGURA 41.8. Ventilador de álabes radiales modificados para instalaciones industriales de alta presión.

RUIDO DE VENTILACION

41.11

FIGURA 41.9. Diseños de ventiladores de álabes radiales para instalaciones indus· triales pesadas.

Ventiladores de álabes curvados en el sentido de la marcha

El ventilador de álabes curvados en el sentido de la marcha que muestra la Figura 41.11 se utiliza primordialmente para funciones de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire, bajo condiciones de alto volumen de flujo a baja presión en instalaciones de tipo compacto, hornos domésticos y pequeñas unidades de energía centralizadas. Este ventilador emite un nivel sonoro mayor al de los ventiladores de álabes curvados en sentido contrario a la marcha, pero el componente de frecuencia del álabe es bajo. Poseen habitualmente entre 36 y 64 álabes. Existen muchos tipos diferentes de hélices de álabes curvados en sentido de la marcha, con una amplia gama de niveles de potencia sonora distintos. Es por tanto aconsejable conseguir los datos reales del ruido emitido por el ventilador para el proyecto en consideración. El ventilador de álabes curvados en sentido de la marcha se emplea para instalaciones compactas de aire acondicionado en las que la importancia del espacio ocupado es primordial. En gran parte de los casos las condiciones de flujo de entrada y/o salida del ventilador son deficientes, por lo que el funcionamiento del ventilador es irregular y se genera un mayor nivel de ruido. La unidad debe ser proyectada meticulosamente, procurando dejar un espacio suficiente que permita un óptimo flujo de aire.

Ventiladores axiales

Los ventiladores de flujo axial (véase la Figura 41.1) transmiten la energía al aire por medio de un movimiento de giro como el que muestra la Figura 41.12. Este flujo de aire en remolino no es el más apropiado para un flujo eficaz de aire a través del conducto adyacente. Con el fin de mejorar su eficacia es necesario añadir guías que enderecen el flujo, como ilustra la Figura 41.13. El propulsor axial puede disponer de álabes de grosor uniforme, con forma aerodinámica hueca o compacta. El diseño aerodinámico, aunque de mayor coste, puede ser más eficaz y silencioso, y proporciona una mayor presión para diámetros y velocidades equivalentes. Para muchas instalaciones es suficiente el álabe de grosor uniforme. Casi ningún ventilador axial posee una inclinación uniforme, sino que es mayor en la parte central que en el extremo, para poder así aprovechar con más

41.12

FIGURA 41.10. transporte.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ventiladores de álabes radiales para instalaciones forzadas y de

uniformidad las velocidades periféricas en estos puntos. En el caso de que se utilicen estos ventiladores bajo condiciones de presión mayores a las previstas, el flujo de aire cercano al eje giratorio no será rectilíneo y provocará un ruido considerable. Debido a esta razón se deberían seleccionar con atención los ventiladores axiales. Es más, algunos de ellos precisan una minuciosa elección del motor en caso de que la energía tienda a aumentar rápidamente en condiciones de oclusión. Las características principales del ventilador axial se reflejan en la forma de los álabes, la medida del diámetro desde el eje giratorio al extremo, la inclinación y el número de álabes. Este tipo de ventiladores, diseñados para aplicaciones bajo alta presión, se caracterizan normalmente por poseer un gran diámetro de hélice, y por tener bastantes álabes. Es habitual que se dé una relación de 0,60 a 0,80 con un número de álabes de 8 a 26. Cuanto mayor sea tal relación, menor será la longitud del álabe y mayor será su número. Los diseños para bajas presiones poseen relaciones de 0,40 a 0,60 y un número de palas de entre 2 y 7. La inclinación del álabe está en función de la capacidad del aire, mientras que el número de álabes está en función de la presión. Los distintos diseños incorporan muy diversas combinaciones entre estos parámetros. Los ventiladores axiales se fabrican para una amplia gama de combinaciones entre caudal y presión, tanto para usos comerciales como industriales. Ventiladores axiales con aletas guía. El ventilador axial con álabes guía, Figura 41.4, incorpora aletas de salida de aire, y es por tanto el ventilador de mayor eficacia de la serie de flujo axial. Este ventilador posee cualidades relativas de alta presión que lo hacen adecuado para sistemas generales de calefacción, ventilación y aire acondicionado para aplicaciones a bajas, medias o altas presiones. También se emplea en instalaciones industriales y en ventiladores de aspiración mecánica o inducida en calderas de uso público. Los ventiladores axiales con aletas guía generan unos niveles de ruido ligeramente mayores que los de ventilación centrífuga. Su espectro posee un componente muy alto de frecuencia del álabe. Ventiladores tuboaxiales. El ventilador tuboaxial, Figura 41.4, es un ventilador axial sin aletas guía de salida de aire. Su eficacia es menor que la del ventilador con aletas guía, pero su coste inicial es menor debido a que su fabricación es más sencilla. Este ventilador se emplea en algunos conductos a presiones bajas, medias y altas, para instalaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Se usa tam-

RUIDO DE VENTILACION

41.13

FIGURA 41.11. Ventilador de álabes curvados en sentido de la marcha, utilizado principalmente para instalaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

bién en instalaciones industriales tales como cabinas para pintura y sistemas de evacuación de humos. Este ventilador tiene normalmente un diámetro de eje giratorio pequeño, y se emplea cuando exista un alto índice de flujo de aire a baja presión relativa. El ventilador tuboaxial genera un nivel de ruido ligeramente mayor que el del ventilador axial con aletas guía. Su espectro contiene un componente muy alto de frecuencia del álabe.

Ventiladores helicoidales. El ventilador helicoidal, Figura 41.4, se emplea por lo general en compartimentos aislados no conectados al sistema de conductos. Están indicados para instalaciones a muy bajas presiones (muchos funcionan bajo condiciones de nula o casi nula impulsión) y son capaces de soportar grandes flujos de aire. Los ventiladores helicoidales se fabrican con una gran variedad de diseños de álabes. Se emplean generalmente en ventilaciones por evacuación en techos, para circulación de aire, ventilaciones localizadas y torres de refrigeración. Algunos de estos ventiladores poseen diámetros de gran tamaño. Los niveles sonoros de un ventilador helicoidal son sólo algo mayores que los de los ventiladores tuboaxiales o axiales con aletas guía, pero sus ruidos son de bajas frecuencias y por tanto complicados de atenuar.

SILENCIADORES PARA VENTILADORES Si se precisan niveles de potencia sonora más bajos que los generados por ventiladores con un diseño adecuado es necesario añadir atenuación al sistema. Esto se puede conseguir gracias a silenciadores (llamados también atenuadores de sonido) instalados como unidades separadas del sistema o como parte integrante del ensamblaje de ventilación. (Véase también «Silenciadores», Capítulo 42.) La Figura 41.14 muestra un ventilador centrífugo con silenciadores en las bocas de entrada y salida, empleado en el sistema de suministro de instalación central de ventilación. La salida del ventilador posee un silenciador que reduce el flujo de energía acústica desde la descarga hasta el conducto de suministro de aire. El nivel de atenuación requerido se determina empleando los niveles de potencia sonora del ventilador (sin silenciador) para calcular el nivel de sonido resultante en la habitación bajo condiciones críticas de ruido. La cantidad en que el nivel sonoro calculado

41.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 41.12. Movimiento en remolino de la corriente de aire provocado por el rotor de un ventilador axial.

sobrepasa al permitido es la cantidad de atenuación precisa que debe suplir el silenciador del ventilador. No existe ninguna regla preestablecida para seleccionar un silenciador, que debe ser elegido de acuerdo a criterios reales, como se describe en el Capítulo 42. El silenciador en el sistema de entrada del ventilador que muestra la Figura 41.14 se utiliza para reducir a niveles admisibles el sonido emitido en la boca de entrada del ventilador (fuera de la toma de aire fresco). Este silenciador se selecciona con el mismo criterio que el situado en la descarga. Sin embargo, en este caso concreto se utiliza un criterio distinto. A menudo este criterio especifica un nivel sonoro con ponderación A determinado que no debe sobrepasar ni los límites del edificio ni los del edificio o residencia adyacente más próximos. La Figura 41.15 muestra los silenciadores instalados directamente antes y después de un ventilador de flujo axial. Los silenciadores y el ventilador se consideran una sola unidad, separada de los conductos de entrada y descarga por anillos flexibles. La unidad completa se sostiene sobre un bloque de inercia que, a su vez, queda aislado de la estructura del edificio por aisladores de vibración. La mayoría de los silenciadores para ventiladores son de tipo absorbente, ya que este modelo posee características de atenuación de banda ancha. Los silenciadores de tipo resonador se emplean algunas veces en instalaciones especiales, pero menos habitualmente que los de tipo absorbente, ya que deben ser proyecta<;ios a medida y pueden precisar ajustes dependiendo de las condiciones de campo.

Salas de equipos mecánicos (véase también el Capítulo 42)

En las Figuras 41.14 y 41.15. los muros de la sala de equipos mecánicos son de construcción pesada con el fin de reducir la transmisión de ruidos por el aire hacia las salas adyacentes. En algunas instalaciones es conveniente aplicar en la sala material

RUIDO DE VENTILACION

41.15

ALABE DEL ROTOR

FIGURA 41.13. Los álabes guía enderezan el flujo en remolino aumentando la eficacia del ventilador, causando menores niveles de ruido como resultado.

absorbente de sonido, que reducirá su nivel de ruido [véase Ecuación (4.5)1 para evitar su transmisión a zonas adyacentes. La instalación completa de ventilación de la Figura 41.15 se apoya sobre un bloque de inercia (véase el Capítulo 28) que queda aislado del suelo de la sala por medio de aisladores de vibración. Desde el punto de vista del control de ruidos este factor es importante, ya que sin este aislamiento la vibración de la instalación de ventilación puede ser transmitida al edificio y crear problemas acústicos. El ventilador también está acoplado mediante un anillo flexible entre él y el conducto de descarga con el fin de prevenir la transmisión de vibraciones desde la cubierta del ventilador al conducto adjunto. También se coloca un anillo flexible en la toma de aire fresco para separar la unidad de ventilación de la estructura del edificio. En gran parte de los casos las vías de penetración a la sala de instalaciones mecánicas a través de paredes, suelos y techos no están adecuadamente equipadas para prevenir la transmisión de sonidos, que, aunque sean pequeños, reducen en gran medida las posibilidades de aislamiento de muros, suelos y techos. Es esencial por lo tanto sellarlos. Otro problema acústico de importancia asociado a las salas de equipos mecánicos es la transmisión lateral (véase Capítulos 31 y 32).

Radiación del bastidor

Los valores de niveles de potencia sonora específicos que muestra la Tabla 41.1 para varios modelos de ventilador representan la energía emitida dentro de las bocas de entrada y salida. Esta tabla no incluye datos sobre el ruido transmitido a través de los laterales del bastidor, ya éste es solamente una pequeña parte del ruido total. Además, es bastante difícil proporcionar tales datos, considerando que los diseños de bastidores varían en gran medida en cuanto a espesor, forma y piezas de

FIGURA 41.14.

aire al sistema

~

Descarga de

\el ti

'''h O

.1' ," "'11

,II~ O

':' :"

,"'" ,1,

1'1 1'1

A~

Sistema de atenuación de sonido en una instalación de ventilador centrífugo.

Aisladores de vibración

Bloque de inercia

Silenciador de descarga

Anillo flexible

Silenciador de entrada

Anillo flexible

aire fresco

~

Entrada de

oO

e

::D

m ,....

O

::D

-t O ,....

z

o

n

-<

~

-t

(f)

e

~

~

O

m

~

om

:.t> ,....

z e

:.t>

~

.......... en

41.17

RUIDO DE VENTlLACION

ANILLO FLEXIBLE

SILENCIADOR SILENCIADOR DE ANILLO DE DESCARGA VENTILADOR ENTRADA FLEXIBLE

,,'Descarga ......1-_ _ de aire

FIGURA 41.15. de flujo axial.

r--~~if:

"""" ",

~~""~""""""'. ":::" ~ ''': "- ,,-"-,," ~.~. ~" ~ K'",0, :;-""-" '-:; I~~:;:':- ~j --:..,~-- ~'-_ ....",--'u

,,-

'- .'-'.

BLOQUE DE INERCIA AISLADORES D E VIBRACIO N

I t j

j

n

11

...

Entrada de aire

.toE', ;

'1:_.J_LV " 5i[

.'-1

" I

Sistema de atenuación de sonido en una instalación de ventilación

refuerzo. Con el fin de calcular con exactitud el ruido transmitido es necesario poseer un proyecto detallado de la construcción del bastidor. En caso de que no sea posible conseguir estos datos, es normal estimar el valor de atenuación entre el interior y el exterior del bastidor en unos 20 dB para instalaciones de ventilación normales. Los ventiladores industriales de alta presión se construyen con bastidores pesados, pero su eficacia se ve a menudo reducida mediante sellamientos inadecuados alrededor del eje, o por anillos flexibles inapropiado s entre el ventilador y el conducto adjunto. No es necesario que los sellamientos alrededor del eje sean de rozamiento (como los empleados para instalaciones herméticas), pero deberían ajustar con precisión para reducir la ranura existente entre el bastidor y el eje a un nivel mínimo. Los anillos flexibles de salida y entrada de ventilación se construyen frecuentemente con lona o material similar que permite una fuga acústica hacia el sistema equivalente a una sección abierta del conducto. En casos en los que los niveles de ruido cercanos al ventilador sean considerables, el anillo flexible debería estar fabricado con vinilo relleno de plomo. Como en la mayoría de los ruidos producidos por ventiladores se da una amplia gama de frecuencias, cuando el nivel de potencia sonora emitido sea alto dentro de una banda que incluya la frecuencia natural de alguna parte del bastidor (normalmente una superficie lisa), el ruido podría ser en gran medida emitido a través del bastidor. Es posible añadir refuerzos que aumenten la frecuencia natural de la superficie transmisora hasta una frecuencia más alta, o material de amortiguamiento a su superficie con el fin de reducir la emisión de sonido, como se describe en el Capítulo 28.

41.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

MEDIDAS DE RUIDO DE VENTILACION EN LABORATORIO Método de cámaras semirreverberantes

Los procedimientos de cálculo de ruido de ventilación en laboratorio vienen especificados por la norma Air Movement and Control Association (AMCA) Bulletin 300-Standard test eode for sound rating air moving deviees. Este código se aplica a los siguientes tipos de instalaciones de ventilación: (1) unidades centralizadas de aire acondicionado, calefacción y ventilación; (2) ventiladores centrífugos; (3) ventiladores industriales axiales y helicoidales; (4) ventiladores de techo y en muros, y (5) calentadores de vapor yagua caliente. Este código de ensayo precisa que el nivel de potencia sonora sea medido en ocho bandas de octava (63, 125,250,500,1.000,2.000,4.000 Y8.000 Hz). Las mediciones de ruido en laboratorio se realizan (en una cámara semirreverberante) utilizando una fuente de sonido calibrada como referencia, y empleando la técnica de sustitución. Este código no es aplicable a medidas de campo. Los ventiladores se conectan normalmente a un conducto de prueba que termina en un orificio o placa perforada por un lado del ventilador, y en una entrada o salida abierta por el otro. Desde las terminaciones de este tubo de extremos abiertos no se emiten eficazmente las bajas frecuencias, sino que son de nuevo reflejadas hacia la unidad de prueba. En estas condiciones se presupone que la energía de sonido reflejada de nuevo en el interior del conducto de ventilación se disipa internamente por completo y no aparece como parte del sonido emitido desde el ventilador. Para justificar la pérdida de estos componentes de baja frecuencia, se ofrece en el código un procedimiento que añade factores de corrección a la parte de bajas frecuencias del espectro. Así la corrección por reflexión final se añade a los datos de ruido del ventilador para indicar el ruido generado total. Según este mismo razonamiento, estas frecuencias bajas no pueden ser emitidas a través de pequeñas aberturas de salida en los sistemas de conducción y, por lo tanto, en el diseño acústico del sistema estas correcciones de baja frecuencia deberían ser sustraídas del nivel de potencia sonora del ventilador con el fin de mostrar los valores correctos de emisión de ruido desde las salidas del ventilador.

Método para interior de conductos

Un método de ensayo estudiado en la norma ASHRAE 68, Laboratory method of testing in duet sound power measurement proeedure for fans 4 se aplica a instalaciones de ventilación tales como ventiladores centrífugos y axiales, unidades de transporte de aire, unidades multizona, instalaciones de conducto unitario y hornos. Esta norma de ensayo describe un procedimiento para la medida de los niveles de presión sonora en un conducto especial de ensayo equipado con una terminación anecoica. Las medidas en el conducto se toman por medio de un micrófono. La medida resultante de nivel de presión sonora se transforma por medio de un cálculo en nivel de potencia sonora.

RUIDO DE VENTILACION

41.19

PROGRAMA DE CERTlFICACION DE DATOS ACUSTICOS No es posible que los fabricantes de ventiladores comprueben todos los tamaños de ventiladores a todas las velocidades posibles. Por lo tanto se ha creado un programa que delimita el número de pruebas sin menoscabo de la validez de los datos proporcionados sobre el ruido emitido por un diseño concreto de ventilador a cualquier rpm catalogada o diámetro de hélice. Las características de este programa se definen en el AMCA Bulletin 311, Certified sound ratings program for air moving device~. Todos los datos de ruido mencionados deben estar fundamentados en una muestra del producto o un modelo de producción del mismo diseño y materiales que el puesto a la venta. (Los datos de ruido de un tipo de ventilador no pueden ser empleados para predecir los de tipos diferentes.)

ESPECIFICACIONES Las especificaciones sobre ruidos generados por un ventilador pueden ser reguladas de acuerdo a dos formatos generales:

Formato de especificaciones número 1

Este formato contiene las especificaciones para el procedimiento de ensayo y la notificación de datos de niveles de potencia sonora generados por el ventilador funcionando bajo un rendimiento concreto. Con esta información es posible calcular el nivel de presión sonora resultante para una instalación de ventilación particular. Si los niveles de presión son demasiado elevados, se deben aplicar al sistema unas condiciones determinadas de atenuación de sonido, que deberían ser redactadas del siguiente modo: El ruido emitido por el ventilador cuando funciona con el caudal y presión de flujo de aire establecidos será determinado de acuerdo a las condiciones de la norma AMCA 3(XJ, Reverberant room method for sound testing of fansA. y serán notificados en términos de nivel de potencia sonora en decibelios re 1 picovatio en ocho bandas de octava.

Formato de especificaciones número 2

Este formato contiene las especificaciones sobre el límite superior del nivel de potencia sonora en bandas de octava emitido por el ventilador que serán permitidas en condiciones de funcionamiento. Esta condición se emplea en casos en los que el nivel de potencia sonora permitido en una tarea determinada ya haya sido establecido. Ya están determinados los niveles máximos de potencia sonora del ventilador. El fabricante, con el fin de alcanzar tales objetivos, debe por tanto proporcionar el nivel de atenuación necesario como parte de la instalación de ventilación. La adición de esta atenuación au-

41.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

menta el coste del ventilador. Las condiciones basadas en esta consideración deben ser redactadas del modo siguiente: El ruido emitido por el ventilador funcionando con el caudal y presión del flujo de aire establecidos será determinado de acuerdo a las condiciones de la norma AMCA 300, Reverberant room methodfor sound testing offans6 y serán notificados en términos de nivel de potencia sonora en decibelios re 1 picovatio en ocho bandas de octava y no sobrepasarán los valores mostrados a continuación: Frecuencia central, Hz: Lw máximo, dB:

63

125

250

500

X

X

X

X

1.000 2.000 4.000 8.000

X

X

X

X

(Las X deben ser reemplazadas por los valores de nivel máximo de potencia sonora permitidos.) Algunas condiciones de funcionamiento precisan que la medición del nivel de potencia sonora sea realizada a una distancia fija respecto a las mayores superficies de la máquina. Estas condiciones no son apropiadas para su empleo con ventiladores, ya que las normas acústicas que exigen tales medidas excluyen especialmente los ventiladores. En la mayoría de los casos, los problemas de ruido asociados con ventiladores se deben a su conexión con el sistema de conductos y no al ruido en las proximidades del ventilador. El ruido en las zonas próximas al ventilador no guarda ninguna relación con el emitido desde la boca de salida más próxima en un sistema de calefacción, ventilación o aire acondicionado, o con el emitido desde la parte superior de una chapa en un sistema industrial. Para esas instalaciones especiales en las que se especifica el nivel de sonido en el local de la instalación, el nivel sonoro a una distancia fija del ventilador puede desorientar, a menos que este nivel de presión sonora esté relacionado con las propiedades acústicas del local de instalación del ventilador. Los fabricantes no pueden garantizar el cumplimiento de estas condiciones debido a que no pueden controlar el entorno acústico de la instalación del ventilador.

NIVEL DE INTENSIDAD DE SONIDO ESPECIFICO El nivel de potencia sonora específico es el nivel de potencia sonora generado por un ventilador concreto cuando funciona con una tasa de flujo de aire de 1 m3 /seg y bajo una presión de 1 kilopascal (l kPa). Reduciendo todos los datos de ruido de ventiladores a esta base común, el empleo de un nivel de potencia sonora concreto permite comparar directamente los niveles en bandas de octava de varios tipos de ventiladores. Su uso proporciona también medios para calcular el nivel de ruido en ventiladores bajo condiciones de funcionamiento real mediante el procedimiento mostrado a continuación. En sistemas en los que el control de sonido sea problemático (como auditorios, estudios de grabación o salas de conferencias), es aconsejable obtener datos más detallados sobre el ventilador concreto más que emplear procedimientos de estimación.

41.21

RUIDO DE VENTILACION

Estimación del ruido de un ventilador en condiciones de funcionamiento real

Paso l.

Se obtienen de la Tabla 41.1 los niveles específicos de potencia sonora en bandas de octava para el tipo particular de ventilador seleccionado. Estos datos de nivel de potencia sonora vienen especificados en decibelios re 1 picovatio.

Paso 2.

Se ajustan los niveles en bandas de octava del Paso 1 a las condiciones de funcionamiento real añadiendo al mencionado nivel uno de los valores siguientes: 10 10glOQ

+ 20 10g¡oPl

dB

(41.2a)

En unidades anglosajonas 10 10glOQ

+ 20 10g¡cPl - 45

donde Q = caudal de aire, m 3/seg (cfm), y PI lumna de agua).

dB

(41.2b)

= presión total, kPa (pulgadas de co-

Paso 3. Se calcula el componente de frecuencia de álabes del ventilador añadiendo el incremento de frecuencia del álabe (BFI) (véase Tabla 41.1) al nivel de banda de octava de la banda que incluye la frecuencia del álabe, calculada empleando la Ecuación (41.1).

Paso 4.

La suma anterior representa el nivel de potencia sonora total de emisión desde la boca de entrada a la de salida. Se restan 3 dB en cada banda de octava para obtener el nivel de potencia sonora de emisión solamente desde la boca de entrada o de salida.

Ejemplo de un procedimiento de cálculo

Tomemos en consideración un ventilador de álabes curvados en sentido contrario a la marcha con 16 palas y un diámetro de rotor de 0,93 m funcionando a 650 rpm, con un caudal de aire de 20 m 3/seg y una presión total de 15 kPa. En la Tabla 41.2 se muestran algunos ejemplos de cálculo de nivel de potencia sonora emitido desde la boca de entrada de acuerdo a los siguientes pasos:

Paso l.

Determinar por medio de la Tabla 41.1 los niveles específicos de potencia sonora del ventilador de álabes curvados en sentido contrario a la marcha. Incluirlos en la Tabla 41.2.

Paso 2.

Ajustar los niveles en bandas de octava del Paso 1 que muestran las condiciones de funcionamiento reales empleando la Ecuación (41.2):

41.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 41.2. Ejemplo de cálculo del nivel de potencia sonora de emisión desde el interior de un ventilador. Todos los niveles de potencia sonora de banda de octava vienen expresado en decibelios re 1 picovatio

Frecuencias centrales de bandas de octava, Hz 125

250

500

1000

2000

4000

8000

84

79 17

75 17

68 17

64

62 17

-3

85 17 3 -3

99

99

63 Paso 1 Paso 2 Paso 3 Paso 4

85 17 O

Emisión desde el interior

17

17

O

O

O

O

O

O

-3 98

-3 93

-3 89

-3 82

-3 78

-3 76

(métrico) 10 10glOQ + 20 10glOP, = 10 log¡020 + 20 10glO 1,5

=

17

(anglosajón) 10 10glOQ + 20 10g!(lP, - 45 = 10 log lO42,36 + 20 10glO 6 - 45

dB =

17

dB

Paso 3. Según la Ecuación (41.1) la frecuencia lB del álabe es lB = n X N = 10,8 X 16 = 173 Hz. Esta frecuencia se encuentra en la banda de octava de 125 Hz. Por tanto, se añade el valor BFI de 3 dB listado en la Tabla 41.1 (para un ventilador de álabes curvados en sentido contrario a la marcha) al nivel de banda de octava de la octava de 125 Hz. Paso 4. Se restan 3 dB en cada banda de octava para obtener el nivel de potencia sonora de emisión de ruido de la boca de entrada solamente (mostrado en negrita en la Tabla 41.2).

NORMAS SOBRE VENTILADORES: TAMAÑO Y VELOCIDAD Las normas sobre ventiladores predicen con exactitud el funcionamiento de una gama bastante amplia tanto en tamaño como en velocidad. como se muestra a continuación: Q" = Qh(d)dh)J(nufllh)

(41.3)

Pta

(41.4)

=

p,h(daldhf(lljllb)2

(41.5) L~r" =

donde Q

=

Lnn + 70 10glO(d)d,,) + 5010g lO (n,,In,,)

cantidad de flujo de aire. mJ/seg.

P, = presión total. kPa.

P = potencia del ventilador, kilovatios

(41.6)

RUIDO DE VENTILACION

41.23

Lw = nivel de potencia sonora, decibelios re 1 picovatio d = diámetro del rotor, metros n = velocidad del rotor, número de revoluciones por minuto

Hay que tener en cuenta las siguientes indicaciones: a = datos bajo las condiciones de funcionamiento requeridas

b

=

datos bajo condiciones de funcionamiento en curvas base

Aunque la Ecuación (41.6) es menos precisa que las que predicen otras características de funcionamiento, es suficientemente exacta para propósitos estimativos. Las leyes de ventiladores expresan matemáticamente que cuando dos ventiladores forman parte de una serie similar, sus curvas de funcionamiento son similares, y que en puntos equivalentes de medición para cada curva de funcionamiento sus eficacias son iguales. Las leyes de ventiladores se pueden aplicar para cada cálculo solamente en un punto de la curva del ventilador. Este punto puede ser utilizado para calcular solamente el punto equivalente en cada nueva curva de velocidad. Para definir con precisión la nueva curva de velocidad es necesario utilizar bastantes puntos de datos individuales de la curva con el fin de que ésta pueda ser trazada con el mínimo error de interpolación entre los puntos. Para aplicar las leyes de ventilación es preciso poseeer datos reales de estudio para un ventilador de la misma serie. El uso de las leyes queda restringido a casos en los que las dimensiones lineales de los ventiladores mayores o menores sean proporcionales al ventilador para el que se hayan realizado los datos de estudio. Un parámetro problemático de emisión de ruido es la velocidad del ventilador. Para un tipo de ventilador determinado, para un caudal de aire y presión determinados, existe un tamaño en particular que es preferible a todos los demás. Ni un tamaño mayor ni uno menor serían más convenientes. Un error común de interpretación consiste en pensar que un ventilador de mayor tamaño funcionando a menos velocidad reducirá la emisión de ruido. Esto es un error. Un ventilador mayor funcionará a una velocidad de rotación más lenta, pero no en su punto de mayor eficacia. Por tanto, el ruido será mayor. Cuando este ventilador de mayor tamaño funcione a una velocidad reducida, el diámetro exterior del rotor mayor debe funcionar a la misma velocidad que el del rotor más pequeño con el fin de alcanzar la velocidad requerida. Esta presión concreta no se puede alcanzar a velocidades menores. Por tanto, el mecanismo de emisión de ruido es el mismo, y el ruido producido por el ventilador de mayor tamaño a velocidad más lenta no es menor que el emitido por el más pequeño. Esta alteración en la eficacia traerá como consecuencia un mayor nivel de ruido en el ventilador mayor. Una vez determinado el tamaño conveniente del ventilador para una aplicación concreta, no es posible reducir los nive/es de ruido utilizando otro de mqyor o menor tamaño. Puede producirse una excepción a lo mencionado anteriormente cuando el cambio de velocidad sea suficiente para rebajar significativamente la frecuencia de álabe del ventilador. Como el oído humano responde con menos precisión a las bajas frecuencias (véase Figura 17.1), se reduce la sonoridad del ventilador emisor del sonido. La potencia acústica emitida es la misma, pero el oído humano interpreta el cambio como una mejora. Sin embargo, en la mayoría de los casos el cambio de ve-

41.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

locidad no es suficiente para provocar diferencias apreciables. Las afirmaciones anteriores son aplicables solamente a ventiladores de diversos tamaños del mismo diseño. No es posible comparar ventiladores de distintos formatos en base a la velocidad, sino que deben ser comparados en base a niveles concretos de potencia sonora. Por ejemplo, con valores de presión equivalentes algunos ventiladores de tipo industrial giran a menor velocidad que los de ventilación habitual. Los ventiladores industriales, de mayor lentitud, producen sin embargo niveles más altos de ruido. Como resultado, no se emplean nunca en instalaciones de calefacción, ventilación o aire acondicionado. PUNTO OPERA TlVO DE LA CURVA DE RENDIMIENTO

Los valores concretos de potencia sonora de la Tabla 41.1 están basados en el funcionamiento del ventilador cerca del punto de mayor eficacia de la curva de rendimiento. Por tanto, la elección del tipo, tamaño y velocidad del ventilador deben realizarse con el fin de que éste alcance este punto de mayor eficacia, punto importante no solamente desde el punto de vista del control de ruido, sino del ahorro energético. El funcionamiento de un ventilador viene determinado por medio de los procedimientos que se explican en la norma AMCA 210 1 • Sus resultados se pueden mostrar en forma de curvas de rendimiento del ventilador, como muestra la Figura 41.16 en el caso de un ventilador centrífugo, y la Figura 41.17 para un ventilador axial. Estas curvas muestran valores de presión total, presión estática, eficacia total, eficacia estática y potencia trazados en función del caudal de aire. CAUDAL DE AIRE m 3/seg

I O

I

I

I

I

2

3

4

5

I 6

I

I 8

7

0,6

«

2.4.---.--'---.---r-~--'--"r--r----'

0,5

~w

I 2~~

0.4

z 0'" ¡¡; 1l.0,3 w~

a::

~

o

PT

-~~~~::~;;:t~~-~--JL--L---J ~

~ 1.6f---1--+--+~~~~~:::'::"'ct- 80 3

8

1.2f----t---:;¡.-f---+--+--+--+~~~

I

4

w

Il.

0,2

o

3~ 2

0,1

o

5

2

4 10 12 14 6 8 CAUDAL DE AIRE EN cfm x 1.000

16

o

FIGURA 41.16. Características de rendimiento habitual de un ventilador centrífugo reflejando la presión total PT, la presión estática PE, los caballos de vapor CV, la eficacia total ET y la eficacia estática EE en relación al caudal de aire.

41.25

RUIDO DE VENTILACION

CAUDAL DE AIRE m 3/seg

I

I

4

2

I

I

6

I

8

I

10

I

12

14

1,2 1,0 0,8

a:: 30 ~

~~0,6

~ 20 ~

Z

Q",

a: o..

0,4 0,2

20 153: -"

(/)

O

CJ)

~1

10

«

(!)

o

25

50

o..

....J

10

al <{

5

;t u

4

8

12

16

20

24

28

O

CAUDAL DE AIRE EN cfm x 1.000

FIGURA 41.17. Características de rendimiento habitual de un ventilador axial reflejando la presión total PT, la presión estática PE, los caballos de vapor CV, la eficacia total ET y la eficacia estática EE en relación al caudal de aire.

La curva de rendimiento resultante de una prueba real se determina mediante la curva base de este tipo de ventilador, y tomándola como referencia se puede calcular el rendimiento del ventilador para otros tamaños o velocidades empleando las Ecuaciones (41.3), (41.4) Y (41.5). (Existen algunas limitaciones respecto a gamas de tamaño y velocidad que pueden ser calculadas con un único ensayo del ventilador. En la práctica se estudian diferentes tamaños para conseguir los datos suficientes relativos a toda la gama de tamaños y velocidades disponibles habitualmente en un catálogo de ventiladores.) Examinando las curvas del ventilador que ofrecen las Figuras 41.16 y 41.17 se puede observar que existen ciertas secciones de la curva de rendimiento que corresponden a la gama alta de frecuencias de la curva total de eficacia. Se debería seleccionar un ventilador que funcione en esta franja de eficacia alta. La Figura 41.18 muestra simplemente la relación entre la presión y el caudal de aire en la curva base, representado por la curva inferior del ventilador. La parte de alta eficacia de la curva se produce entre las dos curvas típicas del sistema. Con las Ecuaciones (41.3) y (41.4) se han empleado estos datos para calcular la curva superior, que representa el funcionamiento a mayor velocidad. La sección de alta eficacia equivalente de la nueva curva se produce también entre las dos curvas típicas del sistema. Calculando y trazando una serie de curvas de ventilador a distintas velocidades, la sección de cada una de ellas limitada por estas curvas típicas del sistema establece la zona de alta eficacia de cada curva. La suma de estos puntos define la zona de selección óptima de este tamaño de ventilador, como refleja la Figura 41.18. El estudio de las características de funcionamiento de un ventilador grande muestra que su zona de selección óptima se da en la zona A de la Figura 41.18, mientras que el estudio de las características de uno de menor tamaño muestra que su zona de selección óptima se encuentra en la zona B de la figura. Por tanto, existe

41.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

CURVAS TIPICAS DEL SISTEMA

z o

iñ w

!E

B

CURVAS TIPICAS DEL VENTILADOR

CAUDAL DE AIRE

FIGURA 41.18. Curva de presión en relación al caudal, mostrando una zona ideal de selección de un ventilador con cambios de velocidad. Un ventilador de mayor tamaño (que funcione en la zona A) o de menor (que funcione en la zona B) es menos eficaz y emite un mayor nivel de ruido.

solamente un tamaño de ventilador que cumple las condiciones concretas de caudal de aire y presión en el área de mayor eficacia. Tanto con un ventilador mayor como con uno menor se obtendrían peores resultados y se producirían niveles de ruido mayores. Es de importancia crucial que tanto los ventiladores centrífugos de álabes curvados en sentido contrario a la marcha como los de flujo axial funcionen en la zona de selección óptima. Por ejemplo, en la Figura 41.17 (que muestra las características de rendimiento de un ventilador de flujo axial) existe una inflexión en la curva a la izquierda de la presión más alta que indica una pérdida de sustentación. Una zona similar de pérdida de sustentación se produce en las curvas de rendimiento de ventiladores centrífugos con álabes en sentido de la marcha. En ambos casos es esencial seleccionar un ventilador cuyo punto de funcionamiento no recaiga en esta zona, ya que podría tener como consecuencia un nivel de ruido entre 8 a 10 dB por encima del nivel de operatividad resultante en la zona de selección óptima. Existe además la posibilidad de que se den oscilaciones que provoquen un nivel de ruido variable muy molesto. También se pueden producir oscilaciones cuando los ventiladores están conectados en paralelo y funcionan en la zona de pérdida de sustentación, transfiriendo la carga entre cada uno de ellos y provocando un nivel variable de ruido. Además de seleccionar un ventilador cuyo funcionamiento se produzca dentro de la zona óptima de selección, es importante que para un mayor rendimiento se dispongan buenas condiciones de entrada y salida. Las condiciones de entrada al ventilador son bastante problemáticas. y su mala disposición podría acarrear una reducción de su eficacia y un aumento del nivel sonoro (de hasta 10 dB).

RUIDO DE VENTlLACION

41.27

REFERENCIAS 1. Laboratory Methods of Testing Fans for Rating, ASHRAE Standard 51, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329. Also published as AMCA Standard 210, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. 2. ASHRAE Handbook, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329. 3. Fan Engineering, 8." ed., Buffalo Forge Co., Buffalo, NY 14240, 1983. 4. Laboratory Method of Testing In-Duct Sound Power Measurement Procedure for Fans, ASHRAE Standard 68, American Society of Heating. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329. Also published as AMCA Standard 330, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. 5. Certified Sound Ratings Program for Air Moving Devices, AMCA Bulletin 311, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. 6. Reverberant Room Method for Sound Testing of Fans, AMCA Standard 300, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004.

Capítulo

42

CONTROL DE RUIDO EN CALEFACCIONES, VENTILACION y SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO Robert M. Hoover Warren E. Blazier, Jr. INTRODUCCION En este capítulo se estudian las principales fuentes de ruido en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HV AC), la forma en que se comunica el ruido originado por tales fuentes a los espacios servidos y el modo de controlar esta transmisión de ruido. Los temas tratados incluyen ruido de ventiladores, dispositivos terminales de ventilación (como difusores), atenuación de sonido en conductos, silenciadores, equipamiento de ventilación ensamblado, equipamiento de ventilación compacto (unidades de manipulación de aire), unidades de aire acondicionado para tejados, sistemas compactos de aire acondicionado, impelentes absorbentes de sonido, sistemas de volumen de aire variable y unidades de control terminales de aire (tales como terminales con ventiladores propulsados), métodos de compensación de aire, la transformación entre el nivel de potencia sonora de la fuente y el nivel de presión sonora de la habitación (Lw - L p ), Yel cálculo de atenuación requerido según cada criterio seleccionado. A lo largo de este capítulo se prestará especial atención al control de ruidos de baja frecuencia. En la Figura 42.1 se describen los principales componentes de un sistema HV AC en relación a la emisión y al control de ruidos, incluyendo ventiladores de los sistemas de propulsión y retorno de aire, controles de amortiguamiento para la regulación del flujo de aire, mecanismos terminales de ventilación tales como difusores y rejillas de distribución de aire, conductos revestidos y sin revestir, conductos acodados, silenciadores, cajas de mezclas, válvulas de regulación de aire, y cajas de ventiladores propulsados. En la Figura 42.2 se ofrecen ilustraciones correspondientes a varios de los términos empleados en este capítulo. Las condiciones establecidas para un sistema de aire acondicionado aconsejan normalmente un nivel de ruido máximo permitido en el espacio estudiado por me-

42.1

r-

{

Conexión flexible

con control de caudal por aspas guía en el orificio de entrada

Ventilador de retorno}

,-.---"T'"-~

Terminal con ventilador propulsado

Caudal ( consta

1 ... -0

j

Difusores

... -Q )

Ca~.dal

van

FIGURA 42.1. Diagrama lineal descriptivo de los principales elementos tanto de un sistema de distribución de aire de caudal constante como de caudal variable. El sistema de propulsión, con un ventilador de propulsión y un impelente de salida, genera (a) un sistema de caudal constante con una ramificación, separadores de conductos, tubos acodados y difusores con control de amortiguación en el conducto superior, y (b) un sistema de caudal variable con una unidad terminal de aire con ventilador propulsado. El sistema de retorno muestra una rejilla de retorno de aire conectada por tuberías al ventilador de retorno, atravesando un silenciador.

L

-1 1 1 I 1

1 1

1

1

Control de aspas para caudal variable en orificios de entrada de ventilador

... -0

(5 O

e

:o

r-

m

o

r-

O

:o

-f

z

O

n

-<

(/)

~

-f

e(/)

n

:t>

(/)

~

O

s:m

m

o

r-

:t>

e

s:

:t> Z

tN

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.3

CONDUCTO PRINCIPAL

TUBO ACODADO../ CURVA O GIRO RAMIFICACION

í

CAlDA

DISPOSITIVO TERMINAL DE AIREACION

FIGURA 42.2. Terminología empleada para la descripción de una tubería HVAC.

dio de uno o varios métodos. En el Capítulo 43 se estudian los métodos que sirven para establecer los objetivos para cada proyecto.

RUIDO DE VENTILADORES Los elementos del sistema HVAC que generan mayor intensidad de ruido son el ventilador de propulsión (en el sistema de propulsión de aire) y el ventilador de retorno (en el sistema de retomo de aire). Los ventiladores centrífugos producen ruidos situados por lo general a lo largo del espectro completo de frecuencias audibles, alcanzando un valor máximo en la gama de bajas frecuencias, habitualmente entre 31,5 y 250 Hz. Como consecuencia, los ventiladores de un sistema HVAC típico determinan normalmente los límites de ruido de baja frecuencia en el espacio ocupado. Tal como se estableció en el Capítulo 41, los tipos de ventiladores más frecuentes en los sistemas HV AC de edificios son los ventiladores centrífugos curvados en sentido contrario a la marcha, curvados en sentido de la marcha y los ventiladores axiales con aletas guía. Aunque las características de cada tipo de ventilador difieren en términos de nivel de ruido en función de su frecuencia, poseen un factor en común. Los niveles más bajos de ruido se producen con diferencia cuando se utiliza el ventilador en su área de máxima eficacia de la curva de rendimiento (véase Figuras 41.16, 41.17 Y41.18).

Diseño aerodinámico. Importancia del flujo suave de aire

En caso de que un sistema no cuente con el diseño aerodinámico adecuado o con el funcionamiento eficaz de sus diversos componentes, puede incrementarse el nivel de ruido de las fuentes descritas anteriormente, y su espectro puede asimismo ampliarse, especialmente hacia la gama de bajas frecuencias, en particular si los ventiladores funcionan a baja frecuencia o en condiciones inestables de operatividad. Por tanto, el flujo de aire a la entrada y salida del ventilador debería ser lo más sua-

42.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ve posible para disminuir cualquier motivo de turbulencia. Las turbulencias provocan la aparición de ruidos y el aumento de la caída de presión estática del sistema. Por esta razón, los accesorios (tales como tubos acodados o de tránsito) no deberían colocarse a una distancia menor de 3 o 6 diámetros de conducto por debajo de un ventilador. En la Figura 42.3 se ilustran ejemplos de condiciones positivas y negativas de flujo de aire a la salida de un ventilador. La emisión de ruido en el último caso puede ser de 10 a 30 dB por encima del primer caso. En un sistema HV AC con un volumen constante de flujo de aire, los ventiladores se emplean normalmente a casi su máximo nivel de operatividad cuando tal flujo es uniforme. Sin embargo, en un sistema de volumen de aire variable en el que los controles de volumen se hayan instalado en la entrada de ventilación, el nivel de eficacia operativa se encontrará bastante por debajo de su eficacia estática máxima.

Consecuencias de la eficacia operativa sobre el ruido generado

El fabricante del ventilador aporta como dato el nivel de potencia sonora Lw a la salida o entrada de un ventilador para condiciones operativas específicas, que puede ser también determinado con el método descrito en el Capítulo 41. Los valores obtenidos utilizando el procedimiento de este capítulo se aplican solamente cuando el ventilador funciona casi a su eficacia máxima y la velocidad es relativamente uniforme a lo largo de la sección del conducto al que está conectado. Cuando se utilicen amortiguadores de control de entrada o aletas guía para el control de flujo en un sistema HV AC, el punto de operatividad del ventilador cambiará y su eficacia disminuirá. Como consecuencia, el nivel de potencia sonora en cada banda de octava aumentará en una cantidad que puede ser determinada del siguiente modo: mín.3D

~.

~_

..

rr

Ji'.~NEGATIVAS

POSITIVAS

FIGURA 42.3. Ejemplos de condiciones positivas y negativas de salida de ventilación.

42.5

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

Paso 1. Como primer paso se debe establecer la eficacia estática Eficacia estática

=

tasa de flujo x presión estática -----"'----=------k x potencia de entrada

(42.1 )

en la que la tasa de flujo (o sea, el caudal de aire) se expresa en Vs; la presión estática (o sea, la presión ejercida por el ventilador) se expresa en pascales; k es una constante igual a 1 si se emplean unidades SI (6354 si se usa el sistema anglosajón); y la potencia de entrada (o sea, la potencia desarrollada por el eje del ventilador) se expresa en kilovatios.

Paso 2. Con ayuda del valor de eficacia estática obtenido gracias a la Ecuación (42.1) se determina, según el tipo de álabes del ventilador, el aumento en nivel de potencia sonora indicado en la Tabla 42.1. [Nota: Para ventiladores axiales con aletas guía, la presión en la Ecuación (42.1) debería ser la presión total, o sea, la suma de la presión estática y la presión dinámica (la presión dinámica es la presión debida a la velocidad de la corriente en movimiento).] Por ejemplo, una velocidad en el conducto de descarga de un ventilador de 20 mlseg tiene como consecuencia una presión dinámica de 249 pascales; ésta varía en función de [v/(20 m/seg)

t

DISPOSITIVOS TERMINALES DE VENTlLACION (DIFUSORES DE AIRE Y REJILLAS) Un dispositivo terminal de ventilación es un elemento situado al final de un conducto a través del cual fluye o es evacuado el aire de una habitación. En un sistema de propulsión de aire los dispositivos terminales de ventilación (a menudo llamados difusores) proporcionan aire al espacio distribuyéndolo de un modo más o menos predecible. En un sistema de retorno de aire, los dispositivos terminales de ventilación TABLA 42.1. Ajuste de eficacia del ventilador, es decir, número de decibelios en que debería ser incrementado el nivel de potencia sonora de un ventilador debido a su funcionamiento en otras condiciones distintas que las de mayor eficacia Estos valores sirven para distintos tipos de ventiladores

Ventilador de álabes aerodinámicos y axiales

Ventilador centrífugo curvado en sentido contrario a la marcha

Eficacia, %

Aumento, dB

Eficacia, %

Aumento, dB

Eficacia,

BOa72

O 3 6 9 12

75 a 67 66 a 64 63 a 56 55 a 49 48 a 41

O 3 6 9 12

65 a 58 57 a 55 54 a 49 48 a 42 41 a 36

71 a 68 67 a 60 59 a 52 51 a 44

Ventilador centrífugo curvado en sentido de la marcha %

Aumento, dB O 3 6 9 12

42.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

a través de los cuales escapa el aire proporcionado por los difusores se denominan habitualmente registros, rejillas u hongos, según su forma.

Difusores

Los difusores tienen normalmente forma redonda, rectangular o de largas bandas estrechas (estos últimos denominados difusores lineales). Deflectores. Los difusores incorporan por lo general deflectores de aire, como aspas, lengüetas y tolvas, que ayudan a distribuir el aire con regularidad en el espacio. Cuanto mayor sea la deflexión, mayor será el nivel de ruido que emiten los difusores. El nivel de potencia Lw generado por el flujo de aire a través del difusor aumenta normalmente en 16 dB cada vez que se dobla la velocidad en las bandas de octava situadas por debajo de 500 Hz, Yde 18 a 24 dB en las bandas de octava situadas por encima de 1.000 Hz. Los datos de emisión de ruido de difusores se refieren por lo general a deflectares dispuestos en un ángulo de 0° (o sea, sin deflexión de aire). Teniendo en cuenta que los difusores raramente se sitúan con este ángulo, al seleccionar el difusor se debería tener en cuenta el aumento de nivel sonoro respecto al del ángulo de deflexión. El espectro y la intensidad de ruido dependen en gran medida del tipo de difusor y de deflector. Por ejemplo, la Figura 42.4 muestra el espectro en bandas de octava de tres difusores, cada uno de los cuales distribuye 0,4 m 3/seg: un difusor 60 Difusor redondo con cuello de 30 cm

~

b....

Difusor de lámina 50 I------.....,::'-----~------perforada con cuell ¡de 30 cm

~ ca

/

oc: o

'"ca .C:;

..

40

/

/

al

Qj .~

--.,

.. ....---------T

...oc:

C. al "tl

,/. -

Parrilla de entrada de 929 cm 2

30

z

20~--~--~--~--~--~--~--~--~

63

126 260 1k 2k 500 Frecuencias centrales de bandas de octava, Hz

4k

8k

FIGURA 42.4. Ejemplos de espectros de niveles sonoros en bandas de octava para tres tipos de salidas de aire.

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.7

circular (30 cm. de diámetro); un difusor cuadrado de lámina perforada y una parrilla de pared (0,09 m2 , con un 82 por 100 de área abierta). Datos del fabricante sobre difusores y parrillas. Es necesario siempre utilizar en la práctica los datos que proporciona el fabricante para niveles de potencia sonora en bandas de octava emitidos por difusores y parrillas de entrada y retorno. Algunos fabricantes no proporcionan esta información, limitándose en su lugar a ofrecer los niveles NC, que no prevén sean excedidos cuando haya un solo difusor en la habitación. Esta predicción se basa en la presunción de que el «factor espacial» (Lw L p ) es igual a 10 dB. Por contraste, el valor (Lw - L p ) de los espacios habituales es normalmente menor que 10 dB1.2. Por ejemplo, el valor (Lw - L p ) en una oficina puede ser solamente 5 dB. Por tanto, los niveles NC aconsejados para difusores pueden predecir unos niveles de presión de sonido en 5 dB por debajo de los niveles reales experimentados. Por esta razón, los valores NC aconsejados para salidas de aire deberían aumentarse en 5 dB. Para espacios mayores el valor (Lw - L p ) debería ser calculado utilizando la Figura 4.7 o la Ecuación (4.10), adecuando por consiguiente el valor NC indicado por el fabricante3. Efectos de los amortiguadores de control de volumen sobre el ruido del difusor. Los amortiguadores se instalan generalmente tras los difusores o parrillas con el fin de controlar el caudal de aire que los atraviesa. Los amortiguadores aumentan el ruido emitido (generalmente en el intervalo de 1.000 a 8.000 Hz), de modo que cuanto más se restrinja el flujo de aire más se incrementará el nivel de ruido. Por ejemplo, si el volumen de aire expulsado cada segundo se reduce a la mitad, el nivel de potencia sonora del ruido radiado por el difusor puede aumentar de 10 a 20 dB, según el tipo de diseño de salida de aire. Por lo tanto es importante determinar si los datos del fabricante se aplican solamente al difusor o a la combinación entre difusor y amortiguador. Por lo general los datos del fabricante son aplicables cuando el difusor recibe un flujo de aire uniforme. En caso de que no sea así, el nivel de ruido será mayor del prescrito por los datos suministrados. En la gama de altas frecuencias son las terminales de aire y sus correspondientes amortiguadores los que determinan el nivel sonoro producido por un sistema HV AC en un espacio. Ya que el ruido del difusor se produce en o cerca de la terminal de aire del espacio servido, no existe atenuación de ruido que pueda reducir su nivel en el trayecto entre la fuente de sonido y el observador. Desde el punto de vista del control de ruido es preferible por tanto controlar el flujo de aire gracias a un amortiguador situado en el conducto, como por ejemplo en la unión con el ramal principal, más que en uno colocado en el difusor. De este modo el revestimento del conducto puede ser efectivo a la hora de reducir ruidos de amortiguación. Conexi6nflexible al difusor. Un tubo flexible proporciona el medio más apropiado de conectar el difusor a un ramal del conducto, ya que permite una cierta flexibilidad en la colocación del difusor en un techo suspendido. Sin embargo, cuando el difusor no se encuentra alineado (véase Figura 42.5) o la caída es demasiado corta, el flujo de aire no será uniforme a su través, y la velocidad será sustancialmente mayor a la media en uno de los lados del difusor. Esto provocará un nivel de ruido considerablemente más alto al de los datos proporcionados. Por ejemplo, una falta de

42.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

10/2

11

0 /8

1

~~ ~j RUIDOSO

Hf SILENCIOSO

FIGURA 42.5. Instalación correcta e incorrecta de un conducto de conexión flexible entre un ramal de la tubería y el difusor.

alineación equivalente a un diámetro en una longitud de conducto de dos diámetros podría provocar un aumento de nivel de potencia sonora de 15 dB. En el caso de sonidos de baja frecuencia un conducto flexible permitirá que el sonido sea emitido directamente hacia el techo en el que está situado, transmitiendo el sonido por el techo acústico hacia el espacio servido.

ATENUACION DE SONIDO EN CONDUCTOS El ruido de un sistema de conductos se verá atenuado por pérdidas de propagación: (1) en conductos no revestidos, (2) en conductos revestidos, (3) en tubos acodados revestidos, (4) en puntos de intersección resultantes de la bifurcación de potencia, (5) como resultado de la reflexión final y (6) en silenciadores. Conductos no revestidos

El ruido en un conducto no revestido se verá atenuado primordialmente por la transmisión de energía acústica a través de las paredes del conducto (provocando la vibración de sus paredes) y a continuación radiando el ruido al espacio que circunda al conducto. Este mecanismo provoca una atenuación al descender el nivel sonoro transmitido en el conducto. En la Tabla 42.2 se muestra la atenuación proporcionada por conductos no revestidos de planchas de metal. Estos datos se refieren a conductos de diferentes tamaños y formas (expresados como la relación entre el perímetro del conducto y el área de sección transversal. P/A)3.4.En el caso de que el conducto no revestido atraviese una habitación en la que se precise un bajo nivel de ruido. podría ocurrir que se transmitiera desde el conducto al espacio un sonido con baja frecuencia excesivo. especialmente si su situación es cercana al ventilador. El nivel sonoro radiado depende de: (1) el nivel sonoro dentro del conducto, (2) el área de la sección transversal del conducto. (3) la longitud del conducto en la habitación y (4) la pérdida de transmisión (TL) de sus paredes. En la Figura 42.63 se muestran valores de pérdida de transmisión de las paredes de conductos rectangulares y circulares. El uso de conductos circulares en vez de rectangulares reducirá las radiaciones a la habitación. También se puede reducir la transmisión envolviendo el conducto con una capa de fibra de vidrio y enyesando posteriormente el exterior. Aunque el empleo de este método puede ser menos eficaz al del uso de con-

42.9

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.2. dos'

Atenuación en conductos rectangulares de placas de metal no revestiFrecuencia central de banda de octava. Hz

Relación área/perímetro, cm/cm2 Más de 0,12 (0,31) De 0,12 a 0,05 (0,31 a 0,13) Menos de 0,05 (0,13)

31,st

63

125

250

0,3 0,3 1,0

0,3 1,0 0,3

1,0 0,3 0,3

0,3 0,3 0,3

• Los valores que muestra esta tabla deben ser duplicados en caso de que los cond uctos estén aislados externamente. t Valores extrapolados. Fuente: Adaptación de Referencia 3.

duetos circulares (según el volumen del enlucido exterior), es un modo práctico de incrementar el valor de aislamiento acústico de las paredes del conducto en un sistema HVAC. Los paneles de placas metálicas sobre conductos de grandes dimensiones pueden sufrir vibraciones por flujos turbulentos causados por el movimiento del ventilador o por su situación cercana a los ramales. Estas fuentes producen ruidos de 16 a 125 Hz en la gama de bajas frecuencias. En estos casos es difícil a menudo separar o identificar la responsabilidad de cada fuente concreta.

Conductos revestidos

En la Tabla 42.3 se muestra la atenuación de sonido debida al revestimiento del conducto con material absorbente del sonido. La Figura 42.7 muestra el nivel de atenuación en un conducto con un espesor de revestimiento de 25 mm (1 pulgada) a 50 mm (2 pulgadas). Entre 63 y 125 Hz la atenuación es en parte debida a la radiación de la pared del conducto. En comparación a la producida en la gama de bajas frecuencias, la atenuación es mayor en la gama de altas frecuencias. Por tanto, se podría producir un espectro desequilibrado caracterizado por un ruido de tipo retumbante en las habitaciones afectadas por el sistema de aire acondicionado.

Bifurcación de potencia en las ramificaciones

Cuando una ramificación parte del conducto principal, como ilustra la Figura 42.2, la potencia sonora transmitida a lo largo del conducto principal se divide entre la ramificación y la continuación del conducto principal aproximadamente en una relación proporcional a las áreas del conducto secundario y el conducto principal posterior a la ramificación. Esta división de potencia origina una atenuación en el punto de intersección. Por ejemplo, si un conducto se subdivide en dos conductos de secciones transversales idénticas, por cada uno de los ramales fluirá la mitad del sonido.

42.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

m

60r-----------------------------------------~

"'C

o

Circular: diámetro de 350 mm. Espiral helicoidal de calibre 26 (0,55 mm.)

13 ::l "'C

g

50~-------L~----~------------------------~

U

~

,

_/

\

Circular: diámetro de 650 mm. Espiral ,helicoidal de calibre 26 (0,7 mm.)

,1

~.

E 40~-----------+------T_------------~----_r_. ~

\ ' 'e- -

/

/ ~ 30~------------~----~~----------~~~/~/~ :~ ------,_ / \t .!!!

~ ~

(5

........... 20~~~~----+-----------------------------_4

Conductos rectangulares

Q.

'" 'E

- - Extrapolados

10

"tl

~

10"------'-----....L------'------'------L----....L-----J"-------1 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 42.6. Pérdidas por transmisión del sonido propagado desde el interior de conductos rectangulares y circulares a través de las paredes hacia el exterior.

La atenuación sonora resultante de la división de potencia puede ser expresada del siguiente modo: . I ( área de la ramificación del conducto) AtenuacIón = 10 a g I O , . . dB (42.2) area del conducto pnnclpal Esta ecuación indica el número de decibelios que deben sustraerse del nive! de potencia sonora en el conducto principal para obtener el de la ramificación. Esta relación se muestra en la Tabla 42.4. Por ejemplo, si la ramificación tiene un 4 por 100 del área del conducto principal, se transmitirá a su través un 4 por 100 del sonido. Por lo tanto, y de acuerdo a la Tabla 42.4, el nivel de potencia sonora del ruido en una ramificación será de 14 dB por debajo del nivel del conducto principal.

Atenuación en tubos acodados

Los tubos acodados en ángulo recto reflejan parte del sonido de vuelta hacia la fuente, lo cual atenúa el sonido en el conducto. En la Tabla 42.5 se muestran valores de atenuación aproximados para tubos acodados con o sin revestimientos. A altas velocidades (10 m1seg) un tubo acodado puede ser causa de generación de ruido como resultado de las turbulencias producidas en e! flujo de aire. Estas turbulencias serán menores en conductos circulares que en cuadrados. La producción de turbulencias en tubos acodados puede ser reducida gracias al uso de aspas giratorias, que facilitan un flujo aerodinámico de aire. Las aspas giratorias se deben instalar con

42.11

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.3.

Atenuación para conductos en dB/m

Estos valores son el resultado de la suma de pérdidas debidas a revestimientos de conductos de un espesor de 25 mm, de 24 a 48 kg/nr, y por pérdidas debidas a la radiación del conducto Frecuencia central de banda de octava, Hz 63

125

2SO

SOO

1000

2000"

4000'

3,3 2,6 2,4 2,1 2,3 1,8 1,6 2,0 1,6 1,5 1,4 1,3 1,3 1,4 1,3 1,3 1,0 1,2 1,1

8,2 6,3 5,8 4,9 5,4 4,1 3,6 4,7 3.5 3,4 3,1 2,9 2,6 3,0 2,2 2,7 2,0 2,4 2,2

22,4 17,3 14,9 13,5 14,8 11.1 9,8 12,7 9,5 9,3 8,5 7,8 6,3 8,2 4,4 6,6 3,3 5,2 4,3

21,2 15,7 16,3 13,3 14,9 9,5 5,8 12,6 8,1 8,8 7,1 7,3 5,8 7,6 4,9 6,7 4,3 5,9 5,4

8,4 7,6 8.7 7,9 8,8 6.5 4,2 8.3 6.1 7,0 5,8 6,6 5,5 7,0 5,1 6,7 4,9 6,5 6,2

3,3 2,3 1,6 1,0

5,9 4,9 3,3 2,0

7,2 7,2 5,6 2,0

7,2 7,2 3,0 1,6

6,6 4,9 1,6 1,6

Conducto rectangular Dimensiones cmXcm

10 x 20 15 x 30 20 x 30 25 x 41 30 x 30 30 x 61 30 x 91 38 x 38 38 x 76 46 x 71 46 x 91 61 x 91 61 x 122 76 x 76 76 x 152 91 x 91 91 x 182 107 x 107 122 x 122

(in

x

in)

(4 x 8) (6 x 12) (8 x 12) (10 x 16) (12 x 12) (12 x 24) (12 x 36) (15 x 15) (15 x 30) (18 x 28) (18 x 36) (24 x 36) (24 x 48) (30 x 30) (30 x 60) (36 x 36) (36 x 72) (42 x 42) (48 x 48)

Relación área/perímetro anlcmz (inlinz) 0,3 0,2 0,17 0,13 0,13 0,10 0,09 0,11 0,08 0,Q7 0,07 0,05 0,05 0,05 0,04 0,04 0,03 0,04 0,03

(0,75) (0,5) (0,42) (0,33) (0,33) (0,25) (0,22) (0,27) (0,20) (0,18) (0,17) (0,14) (0,13) (0,13) (0,10) (0,11 ) (O,OS) (0,10) (0,08)

0,7 0,6 0,6 0,5 0,6 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1

0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

2,1 1,9 1,8

1.7 1.7 0,8 0,8 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,6 0,6

Conducto circular Diámetro, cm

15,2 (6) 30 (12) 61 (24) 122 (48)

0,7 0,5 0,3 0,1

1,6 1,0 0,7 0,3

" Estos valores se aplican a conductos de hasta 3 m de longitud. En longitudes mayores la atenuación por unidades de longitud será menor que la de los valores indicados. Fuentt!: Referencias 3 y 5.

sumo cuidado, ya que pueden ser fuente de ruidos si sus bordes se doblan durante el montaje. Pérdidas por reflexión final Al finalizar la trayectoria del conducto abierto se produce un súbito cambio de la sección (es decir, el área del conducto es pequeña en comparación con el área del

42.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

8~--------------------~--~--------~

7

~--------------------~~+-------~------~

6~------------------~--~--------------~

z

-

Revestimiento de 25 mm (1in)

00

N

g

5

~-------------------+---+------------------~

~

E CiJ ~ r='

Revestimiento de 50 mm (2 in)

4

~----------------~~--+-------------------~

'0

'C:;
::J

r=

~

3~----------------,.f---+------------~

- - Atenuación del revestimiento ... - .. Atenuación total (atenuación de la radiación en el' 2 I----------r--f---,.I---- revestimiento y la pared del conducto) /

/ /

... -

Extrapolación

/

Dimensiones del conducto: 610 x 914 mm (24 x 36 in)

/

/

o -- 31,5

250

500

1k

2k

4k

8k

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 42.7. Atenuación causada por revestimientos absorbentes de sonido de espesores de 25 mm (1 pulgada)y 50 mm (2 pulgadas) en un conducto de 610 x 914 mm (24 x 36 pulgadas)

muro en el que éste desemboca) que tiene como resultado que parte del sonido se refleje de nuevo en dirección al ventilador, originándose por lo tanto una atenuación en la abertura del conducto. Esta reflexión producida al final del conducto es más pronunciada en pequeños conductos a bajas frecuencias, en los que la longitud de onda del sonido es grande en comparación con las dimensiones del conducto. La atenuación no solamente está en función de la frecuencia y el tamaño y forma de la abertura final. sino también de la posición de ésta en relación a los muros adyacentes. Los efectos de su posición son tratados en el apartado «Corrección del nivel de potencia sonora para fuentes localizadas cerca de superficies reflectantes» del Capítulo 4. Para casos en que la apertura del conducto se produce en espacios libres, o está instalada a nivel del techo acústico, en la Tabla 42.6 se ofrecen datos de pérdida por reflexión final para una variedad de tamaños.

42.13

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.4. caciones*

División de la potencia sonora entre el conducto principal y las ramifi-

Porcentaje (área de la ramificación del conducto/área del conducto principal)

Decibelios a sustraer

0,01

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,2

0,4

0,6

20

17

14

12

11

10

7

4

2

0,8

• Esta división proporciona una atenuación efectiva en la ramificación. Por tanto, las cifras de esta tabla deben ser sustraídas del nivel de potencia sonora del conducto principal para obtener el nivel de la ramificación.

Estos datos pueden ser también aplicados para casos en los que existan difusores o parrillas incorporados a la abertura, Sin embargo, cuando el conducto esté incorporado a un difusor lineal, la pérdida final es aproximadamente la mitad de la mostrada por el tamaño del conducto conectado al impelente. Silenciadores

Un silenciador (también denominado atenuador de sonido o atenuador de conductos) es un dispositivo disponible comercialmente que se inserta en el conducto HV AC con el fin de proporcionar una mayor atenuación que la ofrecida por un conducto revestido de la misma longitud. Un silenciador tiene una sección transversal igualo mayor a la del conducto sobre el que está instalado. Como muestra la Figura 42.8, su sección transversal se subdivide en conductos menores gracias a «separadores» revestidos con material absorbente de sonido. Los silenciadores se fabrican habitualmente en forma de módulos de sección transversal, con longitudes de 0,9, 1,5,2,1 y 3,0 m (3,5, 7 y 10 pies). También se encuentran disponibles para conductos circulares con longitudes generalmente de 2 a 3 veces el diámetro del conducto. Un silenciador posee tres características principales en función de la velocidad del aire a la entrada del silenciador: (1) pérdida por inserción, (2) caída de presión y (3) ruido propio. En la Tabla 42.7 se muestra la relación entre estos factores en un silenciador típico de 1,5 m de longitud y una sección transversal de 0,3 x 0,3 m. Los datos y características de los silenciadores ofrecidos por el fabricante deberían estar fundamentados en los estudios del ASTM 477 6. Esta información es aplicable a instalaciones en las que el silenciador se encuentre en un conducto recto con un flujo uniforme desde y hacia la unidad. Si no se dan estas condiciones específicas puede aumentar la caída de presión y descender su comportamiento acústico. Por tanto, los silenciadores deberían encontrarse separados de la descarga del ventilador o de los conductos acodados a una distancia de entre 2 y 3 veces las dimensiones del conducto. Los fabricantes proporcionan guías de actuación para prever la caída de presión real en una amplia variedad de posicionamientos de unidades dentro del sistema de conducción. Pérdida por inserción. La pérdida por inserción de un silenciador es la diferencia en nivel de potencia sonora (o la diferencia de nivel de presión sonora) en decibelios en un punto dado del sistema de conducción (más allá del silenciador o en al-

42.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 42.5. Atenuación de sonido para tubos acodados de 90° con o sin revestimiento de fibra de vidrio de un espesor de 25 mm, con aspas giratorias, en dB

Anchura del conducto en el plano de la curva, cm (in) Tubos acodados con revestimiento 12,5 a 25 (5 a 10) 27 a 51 (11 a 20) 53 a 102 (21 a 40) 104 a 203 (41 a 80) Tubos acodados sin revestimiento Todos los tamaños

Frecuencia central de banda de octava, Hz

63

125

250

500

1000

2000

4000

O O 1 2

1 1 2 3

1 2 3 3

2 3 4 5

3 4 5 6

4 6 6 8

6 8 8 10

O

1

2

3

3

3

3

Filen/e: Adaptado de la Referencia 3.

guna posición de recepción) debida exclusivamente a la colocación del silenciador en el itinerario de transmisión entre la fuente de sonido y la posición dada. En general, los silenciadores que proporcionan una baja caída de presión poseen también una baja pérdida por inserción. La pérdida por inserción varía con la velocidad del aire. La pérdida de inserción dinámica de un silenciador es la pérdida por inserción mientras el aire atraviesa el silenciador.

Caída de presi6n. El funcionamiento aerodinámico de un silenciador puede ser reflejado en términos de caída de presión del aire en pascales a lo largo del silenciador. En algunos silenciadores la caída de presión al ser atravesados puede ser igual o mayor a la caída de presión total en el resto del sistema. Por lo tanto debe tenerse en cuenta esta particularidad al elegir un silenciador. La caída de presión es una función del área abierta a la entrada del silenciador. Por ejemplo, consideremos un silenciador habitual con una longitud de 1,5 m a través del cual el aire fluye a una velocidad de 304 mlmin. La caída de presión a través de una unidad de caída baja (con un área abierta del 45 por 100) será de unos 25 pascales, y la caída de presión a lo largo de una unidad de caída estándar (con un área abierta del 32 por 100) será de unos 125 pascales. Se ofrecen datos sobre caídas de presión a diversas velocidades de entrada. La Figura 42.9 compara la pérdida por inserción de un silenciador de una longitud de 2,1 m en unidades de caída de presión estándar y baja. También muestra la pérdida de inserción de un conducto de la misma longitud revestido con 25 mm de fibra de vidrio. Como muestra la Figura 42.9, en las bandas de octava de 125 y 250 Hz, un silenciador proporciona una mayor pérdida de sonido que un conducto revestido. Con un silenciador de una longitud de 2,0 m serían necesarios unos 15 m de conducto revestido para igualar esta atenuación en estas dos octavas. En la banda de octava de 63 Hz, el silenciador proporciona una pérdida por inserción de solamente unos 5 dB más que el conducto. y en la banda de octava de 31,5 Hz su atenuación es aproximadamente la misma. Sin embargo, la atenuación resultante de la emisión de ruido a través de las paredes del conducto puede tener consecuencias negativas en caso de que ese conducto esté localizado en un espacio útil. Tal emisión de sonido no es fre-

42.15

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.6. Atenuación de sonido en conductos como resultado de pérdidas de reflexión final, en dB

Tamaño de conducto cuadrado o circular, cm (in) 15 (6) 30 (12) 60 (24) 120 (48)

Frecuencia central de banda de octava, Hz

63

125

18 13 8 4

250

500

1000

12

8

8

4 1 O

4 1 O O

1 O O

4 1

O

cuente en los silenciadores debido a que su construcción es más sólida y firme que la del conducto. Ruido propio. El ruido propio de un silenciador es el ruido generado como resultado del flujo de aire a su través. Obsérvese como ejemplo la Tabla 42.7. La mayor parte de los fabricantes ofrecen estos datos en función de la velocidad del aire. En la mayoría de los sistemas HV AC de baja velocidad, el ruido propio no supone ningún problema. Sin embargo, este ruido puede llegar a ser significativo en sistemas de gran velocidad o sistemas en los que el ruido ambiental del local sea muy bajo, como podrían ser salas de conciertos o de teatro. Silenciadores activos. Un silenciador activo es un tipo especial de silenciador que incorpora una fuente de sonido (por ejemplo, un altavoz) y genera ondas de sonidos desfasadas con el sonido no deseado (por ejemplo, el ruido) que se propaga a través del conducto. Esta técnica de «cancelación de sonido» se limita normalmente a ondas planas de baja frecuencia cuyas longitudes de onda son mayores que las dimensiones más amplias del conducto. Como consecuencia, su aplicación se limita por lo habitual a frecuencias inferiores a unos 250 Hz. Gracias a la aplicación de procesamientos digitales de señales adaptados es posible cancelar el ruido de banda ancha, así como los sonidos en la frecuencia del álabe, por medio de esta técnica.

Instalación completa del ventilador La instalación completa del ventilador es una denominación aplicada generalmente a los sistemas HVAC en los que el ventilador es solamente un elemento componente e integrado en la instalación junto a otras piezas diferentes del sistema, como anillos, mtros de aire y amortiguadores de control de regulación y mezcla de aire externo, a evacuar y de retomo. El empleo de un sistema completo de ventilador proporciona la mejor oportunidad de optimizar la selección de un ventilador con el fin de que éste funcione en la zona más apropiada de su curva de rendimiento de aire, reduciendo así el consumo de energía eléctrica y el ruido generado. Las principales ventajas de las instalaciones completas de ventilador son resultado de su funcionamiento en el nivel de mayor eficacia: (1) bajo consumo de energía y (2)

42.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

METAL PERFORADO

FIBRA DE VIDRIO O LANA MINERAL

FIGURA 42.8

Sección transversal de un silenciador.

bajo nivel de ruido en funcionamiento. Las principales desventajas son: (1) una mayor necesidad de espacio en la sala de servicios y (2) un coste inicial mayor. Existen dos tipos principales de instalaciones completas de ventilador: el ventilador aspirante y el ventilador de corriente. En la Figura 42.10 se muestran las diferencias entre ambos. En la configuración del ventilador aspirante el aire que penetra en el ventilador de abastecimiento es aspirado a través de los anillos de calefacción y enfriamiento, y el lado de descarga del ventilador está conectado directamente al conducto de distribución principal. De este modo se necesita normalmente un silenciador en el conducto principal como primer elemento de diseño de control de ruido. En la instalación de ventilador de corriente, el aire que penetra por el ventilador de abastecimiento atraviesa los filtros, el lado de descarga del ventilador proporciona aire a través de una sección de transición hacia los anillos de calefacción, de enfriamiento y al impelente antes de entrar en conexión con el canal principal de distribución de aire. En caso de que el impelente posea un revestimiento absorbente de ruidos se puede conseguir una atenuación de 5 a 10 dB. Por tanto, el nivel de potencia sonora a bajas frecuencias será menor que el del mismo ventilador utilizado en una configuración aspirante. Pueden además conseguirse mayores niveles de atenuación en altas frecuencias. Una configuración de corriente transmite por lo general bastante menos ruido desde el ventilador hasta el sistema de conducción principal que la disposición en configuración aspirante. En algunos casos se puede así reducir o eliminar la necesidad de incorporar un silenciador al conducto principal unido al ventilador, como suele ser habitual en la configuración de un ventilador aspirante.

Instalación compacta de ventilación (unidades de transporte de aire)

Una unidad de transporte de aire es un conjunto de elementos de acondicionamiento de aire (anillos de enfriamiento, filtros, ventilador, humidificador, amortiguador, etcétera), integrados en un paquete completo e instalados como una sola unidad conectada al sistema de distribución de aire. Las unidades de transporte de aire se llaman también instalación es compactas de ventilación. La instalación compacta de ventilación, colocada en un lugar adyacente al local servido, puede ser origen tanto del ruido causado por el aire como del causado por

42.17

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.7. Atenuación y generación propia de ruido en un silenciador habitual* para una velocidad de entrada de 5,1 m/seg y una presión de caída de 100 pascales

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Pérdida por inserción, dB Ruido propio L w , dB

63

125

250

SOO

1000

4 48

11

42

20 39

37 35

2000

4000

8000

44

44

36

37

38 35

22 30

• Longitud de 1,5 ro y sección transversal de 0,3 x 0.3 ro

la estructura, generalmente a frecuencias menores de 500 Hz. El carácter de este ruido puede ser tanto de banda ancha como de componentes discretos asociados a la frecuencia de álabe del ventilador o de la velocidad de rotación del (1) eje del ventilador, (2) el eje del motor de accionamiento o (3) la correa de transmisión. El empleo de una instalación compacta de ventilación posee ventajas en lugares donde no exista un sistema central de distribución de aire para un edificio. Cada piso del edificio podría disponer de su instalación compacta de ventilación propia, normalmente colocada en el interior. Control de caudal constante y de caudal variable. El flujo en un sistema de caudal de aire variable se regula normalmente (1) impulsando el ventilador a velocidad constante por medio de un control de aspas variable en su interior o (2) modificando la velocidad del ventilador, por lo general alterando la línea de frecuencia de potencia del motor de accionamiento. De estos dos métodos el más eficaz energéticamente y el que alcanza menores niveles de ruido (hasta incluso 15 dB) es el de motor de velocidad variable. Estos equipamientos se emplean mayoritariamente en sistemas de caudal de aire variable. Muchos de los problemas de control de ruido que sufren tales equipamientos son resultado del uso de un ventilador de tamaño más pequeño al habitual, que se inestabiliza con la modulación del flujo de aire (utilizando controles variables de aspas interiores más que modificando la velocidad del ventilador). Pueden surgir otros problemas en las instalaciones compactas de ventilación provistas de ventiladores curvados en sentido de la marcha que emplean controles variables de aspas interiores para la modulación del flujo de aire. Siempre que este tipo de ventiladores se desestabilizan se puede producir un aumento de 10 a 15 dB en el nivel de fluctuación de ruidos y vibraciones, normalmente a bajas frecuencias (a o por debajo de 31,5 Hz). Por lo general no es posible corregir este tipo de problemas de ruido a no ser que se realicen modificaciones para estabilizar el ventilador. La solución más común consiste en eliminar las aspas interiores e instalar un motor de velocidad variable.

Instalación del ventilador impelente

Un ventilador impelente emplea un propulsor de alas curvadas en sentido contrario a la marcha que no se encuentra colocado en la caja espiral habitual. Se coloca, sin embargo, en un impelente rectangular con conexiones interiores y exteriores. Las

42.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

50.--------------------------------------------------,

40~--------------------~~--__~------~----~~~

30~----------------~--~~--------------~~----~

20~------------~--_,~----~------------------~~

10~------~--~------------~--------------------~

Extrapolados

O~~~==~~-L--~----L---~--~--~ 31,S 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 42.9. Comparación de pérdida por inserción provocada por un silenciador de 2,1 m (7 pies). (a) Unidad de caída de baja presión; (b) unidad de caída de presión estándar; (e) conducto de la misma longitud y corte transversal revestido con una capa de fibra de vidrio de un espesor de 25 mm (1 pulgada).

dimensiones del impelente equivalen normalmente a 2 diámetros del propulsor, y sus paredes interiores están revestidas con un material absorbente de sonido. En la Figura 42.11 se muestra una instalación de ventilación impelente típica. Aunque la eficacia operativa de un ventilador impelente bien diseñado es a iguales condiciones ligeramente menor que la de uno equivalente centrífugo en espiral (3 a 5 por 100), existen varias ventajas en el uso de este sistema para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, las instalaciones compactas que utilizan un ventilador impelente en vez de uno centrífugo en espiral son en sí mismas significativamente más cortas en su dimensión longitudinal. Esto lo hace especialmente atractivo para su uso en espacios pequeños, como los talleres mecánicos normales en edificios con sistemas HV AC separados para cada piso. También se puede utilizar un ventilador más eficaz en las mismas condiciones de espacio y lograr un ahorro en la energía eléctrica necesaria para que funcione el sistema. Es más, debido a la absorción causada por el impelente que lo rodea. el ventilador propulsor produce bastante menos ruido en la descarga del sistema que el equivalente al del ventilador centrífugo en espiral conectado directamente. Sin embargo, el ruido emitido desde el interior de un ventilador propulsor es básicamente el mismo que el del centrífugo en espiral, de modo que se hace necesario tomar medidas de control de ruido similares en el sistema de retorno de distribución de aire.

42.19

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

Aire de retorno

Aire exterior

Sección del ventilador Sección del filtro Sección de anillos (a)

Anillo de calentamiento

Aire exterior' I

Sección del Anillo de enfriamiento ventilador (a)

FIGURA 42.10. Configuración de instalación completa de ventilador.

(a)

Unidad as-

pirante; (b) unidad de corriente.

Sistemas compactos de aire acondicionado para techos

Las instalaciones compactas de aire acondicionado para techos se emplean normalmente en edificios de poca altura con el fin de (1) minimizar el coste inicial del sistema HV AC y (2) ampliar la extensión de los espacios productivos gracias a la eliminación de salas interiores de servicios mecánicos. El empleo de un sistema de anillos de refrigeración de expansión directa y de un condensador y compresor de aire refrigerado localizado en el techo elimina la necesidad de implantar una torre de refrigeración y de las consiguientes bombas y tuberías precisas para la instalación de agua refrigerada. Es conveniente que las canalizaciones de refrigeración de los sistemas de expansión directa entre el condensador y el evaporador sean lo más cortas posible, consiguiendo así que los ventiladores de abastecimiento y retorno del sistema de distribución de aire del edificio no se encuentren situados a grandes distancias, sino que sean parte integrante de la instalación compacta. El empleo de este tipo de instalaciones en el techo puede causar problemas de control de ruidos y vibraciones de resolución difícil y costosa, especialmente cuando el sistema se encuentre situado por encima o adosado a espacios sensibles al ruido. Por ejemplo, con el fin de minimizar la dimensión longitudinal de la mayoría de las instalaciones

42.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Suministro de aire al sistema

FIGURA 42.11.

Ventilador impelente.

compactas, se puede orientar el ventilador de suministro para que descargue directamente debajo dentro del sistema de conductos de distribución dispuesto horizontalmente en el impelente del techo situado sobre el espacio ocupado. Este tipo de disposición fuerza la descarga de alta velocidad del ventilador a hacer un giro de 90° dentro de un espacio que raramente sobrepasa el metro de altura, provocando por tanto altas turbulencias en el flujo de aire del conducto conectado y emitiendo considerables ruidos de baja frecuencia en dirección al espacio ocupado por debajo. Pueden producirse problemas significativos de ruido si, tal como ilustra la Figura 42.12, el sistema se instala en el techo situado por encima de un espacio sensible al ruido. Esto es debido a que el techo de este espacio es por lo común un sistema de tendidos de placas acústicas que no permite un gran aislamiento frente a las fuentes de sonido situadas sobre este techo acústico, especialmente por la asociación entre la zona de bajas frecuencias y el ruido retumbante emitido por conductos que transportan corrientes turbulentas de aire. Es más, la pérdida por transmisión de sonido del tejado sobre el que se encuentra instalado el sistema de aire acondicionado no proporciona normalmente un aislamiento adecuado de sonido. Debido a estos inconvenientes no se recomienda la instalación de equipos HVAC compactos en techos situados por encima o adyacentemente a espacios ocupados sensibles al ruido. Sin embargo, cuando no se pueda evitar su colocación en estos lugares se recomienda el cumplimiento de los siguientes puntos con el fin de minimizar el impacto acústico: 1. Que la superficie exterior de todo el conducto principal que discurre por en-

cima del área sensible al ruido (a) sea aislada en medio de una capa acústica de un espesor de 50 mm y (b) sea instalada en una caja estructuralmente independiente del conducto aislado. Se recomienda que el peso mínimo por superficie de esta caja sea de 9,8 kglm 2 , aunque sería aconsejable duplicar o cuadruplicar esta cifra en caso de que la situación del espacio ocupado inferior sea problemática. 2. Que se instale un techo acústico suspendido con un refuerzo de alta densidad y un peso mínimo de 7,3 kglm 2 • En tendidos de techos acústicos se consigue normalmente gracias a una superficie de refuerzo en yeso de un espesor de 12,5 mm. En la Figura 32.14 se muestra un ejemplo de este tipo de diseños.

42.21

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

Sección de refrigeración y condensación Aislantes de vibración

Aire de retorno _

FIGURA 42.12.

Unidad para techos.

3. Que se proporcione un aislamiento eficaz contra vibraciones de la instalación compacta del techo empleando los métodos explicados en el Capítulo 29.

Cámaras de expansión con revestimientos absorbentes

Dentro del sistema de suministro de aire acondicionado, una cámara de expansión es un volumen cerrado con una presión ligeramente superior a la de la atmósfera y conectado a uno o varios ramales de suministro. En el sistema de retorno, la cámara tiene una presión ligeramente inferior a la de la atmósfera, y se encuentra conectada a varias parrillas de retorno. Los tipos de cámaras de expansión incluyen: 1. El volumen de aire del espacio situado entre el techo suspendido y la placa

estructural superior, empleada como impelente del sistema de aire de retorno. 2. Una caja de placas metálicas colocada sobre la descarga o toma de un ventilador para eliminar turbulencias en el flujo de aire. 3. Una cámara de expansión (O sea, un impelente) insertado en el sistema de conductos con un corte transversal cuya área sea de al menos 5 veces la del conducto (véase la Figura 42.13). 4. El espacio situado bajo el suelo inclinado de un auditorio que forma parte del sistema de retorno de aire de la sala. Las cámaras de expansión pueden facilitar considerablemente la atenuación de sonido cuando sus superficies eSlán revestidas de material absorbente de sonido muy grueso. Por ejemplo, en caso de que el revestimiento de material absorbente sea de un grosor de 10 cm, la pérdida por inserción (IL) del impelente puede ser de hasta 12 dB en la banda de octava de 31,5 Hz. Los impelentes también pueden ser especialmente indicados para proporcionar una considerable pérdida por inserción cuando la longitud de onda del sonido sea pequeña en comparación con la longitud del impelente7 .

42.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

...__.....--F----1/H

A

FIGURA 42.13. Diagrama esquemático de un impelente con revestimiento acústico proyectado para atenuar bajas frecuencias. Todas sus paredes interiores deberían estar forradas de fibra de vidrio de un espesor de 10 a 15 cm, según la cantidad de atenuación de bajas frecuencias precisa. Las áreas A de las dos paredes deberían ser de 4 a 6 veces el área de sección transversal de los conductos que penetran en estas paredes; A es la longitud de onda de la frecuencia menor que debe ser atenuada.

SISTEMAS DE CAUDAL DE AIRE VARIABLE Y UNIDADES DE CONTROL TERMINALES Un sistema de caudal de aire variable es un sistema HV AC que controla la temperatura de la habitación servida variando el caudal de aire suministrado (a temperatura constante). Las unidades de control de estos sistemas están localizadas en los sistemas de distribución del conducto en las áreas dispuestas para repartir el volumen de aire transmitido a las diversas salidas. Una válvula de aire variable (VA V) es una unidad de control consistente en una caja metálica que contiene un amortiguador, una instalación de control de posición del amortiguador, un controlador y un sensor. Esta caja recibe normalmente aire «primario» a través del conducto circular proveniente del sistema principal de distribución, y desemboca en un conducto que lo transmite a uno o varios difusores situados en la habitación servida.

Cajas de mezclas

Una caja de mezclas es un aparato empleado para reducir la velocidad del aire en un conducto de un sistema de alta velocidad a medianas o altas presiones. Incorpora una válvula que regula el volumen del flujo de distribución dentro de la habitación, y que se emplea para mezclar aire caliente y frío. Una caja de mezclas (1) proporciona pérdida por inserción; (2) es causa de ruidos, generalmente en la gama de frecuencias medias entre 250 y 2.000 Hz, y (3) emite ruido. Por lo general cuanto mayor sea la caja y la cantidad de aire que fluye a su través mayor será el ruido que produce.

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.23

Terminales de ventiladores propulsados (TVP)

Una caja de ventilador propulsado es una válvula de aire variable provista de un ventilador auxiliar que mezcla el aire inducido del impelente del techo con el aire primario. Por tanto, en algunas válvulas de aire variable se instalan uno o más ventiladores auxiliares dentro de la caja junto al sistema de amortiguación con el fin de completar la transmisión de aire mezclando aire inducido desde el impelente del techo con aire primario. Este elemento se denomina terminal de ventilador propulsado (TVP). Se pueden encontrar TVP de dos tipos diferentes: (1) TVP de volumen constante, en los que el ventilador funciona constantemente y tanto el aire primario como el de retorno son mezclados y descargados por el ventilador, y (2) TVP de volumen variable, en los que el ventilador únicamente transmite el aire inducido del espacio de servicio y funciona solamente cuando es preciso mezclar aire caliente de retorno con aire primario. Como el funcionamiento del ventilador no es continuo se puede producir una mayor constancia de la existencia de esta unidad de control. El amortiguador de un TVP y los ventiladores auxiliares son fuentes de sonido que puede ser transmitido al espacio servido (1) a través del conducto de descarga que conecta la unidad con su aspa de amortiguación a una salida de aire, como muestra la Figura 42.14, y (2) a través de la emisión de sonido directamente desde las paredes del TVP en el que está instalado o sobre el techo falso, y a continuación a través del techo falso o de las aberturas para aire de retorno del techo. Los datos ofrecidos por el fabricante muestran niveles de potencia sonora (1) del ruido emitido por la cubierta en función de la capacidad de la unidad y de la caída de presión estática a su través, y (2) del ruido radiado por el conducto de descarga. Estos datos se miden de acuerdo a la norma 880 del Air-Conditioning and Refrigeration Institute (ARI)8. Los datos del fabricante no diferencian entre (a) el ruido emitido por la boca de entrada de aire a través de la cual el ventilador recibe aire del impelente del techo, y (b) el ruido causado por la cubierta. Se pueden medir los niveles sonoros en espacios provistos de sistemas HV AC mediante el método sugerido por la norma 885 9 del ARI, que precisa del empleo de Placa del piso

/W//lWmmllll/ll!l//HAW/lIl/mmw!w/Jl/lll!!l!lWMW Unidad terminal del ventilador propulsado Aire prima_..:.r~lo~_"I'

-

Aire

L

inducido--~\,::::::::::;::::;:::;~~

-==-

1

FIGURA 42.14. Unidad terminal de aire en un impelente del techo. (1) Sonido emitido por la cubierta y generado por la unidad terminal del ventilador propulsado; (2) sonido de descarga generado por la unidad terminal del ventilador propulsado; (3) sonido de descarga generado por la salida de aire.

42.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

datos de nivel de potencia sonora proporcionados por el fabricante de los componentes del sistema. Esta norma considera seis vías diferentes de propagación de sonido desde la terminal hasta un receptor situado en el espacio servido. El ruido transmitido por el conducto y que es irradiado por las salidas de aire se puede medir' 1. Reduciendo el nivel de potencia sonora del ventilador de descarga por medio "e la pérdida de inserción del conducto revestido entre la salida de la válvula de aire variable y las salidas de aire de la habitación, con el fin de obtener un nivel Lw de potencia sonora transmitido por la salida o salidas de servicio de la habitación. 2. Restando la diferencia entre el Lw Yel L p de la habitación con el fin de obtener el nivel L p de presión sonora en la salida. Para medir el nivel L p de presión sonora en el espacio resultante del ruido emitido por la cubierta: 1. Se determina el factor de transferencia impelente/techo. Combina la pérdida de inserción (IL) del techo y la absorción del impelente, y es sustraída del Lw emitido. En la Tabla 42.8 se ofrecen los valores del factor de transferencia impelente/techo de las construcciones de techos habituales en oficinas. Estos valores son aplicables a construcciones provistas de algunas aberturas para aire de retorno no localizadas directamente bajo la unidad terminal. 2. Se resta (Lw - L p ) del nivel de potencia sonora del ruido transmitido a través del techo para obtener el valor L p del ruido radiado por la cubierta.

El ruido emitido por las salidas de unidades terminales puede por lo general atenuarse de un modo eficaz gracias a revestimientos absorbentes aplicados a lo largo del conducto. (El difusor de una salida de aire puede generar un nivel mayor de ruido que la descarga en la unidad terminal, excepto cuando la salida de aire está integrada en la unidad misma de control, eliminando por tanto el empleo de conductos de descarga.) Un problema más habitual es el causado por el ruido irradiado por las paredes de la caja contenedora del amortiguador y los ventiladores. En la Tabla 42.9 se ofrece un ejemplo que muestra cómo se puede calcular el valor del nivel de presión sonora de un ruido emitido por la cubierta. Este valor del nivel L p de presión sonora se calcula en una posición de recepción a una distancia de 1,2 m directamente por debajo de una unidad de ventilador pro~ulsado situada por encima de una oficina que contenga un volumen de unos 42,5 m . En este ejemplo, el valor del TABLA 42.8.

Factor de transferencia impelente/techo

Tipo y grosor del material absorbente de sonido Placa de fibra de vidrio del techo acústico, 12,5 mm Placa de fibra mineral del techo acústico, 16 mm Placa de techo de yeso, 16 mm Fuente: Referencia 9.

Frecuencia central de banda de octava, Hz

63

125

250

500

1000

2000

4000

4

8

8

8

10

10

14

5

9

10

12

14

15

15

10

15

21

25

26

27

27

42.25

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

TABLA 42.9. Cálculo de niveles de banda de octava producidos por el sonido irradiado por la cubierta de un terminal de ventilador propulsado instalado en un impelente del techo de una oficina

Frecuencia central de banda de octava, Hz

Nivel de potencia sonora Factor ambiental* Factor de transferencia impelente/techo Techo mineral (L .. - Lp) de 16 mm, distancia r = 1,22 m, volumen = 42,4 m3 Nivel de presión sonora de bandas de octava irradiado por la cubierta de la unidad Número de decibelios en que los niveles de bandas de octava anteriores exceden el NC 35

125

250

SOO

1000

2000

4000

75 -3 -9

70 -2

-10

63 -1 -12

57 -1 -14

54 -1 -15

52 -1 -15

-6

-7

-8

-9

-10

-11

57

51

42

33

28

25

+5

+6

+2

-3

-6

-8

• El factor ambiental. según la norma 885 del ARI", corrige los datos del fabricante de una determinada fuente de referencia medidos a campo abierto para la aplicación real de la unidad terminal en un espacio reverberante.

nivel de potencia sonora del ruido irradiado por la cubierta hacia la oficina supera el NC 35 en 6 dB en la octava de 250 Hz. Esta fuente origina un espectro retumbante en el espacio ocupado. No obstante, al combinar este ruido con el del difusor (que posee un espectro típico de ruido de alta frecuencia) se puede conseguir un espectro más equilibrado. Las medidas habituales de control de ruido para válvulas de aire variables o unidades terminales de ventiladores propulsados contemplan: 1. Colocar las instalaciones sobre espacios tales como pasillos, talleres o áreas abiertas de oficinas, y no sobre espacios en los que el ruido HV AC no deba sobrepasar el NC 35 o RC 35 para unidades VA V, o el NC 40 o RC 40 para unidades terminales de ventiladores propulsados que transporten más de 0,7 m3/seg. 2. Colocar las instalaciones a menos de 1,5 m de la abertura de una parrilla de retomo de aire situada en el techo. 3. Instalar silenciadores o tubos acodados revestidos acústicamente en la abertura de aire inducido de la unidad. 4. Instalar tubos acodados revestidos acústicamente sobre (o detrás) de las aberturas del techo cuando éstas deban ser colocadas cerca (o directamente por debajo) de la unidad.

42.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

PROCEDIMIENTOS DE COMPENSACION DE AIRE La compensación de aire es un procedimiento de campo que se emplea para ajustar el flujo de aire en un sistema HV AC de acuerdo a los objetivos previstos. Si el sistema está correctamente proyectado deberían lograrse también los objetivos acústicos previstos. El diseño acústico del sistema se basa en el nivel de potencia sonora de un ventilador en su punto operativo de la curva del sistema. En caso de que no se cumpla correctamente la compensación de aire, la resistencia del sistema podría ser mayor de la prevista. Como resultado se debería aumentar la velocidad del ventilador para conseguir la cantidad de aire necesaria; el ventilador funcionaría a mayor presión de la previamente anticipada en un punto de menor eficacia de su curva de rendimiento y, como resultado, se produciría un aumento sustancial del ruido del ventilador y consecuentemente un mayor nivel de ruido en los espacios servidos. Compensación en un sistema HVAC de volumen constante

Se recomienda seguir los siguientes pasos con el fin de compensar un sistema de aire constante: Paso l. Abrir todos los amortiguadores del sistema, incluyendo los de las terminales difusoras. Paso 2. Ajustar el ventilador con el fin de obtener un flujo aproximadamente correcto de aire. Paso 3. Ajustar los amortiguadores de cada uno de los ramales del sistema con el fin de obtener la cantidad de flujo de aire proyectada para cada ramal. El porcentaje de flujos de aire de todos los ramales respecto al flujo de aire total debe ser el mismo al proyectado. En un ramal del conducto es imprescindible ajustar primeramente el amortiguador más cercano al ventilador, continuando con el amortiguador siguiente más cercano, y así sucesivamente. Paso 4. Ajustar los amortiguadores de los difusores para «afinar» el flujo de aire de modo que cada difusor irradie un caudal de aire especifico. Los amortiguadores de las terminales difusoras no deberían ser utilizados para lograr el volumen de aire requerido sin utilizar antes los amortiguadores de los ramales del sistema para conseguir un equilibrio aproximado. No debería emplearse la terminal del difusor con este propósito, ya que su ruido aumentaría considerablemente. Paso 5. Revisar la transmisión total de aire al ventilador y reajustar, en caso necesario, la velocidad del ventilador.

Compensación en un sistema HVAC de volumen de aire variable

Un sistema HV AC de volumen de aire variable posee dos mecanismos que no se encuentran en el sistema de aire constante: (1) los medios para controlar la cantidad

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.27

de aire transmitido por el ventilador en un momento dado (que se consigue por lo general utilizando controles variables de aberturas de aspas y de velocidad de ventilación) y (2) las cajas de volumen variable instaladas en varias zonas del edificio, que son controladas por un termostato en cada zona. Por tanto, la compensación de un sistema de volumen de aire variable es más compleja que la de uno de aire constante. Se recomienda seguir el siguiente procedimiento con el fin de compensar un sistema de aire variable: Paso 1. Fijar las aspas de entrada del ventilador en posición completamente abierta. Paso 2. Desactivar los controles de las cajas de variabilidad de volumen de modo que cada una de ellas se encuentre en posición completamente abierta de transmisión de aire. Paso 3. Seguir los cinco pasos anteriormente descritos para la compensación de

un sistema de volumen constante. Paso 4. (Tras llevar a cabo la compensación inicial mencionada, los amortiguadores ajustables de los ramales y de las terminales difusoras estarán en su posición correcta, y el ventilador funcionará a la velocidad óptima.) A continuación posicionar el sistema en condiciones de funcionamiento normal abriendo las aspas de entrada del ventilador y activando los controles de las cajas de volumen variable. Paso 5. Revisar la perfecta sincronización entre el ventilador y los sistemas de control de área para la regulación de transmisión de aire al ventilador, según la demanda de las cajas de control de volumen de cada zona.

CALCULO DEL NIVEL DE PRESION SONORA EN UNA HABITACION A PARTIR DEL NIVEL DE POTENCIA SONORA DE LA FUENTE Y EL FACTOR (Lw - Lp ) Tras haber calculado el nivel Lw de potencia sonora de los difusores en un espacio, puede calcularse el nivel L p de presión sonora de la habitación restando (Lw - L p ) de la cantidad Lw. Como se refleja en el Capítulo 4, la cantidad (Lw - L p ) depende del volumen de la habitación y de la difusión del sonido en él. En la práctica, su valor puede ser determinado considerando los dos casos siguientes. Oficinas y espacios habitados

En oficinas amuebladas y habitaciones en viviendas existen materiales absorbentes de sonido, así como un conjunto irregular de superficies reflectantes además de paredes, suelos y techos. Como se trató en el Capítulo 4, en este tipo de espacios no prevalecen las condiciones de campo difuso, por lo que las Ecuaciones (4.5), (4.7) Y

42.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(4.8) no son aplicables. En estos casos los valores de (Lw - L p ) pueden ser obtenidos gracias a las Ecuaciones (4.lOa) y (4.lOb). En grandes oficinas donde se encuentren presentes cuatro o más terminales de salida a lo largo de un conjunto más o menos uniformemente distribuido, el empleo de la Ecuación (42.3), explicada a continuación, simplifica considerablemente el proceso de cálculo y con ella se obtienen resultados generalmente con un margen de error de 1 a 2 dB respecto a los obtenidos por la suma de las contribuciones individuales determinadas por el uso de la Ecuación más general (4.10). Auditorios y grandes salas de conferencias

El volumen de los auditorios y grandes salas de conferencias sobrepasa habitualmente los 570 m3 (20.000 pies cúbicos). Tales espacios se caracterizan generalmente por poseer una gran concentración de materiales absorbentes de sonido (la audiencia y/o los asientos) sobre el suelo. Bajo estas circunstancias el valor (Lw - L p ) puede ser normalmente calculado por la Figura 4.7. A continuación, el nivel de presión sonora dependerá de la distancia de la instalación terminal de aire y de la absorción total de sonido en el espacio. La localización de la fuente afecta además al nivel de presión sonora a una distancia dada desde la fuente, tal como se indicó en la sección «La corrección del nivel de potencia sonora para fuentes localizadas cerca de superficies reflectantes» del Capítulo 4. SELECCION DE UN CRITERIO DE RUIDO Cálculo de la atenuación requerida

Con el fin de seleccionar un criterio de ruido para un espacio servido por un sistema de aire acondicionado es necesario asegurarse de que (1) los difusores y las parrillas de retorno hayan sido adecuadamente seleccionados y (2) se produzca la atenuación de sonido adecuada entre las principales fuentes de ruido (normalmente los ventiladores) y las salidas de aire. Este procedimiento debería aplicarse tanto a los sistemas de suministro como a los de retorno. Se puede emplear el siguiente procedimiento para determinar si es adecuada la atenuación del sistema y, si no es así, qué grado de atenuación adicional sería preciso. En caso de que existan otras fuentes principales de ruido, como terminales de ventiladores propulsados, debería seguirse un procedimiento similar, ilustrado en la Tabla 42.10, para un sistema HV AC mostrado esquemáticamente en la Figura 42.15. Paso l. Comprobar en las tablas los niveles de sonido en bandas de octava de las fuentes principales de ruido del sistema, normalmente el ventilador y/o los difusores. Calcular primeramente el nivel de potencia sonora del ventilador y a continuación el de los difusores: a) Comprobar el nivel de potencia específico del ventilador mencionado en la

Tabla 41.1. En el ejemplo mostrado en la Figura 42.15 el ventilador posee

PliSO 2. Determinar la pérdida por inserción del conducto a) Conducto no revestido (Tabla 42.2) b) Atenuación en conductos revestidos (Tabla 42.3) 5 m. 76 X 152 cm 5 m. 61 x 122 cm 2 m. 36 x 46 cm 2.5 m. 30 x 41 cm 1 m. 23 cm de diámetro Atenuación total e) Tubos acodados revestidos El. Ec. E." E. (Tabla 42.5)

h) Nivel de potencia sonora de los difusores

g) Nivel de potencia sonora solamente de salida

[ida)

Paso 1. Nivel de potencia sonora de las fuentes a) Ventilador. nivel de potencia sonora específico (de la Tabla 41.1) b) 10 10glO Q = 10 10glO 12 e) 20 10g1OP, = lO 10glO 622/1.000 [véase Ecuación (41.2») d) Incremento de frecuencia del álabe (BFI): 2 dB. Este valor debe ser añadido al nivel de banda de octava que incluye la frecuencia del álabe que justifica la presencia del tono de frecuencia del álabe e) Ajuste de eficacia del ventilador j) Nivel de potencia sonora total del ventilador (de entrada y de sa-

Los valores están especificados en decibelios

101 98 37

6 111 108

6

2 2 l 1 1 7 3

3 3 2 2 2 12 7

6

-4

-4

111 108

-4

11

7 7 4 5 3 26 11

11

98 88

250

11

125

98

63

6 49 15

1\

8

11 13

22 32 22 32 7 >50 21

94 91 40

6

2 6 96 93 35

81 11 -4

1000

81 1\ -4

500

24 30 22 28 7 >50 26

89 86 40

6

76 11 -4

2000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

TABLA 42.10. Cálculo del nivel de ruido del sistema HVAC de caudal constante mostrado en la Figura 42.15

25 28 14 19 7 >50 34

84 81 23

6

-4

11

71

4000

ce

N

•N

< :t> n

:t:

3: :t> CJ)

m

-t

üi

CJ)

Z

m

o O

e

:D

m

r O

O

:D

-t

z

n

O

63 50 13

Paso 6. Niveles de presión sonora de acuerdo al criterio Re 30(N)

Paso 7. Atenuación adicional requerida

13

45

58

3

61

65 2

61

47

43

65

6

11

16

30 35

40

5

35 35

>60

2

2 7 3 5 17

SOO

37

4

38 37 41

60

2 7 3 5 17

2 7 3 5 17

2SO

4

30

34

8

25

33

7

40 6

40 40

>60

2 7 3 5 17

2000

40

>60

2 7 3 5 17

1000

Frecuencia central de banda de octava. Hz 125

2 7 3 5 17

Paso 5. Determinación del nivel de presión sonora en la habitación, Lp

Paso 4. (Lw - Lp) para conjuntos de varios difusores

Paso 3. Determinar el nivel de potencia sonora de cada difusor. (A bajas frecuencias, se asume que el nivel de potencia sonora del ventilador es el mismo para todos los difusores. IL representa la pérdida por inserción del sistema HV AC) a) Nivel de potencia sonora del ventilador para cada difusor, Paso 1, línea g, menos la pérdida por inserción IL b) Nivel de potencia sonora del difusor, Paso 1, línea h e) Nivel combinado de las líneas a y b utilizando la Fig. 1.14

Total e) Pérdida final de reflexión, para conductos de 23 cm de diámetro (Tabla 42.6) f) Silenciadores (ninguno) Atenuación total en el conducto

d) División de potencia (Tabla 42.2) Ramal B 1 , 60 % Ramal B2 , 20 % Ramal B3, 50 % Ramal B4 , 30 %

63

20

15

8

23 23

>60

2 7 3 5 17

4000

TABLA 42.10. Cálculo del nivel de ruido del sistema HVAC de caudal constante mostrado en la Figura 42.15 (Continuación) Los valores están especificados en decibelios

t

eO

e

::o

em

::o O

.. ..

Z -t

O

-< n

(f)

ñ »

-t

e(f)

(f)

» n»

e

e

m

3:

em

..

~

» z e »

W o

42.31

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

~

~

~ -

(0:;N x x

Sala de reuniones Difusor ~

-

00 N~

.....

E3

Sala de ventilación 46x 36 (18x14

B2

(O~ x X

-

NO

VejiladOr de suministro

30 x 15 (12 x 16)

B3

41 x 30 (18 x 12)

Lj

.....

~

152 x 76 (60 x 30)

J

--01

30 x 28 (12 x 11)

N~

I [ E,

Ó

E.OB.

E2 B,

N

x

o !:!

iD x ,....

ID

-.....

FIGURA 42.15. Diagrama esquemático del sistema de suministro de aire utilizado como ejemplo en el cálculo especificado en la Tabla 42.10, que no muestra el sistema de retorno de aire. El ventilador de suministro envía 12 m 3fseg. Las dimensiones de las secciones transversales de cada conducto se muestran en centímetros. Los conductos acodados (revestidos con material absorbente de sonido) vienen indicados como E" E2, E3 Y E•. Los ramales se indican como B" B2, B3 Y B•. En la sala hay seis difusores, cada uno de un diámetro de 23 cm, que suministran aire a razón de 0,019 m 3fseg.

b)

e) d)

e)

f)

g)

álabes curvados en sentido de la marcha. Los valores en las distintas bandas de octava deben ajustarse a las condiciones reales de funcionamiento del ventilador, como se indica en la Ecuación (41.2). Añadir a cada nivel de potencia sonora en bandas de octava la cantidad 10 10glO Q, en la que Q es el caudal de aire. En el ejemplo, Q = 12 m2/seg. Añadir el valor de 20 10g1OP, donde P es la presión estática del ventilador. En el ejemplo la presión estática total es de 622 pascal es = 0,622 kilopascales. Determinar el incremento de frecuencia de álabe de la Tabla 41.1. En el ejemplo este valor es de 2 dB, que debe ser añadido a la banda de octava de 500 Hz, ya que en ella se encuentra la frecuencia del álabe. Determinar el ajuste de eficacia del ventilador en la Tabla 42.1. En este ejemplo, la eficacia estática es del 50 por 100. Añadir los niveles de las líneas a hasta e para obtener el nivel de potencia sonora total de emisión desde la entrada hasta la salida. Restar 3 dB del nivel de cada banda de octava (línea f) para determinar solamente el nivel de potencia sonora de salida.

42.32

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

h) Comprobar en las tablas los niveles de potencia sonora en bandas de octava

para los difusores (valores proporcionados por el fabricante del difusor). Paso 2. Comprobar en las tablas la pérdida por inserción (IL) de cada uno de los distintos componentes del sistema de distribución del conducto entre la fuente y la salida o salidas de aire al espacio de servicio, que incluyen la atenuación (a) en el conducto no revestido, (b) en el conducto revestido, (e) en los tubos acodados, (d) en los puntos de división de potencia en los ramales, (e) en la pérdida final de reflexión, y (f) en los silenciadores. La pérdida total de inserción en cada banda de octava es la suma de las pérdidas individuales. En un conducto con una sección transversal dada, la atenuación se determina por unidad de longitud y se multiplica por la longitud del conducto. A continuación se suman estos valores para obtener la atenuación total. Paso 3. Determinar el nivel de potencia sonora total para cada terminal de aire (difusor o parrilla): (a) restando los valores IL (Paso 2) de los niveles de potencia sonora en bandas de octava del Paso 1, (b) comprobar en la tabla el nivel de potencia sonora del aparato terminal de aire (difusor o parrilla), y (e) añadir a y b para obtener el nivel de potencia sonora total. Paso 4. Comprobar en la tabla la conversión del nivel de potencia sonora a nivel de presión sonora en la habitación; es decir, comprobar en la tabla los valores de (Lw - L p ) de la habitación servida. Se pueden obtener utilizando la Ecuación (41.10) para un solo difusor o la Ecuación (42.3) para un conjunto de difusores en el techo. Paso 5. Determinar los valores del nivel de presión sonora de la habitación restando (Lw - L p ) en el Paso 4 del nivel Lwde potencia sonora en la salida de aire en la Fase 3. Paso 6. Comprobar en la tabla los niveles de presión sonora en bandas de octava según el criterio de ruido RC o NC seleccionado. Estos valores de nivel de presión sonora vienen indicados en la Figura 43.5 para curvas RC y en la Figura 43.2 para curvas NC. Paso 7. El número de decibelios en que el nivel resultante de presión sonora en la habitación (Paso 5) sobrepasa este criterio (Paso 6) representa la atenuación adicional (en decibelios) que se debe aplicar, bien por medio de silenciadores o (en caso de que el conducto no esté revestido) revistiendo la tubería.

Ejemplo. En la Tabla 42.10 se muestra el modo de aplicación del procedimiento anterior en el sistema HV AC ilustrado en la Figura 42.15. Paso l. Los niveles de potencia sonora especificados en la tabla se refieren a ventiladores de álabes curvados en sentido de la marcha que mueven 12 m3/seg. Véase la Figura 42.15. Paso 2.

a) El conducto está revestido. b) Como muestra la Tabla 42.10. en 15,5 m (51 pies) de conducto revestido se

dan varias secciones transversales. La Tabla 42.3 muestra los datos de ate-

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

e)

d)

e)

/)

42.33

nuación por unidad de longitud, obteniéndose los valores mostrados en la línea 2b de la Tabla 42.10 para cada longitud de conducto empleada. Hay cuatro tubos acodados revestidos con varias secciones transversales. La Tabla 42.5 identifica los tubos acodados ilustrados en la Figura 42.15 y la atenuación para cada uno de ellos según tamaño, obteniéndose los valores mostrados en la línea 2e para los cuatro tubos acodados. Se produce una división de potencia como resultado de los cuatro puntos de ramificación entre el ventilador y los difusores de la habitación. En la Figura 42.15 se muestra la pérdida en cada una de las ramificaciones. La pérdida total debida a las ramificaciones es de 17 dB. El diámetro del conducto es de 23 cm (9 pulgadas). En la Tabla 42.6 se muestran los valores de pérdida de reflexión final para conductos de este tamaño. No existen silenciadores en esta fase de proyecto del sistema.

La pérdida total por inserción del sistema de conductos es la suma de los valores desde 2a a 2f.

Paso 3. (a) Se determina el nivel de potencia sonora del ruido atenuado del ventilador para cada difusor restando la pérdida total de inserción en el conducto del nivel de potencia sonora del ventilador, línea g del Paso 1; (b) se combina a continuación con el nivel de potencia sonora del difusor, línea h del Paso 1, para obtener Lw. Paso 4. Se determina (Lw - L p ) utilizando la fórmula (42.3), en la que X = 1,4 Yh = 3 m (10 pies), para una habitación con un área de 80 m 2 (832 pies cuadrados). Paso 5. Se resta (Lw - L p ) del nivel de cada banda de octava del nivel total L w , línea e del Paso 3, para obtener el nivel L p de presión sonora de la habitación. Paso 6. Se ha seleccionado el criterio RC 30(N). Los valores mostrados en la tabla fueron obtenidos de la Figura 43.5. El nivel de presión sonora de la habitación sobrepasa el objetivo calculado en las bandas de octava de 63, 125, 1.000 Y 2.000 Hz en 13, 13, 4 Y 8 dB respectivamente. Un sonido así sería considerado moderadamente retumbante y siseante, y por tanto deberían tomarse medidas para rebajar los niveles de ruido en las cuatro bandas de octava donde el análisis sugiere la existencia de tal exceso de ruido. En caso de selección del criterio NC 30 los niveles de presión de sonido en las bandas de octavas de 63,125,250,500, 1.000,2.000 Y 4.000 Hz habrían sido de 57, 48, 41, 35, 31, 29 Y28 dB respectivamente. Paso 7. En la línea 7 se muestran los valores de atenuación adicional que deben ser aplicados para alcanzar el criterio RC 30(N). La atenuación adicional precisa para alcanzar el criterio NC 30 sería de 7 dB a 63 Hz, 10 dB a 125 Hz, 3 dB a 1.000 Hz, Y4 dB a 2.000 Hz.

El sonido siseante producido por los difusores puede ser aminorado aumentando su tamaño, e incrementando el diámetro del conducto que I1ega al difusor de 23 cm (9 pulgadas) a 25 cm (10 pulgadas). Con eIlo se reducirá la velocidad del aire

42.34

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

en el conducto de 4,6 mlseg a 3,7 m/seg, y el sonido quedaría reducido en 6 dB. El sonido retumbante causado por el ventilador puede ser reducido de 3 a 6 dB seleccionando uno de un tamaño que funcione con mayor eficacia y se adecue a los requisitos del sistema. De acuerdo con estas normas, la instalación de un silenciador con una baja caída de presión en el ramal de 46 X 36 cm que sirve a la habitación o en el ramal de 122 X 61 cm, debería tener como consecuencia un control de los niveles sonoros del sistema según los objetivos especificados. Cálculo de la atenuación precisa para un espacio en el cual los difusores formen un sistema sobre el techo

En la mayoría de los edificios de oficinas los difusores de suministro de aire se encuentran situados en el techo del espacio tratado. Por lo general tales difusores abarcan un amplio conjunto de fuentes de ruido, cuya disposición geométrica depende del área de servicio de cada difusor, la altura del techo y los requisitos de suministro. En zonas internas del edificio en las que los requisitos de suministro son bastante uniformes el transporte de aire por cada difusor es normalmente el mismo a lo largo de la habitación. Por tanto, las fuentes de ruido tienden nominalmente a poseer los mismos niveles de potencia sonora. Se puede establecer un método de cálculo del nivel de presión sonora de una habitación suministrada por este tipo de conjuntos de difusores empleando la Ecuación (4.10). Sin embargo, este método es inapropiado cuando existe un gran número de difusores, ya que precisa del cálculo de la contribución de cada fuente en un punto escogido de referencia en la habitación, y a continuación la suma energética de cada contribución individual (en base a la potencia sonora) con el fin de determinar el nivel de presión sonora en ese espacio. Para este caso especial se pueden obtener mediante el siguiente método más simple resultados con un margen de error de 1 a 2 dB respecto del valor determinado por el método más riguros03 • Este método simple de cálculo emplea la siguiente ecuación para obtener el nivel de presión sonora en un plano horizontal situado a 1,5 m por encima del suelo (aproximadamente la altura de una persona en pie). La variación de nivel de presión sonora en este plano horizontal depende del número de difusores del conjunto. Cuando existen cuatro o más difusores la variación total no excede por lo general de 2dB: Lp = Lw - 510g X - 2810g lO h

+ 1,310gIO N

- 310g lO f

+e

(42.3)

donde Lp = nivel medio de presión sonora para la totalidad de los difusores a una altura de 1,5 m sobre el suelo, dB re 20 micropascales Lw = nivel de potencia sonora de cada salida del conjunto [o sea, la potencia sonora combinada de (1) el sonido propagado a través del conducto hasta el difusor y (2) el sonido generado en el difusor], dB re 1 picovatio X = porcentaje de cada área de la habitación servida por cada salida respecto al cuadrado de la altura del techo (por ejemplo, X = 1 si el área suministrada = h 2 )

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.35

h = altura del techo, m. N = número de difusores en la habitación (N debería ser de al menos 4)

f = frecuencia central de bandas de octava, Hz. e = constante

=

17 (unidades SI)

Selección de ventiladores con el fin de minimizar los requisitos de control de ruidos

Una importante primera fase inicial a la hora de proyectar un HVAC silencioso es la selección del tipo y tamaño apropiados de ventilador para cada aplicación. Como viene indicado en el Capítulo 41, los tipos más frecuentes de ventiladores instalados en sistemas HV AC de edificios son los centrífugos con álabes curvados en sentido contrario o a favor de la marcha, y los axiales con aletas guía. Aunque en lo relativo a niveles de ruido cada uno de estos tipos se diferencia bastante de los demás en función de la frecuencia, estos ventiladores tienen una característica común, ya que emiten sus niveles de ruidos menores cuando funcionan en la zona de máxima eficacia de sus curvas de rendimiento (véase las Figuras 41.16, 41.17 Y 41.18). Como consecuencia, es de importancia primordial que tras haber seleccionado el tipo apropiado de ventilador se seleccione su tamaño, de modo que pueda actuar en su zona de mayor eficacia. Si no fuera posible, los requisitos de control de ruido podrían aumentar en gran medida. En sistemas HV AC de caudal constante la posibilidad de seleccionar un ventilador de tamaño óptimo, eficaz para adaptarse a los requisitos del sistema, se ve normalmente limitada por el tamaño (y posición) de la sala de servicios mecánicos. Sin embargo, en sistemas de caudal de aire variable se dan otros factores que pueden influir en gran medida sobre la eficacia operativa del ventilador y, como consecuencia, en los requisitos de control de ruidos. Por ejemplo, es bastante común la elección del tamaño de ventilador en base a la necesidad de flujo de aire total del sistema, presuponiendo que todas las zonas del sistema precisan simultáneamente del máximo suministro de aire. Tal necesidad de suministro total de caudal de aire al sistema no es frecuente en los sistemas típicos de caudal de aire variable empleados en la mayoría de los edificios. Como regla general un sistema normal de este tipo funciona más o menos al 65 por 100 de su cota máxima de caudal de aire una vez que se han estabilizado las condiciones termodinámicas del edificio. Por esta razón el suministro de aire de un ventilador que ha sido medido en base a unos requisitos máximos de diseño debe ser modulado aproximadamente en un 35 por 100 por debajo, con el fin de adecuarse a la demanda habitual del edificio en condiciones normales de ocupación. Esta modulación del suministro de aire del ventilador puede afectar los requisitos de control de ruido hasta en 15 dB. Control de un sistema de caudal de aire variable. Velocidad constante y velocidad variable. Para modular el caudal de aire del ventilador en un sistema de aire variable se emplean por lo general dos métodos: (1) accionando el ventilador a velocidad constante con control variable de los álabes interiores del ventilador, y (2) alterando la velocidad del ventilador, normalmente cambiando la frecuencia de línea del mando mecánico al motor de accionamiento. De entre los dos métodos, el ac-

42.36

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cionamiento de velocidad variable es con diferencia mucho más eficaz energéticamente y tiene como consecuencia niveles de ruido considerablemente menores. El control de los álabes interiores variables a una velocidad constante tiene un coste inicial menor, y se elige normalmente cuando los presupuestos son ajustados y los costes de energía eléctrica de funcionamiento tienen importancia secundaria. No obstante, la selección de este método puede acarrear un aumento en costes de medidas adicionales (necesarias para lograr los objetivos proyectados de control de ruido) que contrarreste en gran medida el bajo coste inicial del control de álabes interiores variables. Por el contrario, el coste inicial del convertidor de frecuencia necesario para el motor de velocidad variable puede ser compensado con el ahorro resultante en la instalación de control de ruido. Debido al menor nivel de ruido de funcionamiento del ventilador con motor de velocidad variable, se puede precisar una reducción de ruido en el sistema de hasta 15 dB menos. En caso de que los costes de energía eléctrica precisos para el funcionamiento del sistema de ventilación sean un factor importante, la mejor elección será primordialmente la de un motor de velocidad variable. Tomemos como ejemplo una instalación de caudal de aire variable en la cual un ventilador aerodinámico de álabes curvadas en sentido contrario de la marcha cumpla del modo más adecuado los requisitos del sistema. Asumamos que el tamaño de este ventilador haya sido escogido al 100 por 100 de su capacidad proyectada, admitiendo que el punto de funcionamiento normal del ventilador sea del 65 por 100 de su capacidad total. Cuando se selecciona un control de álabes internos a velocidad de ventilación constante, la potencia en caballos necesaria para accionar el ventilador al 65 por 100 de sus condiciones de flujo previstas será del 64 por 100 de la necesaria para el flujo previsto al 100 por 100. Por el contrario, al seleccionar un motor de velocidad variable la potencia en caballos precisa al 65 por 100 de sus condiciones de flujo será solamente del 27 por 100 de la necesaria para el previsto al 100 por 100. El coste energético en electricidad para el control del caudal de aire por medio de álabes interiores variables a velocidad de ventilación constante supera el doble al control de velocidad variable. Si el ventilador seleccionado posee una eficacia estática del 75 por 100 (cercana a la eficacia óptima para ventiladores aerodinámicos de álabes curvados en sentido contrario a la marcha) respecto al 100 por 100 de las condiciones de flujo previstas, el empleo de controles de aspas internas a velocidad constante reduce la eficacia estática hasta en un 32 por 100 del punto de operatividad normal del sistema (65 por 100). Por el contrario, al emplear el control de velocidad variable, la eficacia estática del ventilador en el punto de operatividad normal del sistema será básicamente la misma a la producida al 100 por 100 de las condiciones de flujo previstas (74 por 100). Como indican los datos de la Tabla 42.1, el aumento del nivel de ruido de un ventilador de este tipo (aerodinámico) a una eficacia estática del 32 por 100 en comparación al 74 por 100 es de 12 dB o más. Es más, el espectro de ruido del ventilador en este punto de funcionamiento de baja eficacia se desvía hacia la zona de bajas frecuencias del espectro, aumentando significativamente el coste del control de ruido.

CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

42.37

REFERENCIAS 1. T. J. Schultz, «Relationship between Sound Power Level and Sound Level in Dwellings and Offices», ASHRAE Trans., vol. 91, pt. lA, 1983, pp. 124-153. 2. W. E. Blazier, Jr., «Revised Noise Criteria for Application in the Acoustical Design and Rating of HV AC Systems», Noise Control Engineering, vol. 16, 1981, pp. 64-73. 3. ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Applications, cap. 52, «Sound and Vibration Control», American Socíety of Heating. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329, 1987. 4. 1. L. Ver, «A Review of the Attenuation of Sound in Straight and Unlined Ductwork of Rectangular Cross Section», ASHRAE Trans., vol. 84, pt. 1, 1978, p. 122. 5. R. M. Hoover y H. L. Kuntz, «The Interrelationships between the Physical Properties of Fibrous Duct Lining Materials and Lined Duct Sound Attenuation», ASHRAE Trans., vol. 93, pt. 2,1987, p. 449. 6. «Standard Method of Testing Duct Liner Materials and Prefabricated Silencers for Acoustical and Airflow Performance», ASTM Standard E-447-84, American Society for Testing and Materials, Filadelfia, PA 19103. 7. L. L. Beranek, Noise and Vibration Control, rev. ed., cap. 12, Institute of Noise Control Engineering, Poughkeepsie, NY 12603, 1988, pp. 391-393. 8. Air Terminals, Standard 880-89, Air-Conditioning and Refrigeration Institute, 1501 Wilson Blvd., Arlington, V A 22209. 9. Procedure for Estimating Occupied Space Sound Levels in the Application of Air Terminals and Air Outlets, Standard 885-90, Air Conditioning and Refrigeration Institute, 1501 Wilson Blvd., Arlington, V A 22209.

Capítulo

43

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN CALEFACCIONES, VENTILACION y SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO Warren E. Blazier, Jr INTRODUCCION En este capítulo se describen los criterios utilizados para establecer controles de ruido necesarios para el diseño de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HV AC) en edificios. Los temas principales que se comentan son: (1) la influencia de las restricciones en el espacio físico al seleccionar criterios de diseño de sistemas HV AC, (2) los métodos habituales de clasificación y especificación de ruido en sistemas HVAC, (3) los criterios de ruido ambiental recomendados para sistemas HV AC que se utilizan en locales donde difieren los requisitos según el tipo de ocupación y uso, y (4) los criterios para evitar la percepción de vibraciones acústicamente inducidas en construcciones con paredes y techos ligeros. CONSIDERACIONES DE ESPACIO PARA SISTEMAS HVAC EN EDIFICIOS Con el fin de conseguir un nivel de ruido aceptable en los sistemas HV AC al construir edificios nuevos se precisa con frecuencia de una estrecha coordinación entre las distintas disciplinas involucradas en su diseño. La primera colaboración debe establecerse entre el diseñador del sistema HV AC, el arquitecto y el ingeniero de estructuras, aunque el propietario y el personal de gestión del edificio también deben involucrarse en la resolución de algunos asuntos relativos al ruido. Una consideración importante es la referida a la localización de espacio suficiente en el edificio para la disposición de un equipo de ventilación energéticamente eficaz y para la colocación adecuada de tuberías, controles y mecanismos terminales, con el fin de minimizar la propagación de ruido de estos elementos a través del sistema de distribución de aire.

43.1

43.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El alto coste de edificación tiende a disuadir del uso de sistemas de ventilación centrales almacenados en grandes espacios alejados, y a estimular el uso de equipos de ventilación compactos más pequeños y menos eficaces, situados en el centro de cada piso del edificio (donde se concentran otros servicios no productivos como baños, escaleras y ascensores). . El empleo de equipos de ventilación independientes para cada piso aumenta el área total productiva del edificio, ya que se elimina el espacio previamente dedicado a la conducción de tuberías de suministro y desalojo de aire, y los espacios de transición para cada piso. También se logra una reducción de costes al utilizar menos tuberías y aislamientos. Sin embargo, al disponer los espacios de ventilación en cada piso se producen los siguientes problemas de control de ruido: 1. Uno o varios de los muros que rodean las salas de servicios mecánicos están habitualmente situados junto a lugares sensibles al ruido, lo cual puede requerir la necesidad de construir aislamientos frecuentemente difíciles de ejecutar y costosos. 2. Debido a la distancia relativamente corta entre el orificio de salida (o entrada) de ventilación y las terminales en los lugares a los que se suministra el aire, pueden surgir problemas en el control de los ruidos transmitidos a través de las tuberías, a menos que se añadan silenciadores, con lo cual aumentaría la resistencia al flujo de aire del sistema. Tales medidas de control de ruido normalmente incrementan el consumo de energía eléctrica del equipo de ventilación, así como la potencia sonora final. En algunos casos, debido a malas condiciones de entrada o salida en las tuberías, puede aumentar bastante la resistencia «efectiva» de un silenciador y alterarse el punto operativo del ventilador lo suficiente como para causar un aumento de la potencia sonora final en una cantidad aproximadamente igual al rendimiento del silenciador, con lo cual se podría anular el efecto neto de esta medida adicional de control del ruido.

En muchos casos es útil determinar el modo en que la instalación de sistemas HV AC en espacios limitados afecta al coste tanto de las soluciones de control de ruidos como de la energía necesaria para que funcione el sistema. En algunos casos se podría comprobar que no es apenas perceptible la ventaja económica estimada por aumento del área productiva, debido al alto coste inicial de las soluciones de control de ruidos y al aumento permanente previsto en costes energéticos para el funcionamiento de este sistema.

SISTEMAS DE CLASIFICACION DE RUIDOS HVAC Los sistemas habituales de clasificación mediante un único valor para indicar los objetivos de control de ruido en diseños de sistemas HV AC incluyen el nivel sonoro con ponderación A. las curvas NC y las curvas Re. El uso de estos sistemas de índices para ruidos HV AC es válido solamente para ruidos continuos y estables que no muestren fluctuaciones obvias de nivel a lo largo del tiempo. Un fallo a la hora de considerar esta limitación provoca normalmente errores serios a la hora de clasificar el sonido emitido por un sistema. Tales fluctuaciones de sonido pueden ocurrir como resultado del funcionamiento inestable de un ventilador, debido a golpes en-

43.3

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

tre uno o varios ventiladores o a otros equipos rotatorios del sistema, que operan a una velocidad similar. Nivel sonoro con ponderación A

El gráfico 17.5 muestra cómo varía la sonoridad tan to con el nivel de presión sonora como con la frecuencia. En el Capítulo 5 se describen los sonómetros diseñados para medir el nivel sonoro con ponderación A de un ruido, expresado en dB(A). Ya que la molestia producida por el ruido no es directamente proporcional a la sonoridad (véase Capítulo 23), el nivel sonoro con ponderación A no es muy fiable a la hora de evaluar los ruidos HV AC en el interior de edificios. En un ámbito interior con ruido de fondo, la mayoría de las personas parecen aceptar cierto tipo de sonidos, pero no otros del mismo nivel sonoro con ponderación A relativo. También es frecuente que cuando las personas describen un ruido ambiental como retumbante, siseante o con algún otro adjetivo de tipo negativo, aumente bastante la posibilidad de que se produzcan quejas, incluso aunque el sonido tenga un nivel de sonoridad moderado para ese ambiente. El uso del nivel sonoro con ponderación A para clasificar o comparar ruidos HV AC no es fiable. Aparte de la sonoridad, ninguno de los demás factores que intervienen en las reacciones del oyente se pueden considerar midiendo únicamente el nivel sonoro con ponderación A. Por ejemplo, aunque los tres ruidos típicos HVAC mostrados en el gráfico 43.1 tienen espectros bastante diversos, cada uno tiene un nivel sonoro con ponderación A de 40 dB(A). Aunque estos ruidos podrían ser considerados igualmente sonoros al compararlos estrictamente en base a 60

al

't:l

~

50

~

e

al

ca

(;

e

oen 40 e -o .¡¡¡ al

a.

~~

)~

a; > 20

10

~

~ f-.....-' ""-

30

al 't:l

Z

~

~

~'1 "-

18I

~ P§]~

32

63 125 250 500 1000 2000 4000 Frecuencia central de banda de octava, Hz

8000

FIGURA 43.1. Tres espectros HVAC típicos, cada uno con un nivel sonoro con ponderación A de 40 dB(A).

43.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

su sonoridad relativa, su clasificación podría ser significativamente diferente si fueran juzgados en base a su nivel de molestia relativo. Por ejemplo, el espectro denominado como H podría ser considerado como demasiado siseante debido a un excesivo desequilibrio en las altas frecuencias; el espectro R podría ser clasificado como demasiado retumbante por su característica caída en picado en las bajas frecuencias. Al contrario, el espectro N tiene una distribución más equilibrada en función de la frecuencia y puede ser considerado como un sonido «neutro», poco susceptible de encontrar oposición como ruido de fondo si se presenta con un nivel apropiado respecto al ambiente. El uso de criterios expresados en términos de nivel sonoro con ponderación A no es recomendable para especificar objetivos de control de ruidos en un sistema HV AC. Esto es debido a que un determinado nivel sonoro en dB(A) no tiene por qué ser necesariamente aceptable para el ocupante de la habitación servida por el sistema. El nivel sonoro con ponderación A tampoco es recomendable como herramienta de diagnóstico en el análisis de reclamaciones sobre ruido de un sistema HV AC en funcionamiento. Existe un riesgo bastante grande de que el problema consista en algo más que en la mera sonoridad, lo cual hace preciso el conocimiento de la forma del espectro del ruido para descubrir la razón exacta de la queja. CurvasNC

El grupo de curvas NC 1 que muestra el gráfico 43.2 son de uso común tanto con el fin de evaluar el ruido producido por un sistema HV AC existente, como para establecer objetivos de diseño en la construcción de los sistemas. Las curvas NC especifican en bandas de octava los límites del espectro de ruido permitido que el sistema puede producir. Al evaluar problemas de ruido las curvas NC sirven como punto de referencia. Por medio de ellas es posible determinar los requisitos de reducción de ruido. Este sistema de clasificación se basa en la premisa de que existen dos factores principales que influyen en la respuesta de las personas al ruido de fondo HV AC: la sonoridad de este ruido de fondo y el nivel y la forma del espectro en la región de frecuencias del habla. Este sistema de clasificación presupone que la posibilidad de que existan quejas en un ambiente aceptable para la comunicación oral es mínima si el nivel numérico de sonoridad del ruido (tratado en el Capítulo 17) no sobrepasa en más de 22 el nivel numérico de interferencia del habla (tratado en el Capítulo 16). La elección del tipo de curva NC que se debe utilizar como criterio de diseño en el control de ruido de fondo depende del tipo de uso del espacio considerado. En un ambiente de oficinas el nivel deseado de comunicación oral (o de enmascaramiento del habla) es un tema de vital importancia. Por el contrario, en el interior de una sala de conciertos la calidad de la comunicación oral no es un factor relevante; el objetivo es aquí evitar que queden ocultos los tenues sonidos en pianissimo que se dan en la mayoría de los pasajes musicales. Los valores de los niveles de bandas de octava especificados por las curvas NC son considerados a veces como límites que no deben ser sobrepasados, con independencia de la forma del espectro real del ruido de fondo. Incluso se ha establecido como práctica común la asignación de una clasificación NC a un ruido seleccio-

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

w w

43.5

90~----~--~~--~----~----~----~----~--~~----

~w ~

~ 80

u ~ o N

~ 70r---~~~~~~~~~--t=~~--~~~~---1 w

O :i

w

al

U

~ 60

zw ~

~ u

50~---4~~~~~~~~~----~~~~----~~~----~

O

w

O W

z~ ~

40~--~--~~~~~~--~~--~~~~----~---4----~

w O

oC{

~ 30~--~~---4--~~~~-P~--~~~f---~~~~~--~

z

O

w

z

O

ffi

20~---4~---4-----+-----r~~+-~~f-----~--~~--~

g: w O

-1 W

~ 10

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

FRECUENCIAS CENTRALES DE BANDA DE OCTAVA EN HERZIOS

FIGURA 43.2.

Curvas NC.

nando la curva NC más alta que sea tangente exterior al espectro. Hay dos pasos en este método de clasificación de la tangente: Paso l. Se dibuja el espectro del ruido que debe ser clasificado en un «campo» de curvas NC similar al mostrado en el gráfico 43.2. Paso 2. Se determina la curva NC más aIta tangente exterior al espectro de ruido, y se usa este número de curva NC como clasificación de ruido.

La clasificación NC de ruido por medio de este método de tangente-contorno conduce básicamente a un número basado casi exclusivamente en la sonoridad, que no proporciona información útil sobre las características del espectro que podrían afectar negativamente al sonido percibido en el oído. Las desventajas del uso de

43.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

este procedimiento de clasificación de ruidos se ilustran en el gráfico 43.3. Los tres espectros HV AC característicos mostrados en este gráfico son ruidos básicamente diferentes, pero poseen la misma valoración 33 NC mediante este método tangentecontorno. Por ejemplo, el primer espectro, denominado H, sería 5iubjetivamente clasificado como siseante por un oyente. Recibiría la clasificación NC 33 porque ésta es la curva NC más alta que es tangente exterior al espectro. El punto de tangencia es a 2.000 Hz (por convención común se puede interpolar entre las curvas para obtener las curvas NC correspodientes a números enteros). El segundo espectro, R, sería probablemente considerado por el oyente como retumbante. Se le asigna la clasificación NC 33 porque ésta es la curva NC tangente exterior más alta. El punto de tangencia es a 250 Hz. El tercer espectro, N, será normalmente clasificado como neutro por el oyente. Se le asigna la clasificación NC 33 correspondiente al punto de tangencia a 500 Hz. Se presenta entonces el dilema de que usando este método de clasificación de ruido por tangente-contorno NC en una situación en la que se haya establecido una especificación basada en el criterio NC el oyente puede considerar que el ruido de fondo es molesto. La solución a este problema puede ser complicada. Es aconsejable, por tanto, evitar el uso de especificaciones de ruido que permitan el uso del método tangente-contorno NC para calificar el ruido de fondo originado por un sistema HV AC. Un método mejor de especificación consiste en exigir que la forma del espectro del ruido de fondo se aproxime a la de la curva NC al menos en tres octavas contiguas, sin exceder los límites definidos por la curva NC específica.

Curvas NCB

Las curvas NCB que muestra el gráfico 43.4 son una versión modificada y con un nuevo nombre de las curvas Nc;2. Las diferencias más importantes son: (1) la zona de bajas frecuencias ha sido aumentada con el fin de incluir las bandas de octava entre 16 y 31,5 Hz; (2) la pendiente negativa de las curvas en las bandas de octava por encima de 1.000 Hz es ligeramente más pronunciada y lineal; (3) cuando se emplean los niveles de una determinada curva NCB como base para la asignación de límites de ruido en bandas de octava, se asume que la habitación está ocupada y que los ruidos de la «actividad en la habitación» están ya incluidos en el nivel de ruido total permitido, y (4) el procedimiento de uso de las curvas NCB para clasificar ruidos de características espectrales que difieran en forma y nivel de una curva NCB específica es muy minucioso y no permite el uso del procedimiento de clasificación simplificada tangente-contorno sugerido anteriormente para la clasificación de ruido por curvas NC. En comparación con el empleo de curvas NC, existen dos ventajas en el uso de las curvas NCB como base para la clasificación o especificación de ruidos HVAC: 1. La gama de frecuencias incorpora las bandas de octava de 16 y 31,5 Hz, lo cual supone una mejor base a la hora de considerar problemas de ruidos de baja frecuencia.

2. Se incluye un procedimiento para determinar si un espectro que se desvía de

43.7

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

III "O

60

[~ ~'"

50

~

ni'

o

c::

o

Ul

40

~ ~~ ~-:..;,

c: -o '¡¡; ~

"\.

a. 30 CI)

Qi

>

--- --

r--...

20

10

~-

l~ ~ ~ ~

"O

Z

~ ~,

CURVA NC 33

""!

R P§]

32

63 125 250 500 1000 2000 4000 Frecuencia central de banda de octava. Hz

~

8000

FIGURA 43.3. Tres espectros HVAC típicos con idéntica clasificación NC.

la forma de una curva NCB puede llegar a ser de carácter retumbante o siseante, según el lugar en el que se produzca la desviación. No obstante, el uso de curvas NCB para determinar o clasificar el ruido de sistemas HV AC en edificios tiene varias desventajas en comparación al procedimiento de clasificación con curvas RC que será tratado más adelante. Las principales desventajas son las siguientes: 1. Este sistema de clasificación presupone que el nivel sonoro es estable. Por lo tanto, no se pueden aplicar las clasificaciones cuando existan modulaciones de sonido.

2. No es recomendable el uso de niveles «permitidos» de la zona de baja frecuencia de las curvas NCB (las bandas de octava de 16,31,5 Y63 Hz), con la excepción de habitaciones de paredes o techos muy macizos o rígidos. Por lo tanto los niveles mostrados en esta zona de las curvas NCB no se aplican a locales construidos con muros ligeros convencionales, o a habitaciones con sistemas suspendidos e integrados en el techo. En estos casos, los límites de bajas frecuencias de las curvas NCB serán modificados por las limitaciones impuestas con el fin de evitar vibraciones inducidas por ruidos en paredes o techos, como se indica en las líneas de contorno que muestra el ángulo superior izquierdo del gráfico 43.4. 3. Las curvas NCB definen solamente las condiciones para espacios ocupados y presuponen que al realizar las mediciones se producen ruidos normales debidos a la actividad, además de los atribuidos al sistema HV AC. Como no es frecuente que el diseñador de un sistema HV AC conozca por adelantado qué ruidos debidos a actividades debería tener en cuenta o sus magnitudes, no es práctico considerar que se

43.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

100

90

~~~----~-----+--

Curvas de criterio de ruido compensado CurvasNCB

ro

Q..

::1.

o

80

N

~ al -O

cO

NCB

70

>

....uro

o 60 Q)

~--~~~~~~~~~~~~~--4-~~~60-+--~-1

-o m

55

ro

-O

c:

ro

.o

50

~--~~~~~~~~~~--~~--~~~~50-+~--d

45

c: Q) ro

O 40

~--~----~~~~~~~--~~--~--~~40~~~-1

c: O

35

m

c:

'0

"¡¡¡

30

~---+----~~~+-~--~--~-=--4-~~~30-T~~-1

Q)

"-

25

el. Q)

-O Q)

20

~---+----~----~~--~--~~--4-~~~20-T~~-1

10

~---+----~----+---~~~~----4-~~r-10-P~~-1

"~

z

15

au

OL-__ ____- L_ _ _ _J -_ _ _ _L -_ _ _ _ _ _- L_ _ _ _J -_ _ 31,5 500 16 63 125 250 1000 2000 4000 ~

~

~~

_ _- J

8000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.4.

Curvas NCB. (L. L. Beranek, Referencia 2.)

puedan realizar ajustes significativos en el diseño del HV AC que los compensen. Se podrían producir complejos problemas contractuales y legales si hubiera que establecer el cumplimiento de las especificaciones de ruido HV AC tomando medidas en un espacio ocupado en el que se produzcan otros ruidos ambientales. 4. El sistema de clasificación utilizado por las curvas NCB no incluye ruidos con componentes discretos audibles. Los ruidos que poseen estas características son una causa frecuente de quejas en el funcionamiento de sistemas HV AC.

Curvas RC

Las curvas Re se pueden utilizar para especificar niveles máximos en un espacio servido por un sistema HV AC, como alternativa preferida frente a las curvas NC o al nivel sonoro con ponderación A, ya que este sistema de clasificación (1) tiene en

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

43.9

cuenta tanto la forma como el nivel del espectro en el proceso subjetivo de evaluación; (2) incluye datos de las bandas de octava de 31,5 y 16 Hz, y (3) tiene en consideración las vibraciones perceptibles producidas por la energía acústica de baja frecuencia en edificios de construcción ligera. Se recomienda el uso de este método también como herramienta de diagnóstico de problemas ya experimentados con sistemas HV AC existentes. El grupo de curvas RC mostradas en el gráfico 43.5 está basado en el análisis de un gran número de datos recopilados durante un estudio patrocinado por ASHRAE sobre ruido de fondo «aceptable» en una amplia gama de ambientes de oficinas típicos4 • La pendiente de -5dB/octava de las curvas RC corresponde a la pendiente media del espectro de los datos medidos que se obtuvieron en gran número de oficinas que disponían de aire acondicionado calificadas como aceptables por sus ocupantes. La pendiente de las curvas RC no cambia con el nivel a lo largo del rango mostrado, y la designación numérica de cada curva corresponde al nivel de la octava de 1.000 Hz. En el rango de aplicación recomendado, de RC 25 a RC 50, los contornos corresponden al espectro de un sonido neutro que está aproximadamente equilibrado con respecto a la sonoridad relativa de las bajas y altas frecuencias del espectro. Los niveles de baja frecuencia de las curvas están influenciados, por un lado, por el umbral de audibilidad y, por otro, por la preocupación de evitar vibraciones perceptibles inducidas acústicamente en edificios de construcción ligera. Las dos áreas 90 ca

Q.

::t.

o

N

~

80

al "C

.o >

70

....ca (,)

o

Q)

"C

60

'" ca

"C

c:

ca .o 50 Q)

"C

ca

40 o c: o '"c: -o

RC 50

.¡¡; 30

RC 40

~

RC35

RC 45

o. Q)

"C

a¡

RC30

20

RC25

.~

z

16

31,5

63

125

250

500

1k

2k

4k

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.5.

Curvas RC. (W. E. Blazier, Referencia 3.)

8k

43.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

rayadas que muestra la zona de bajas frecuencias indican el rango de presiones sonoras en el que se debería considerar la posibilidad de 'libraciones causadas por el ruido. En la zona rayada superior existe una alta posibilidad de que la vibración causada por el sonido pueda ser claramente perceptible. En la zona rayada inferior los efectos de la vibración inducida por el ruido pueden ser apenas percibidos levemente, pero susceptibles de causar grietas y resonancia en techos acústicos. La clasificación RC del ruido precisa de dos términos: el primer término es un número [corresponde aproximadamente al nivel de interferencia del habla (SIL) del espectro, tal como se estudió en el Capítulo 16]; el segundo término consta de cuatro letras que identifican la «calidad» del sonido como podría ser subjetivamente descrita por un oyente. Por ejemplo, la graduación RC 35(N) representa un ruido con aproximadamente un nivel de interferencia del habla de 35 dB con un equilibrio energético neutro entre bajas y altas frecuencias. Una graduación RC 35(R) refleja un ruido con el mismo nivel de interferencia del habla, pero de carácter retumbante debido a un desequilibrio en el espectro causado por un exceso energético de bajas frecuencias. La letra H designa un espectro de sonido siseante (desequilibrio en las altas frecuencias del espectro), y la T se utiliza para designar un espectro de sonido tonal (con presencia de componentes de tonos puros audibles). La designación RV se utiliza para identificar un espectro retumbante que contiene la cantidad suficiente de energía de bajas frecuencias para inducir vibraciones perceptibles en las superficies de edificios de construcción ligera. Con el fin de asignar la letra apropiada para la descripción de la calidad de sonido se utiliza el siguiente criterio: Espectro neutro (N): Los niveles en bandas de octava de y por debajo de 500 Hz no deben exceder los niveles de octava del espectro de referencia en más de 5 dB en ningún lugar de la línea. Los niveles en las bandas de octava de y por encima de 1.000 Hz no deben exceder el nivel de octava del espectro de referencia en más de 3 dB en ningún lugar de la línea. Espectro retumbante (R): Los niveles de banda de octava de y por debajo de 500 Hz sobrepasan el nivel de octava del espectro de referencia en más de 5 dB en uno o más puntos de la línea. Espectro siseante (H): El nivel de banda de octava de y por encima de 1.000 Hz sobrepasa el nivel de octava del espectro de referencia en más de 3 dB en uno o más puntos de la línea. Espectro tonal (T): Si existe un componente tonal en un ruido se produce habitualmente un cambio abrupto en el signo de la pendiente del espectro, que introduce un pico en una banda de octava particular respecto de los niveles de las dos bandas adyacentes. Si este pico se eleva en más de 3 dB sobre la línea formada entre los niveles de las dos bandas adyacentes, el tono puede ser audible para el oído. A pesar de que un análisis en bandas de un tercio de octava puede facilitar la localización de un componente tonal, la simple escucha puede ser suficiente para captar la audibilidad del componente. Vibración perceptible inducida acústicamente (RV): La zona rayada en las curvas RC del gráfico 43.5 muestra el rango de frecuencias y amplitud de los niveles de

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

43.11

presión sonora en bandas de octava que pueden introducir vibraciones perceptibles en muros y techos de edificios de construcción ligera. La vibración acústicamente inducida puede también provocar radiaciones de sonido secundarias tales como reverberaciones en puertas de armarios, cuadros, fijaciones del techo u otras partes del mobiliario en contacto con los muros. Los datos de nivel de presión sonora en la octava de 16 Hz son importantes en este análisis, ya que los ruidos HVAC capaces de inducir vibraciones en paredes y techos contienen normalmente bastante energía dentro de este rango de frecuencias. Si se utiliza un analizador de bandas de octava que no posea un filtro de 16 Hz, el nivel de esta banda de octava puede ser habitualmente estimado del modo siguiente: El nivel de la banda de octava de 16 Hz es aproximadamente el mismo que el correspondiente al nivel de la de 31,5 Hz más la diferencia entre el nivel medido con escala lineal y el nivel de la octava de 31,5 Hz, a condición de que el espectro sea clasificado como retumbante de acuerdo al procedimiento normal de clasificación RC (que no considera el nivel de banda de 16,5 Hz). Por ejemplo, si la diferencia entre el nivel medido en la escala lineal y el nivel de la banda de octava de 31,5 Hz. es de 4 dB o mayor, es probable que el nivel de la banda de octava de 16 Hz sea igualo mayor al medido en la octava de 31,5 Hz. Se emplean las letras RV cuando la zona de bajas frecuencias del espectro de ruido se extiende a la zona superior rayada del grupo de curvas Re. A continuación se muestra el modo de empleo del método de medición RC para evaluar los ruidos HV AC: 1. Un nivel de interferencia del habla de tres bandas (SILJ ), que es la media aritmética en decibelios de los niveles de las bandas de octava de 500, 1.000 y 2.000 Hz, describe adecuadamente el ambiente de comunicativo oral en presencia de ruido. (En ruidos HV AC normales el nivel de interferencia del habla de tres bandas difiere menos de 1 dB del nivel de interferencia del habla de cuatro bandas (véase el Capítulo 16). 2. Es más probable que un espectro de sonido neutro sea considerado más aceptable que los espectros retumbantes o siseantes, o que un espectro con componentes tonales audibles. 3. El nivel global de ruido no varía sensiblemente con el tiempo [o sea, no se dan fluctuaciones temporales de nivel mayores de unos 3 dB como media, según las mediciones de un sonómetro normalizado usando la respuesta rápida (fast) y ponderación lineal].

Método de clasificación Re. La clasificación RC de un espectro de ruido emplea datos de nivel de presión sonora en bandas de octavas correspondientes al intervalo de frecuencias entre 31,5 y 4.000 Hz. (Un modo alternativo de clasificación para casos de vibración inducida acústicamente precisa que se añada el nivel de presión sonora en la banda de octava de 16 Hz.) La clasificación RC se obtiene de la siguiente forma:

43.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Paso l. Se dibuja el espectro de ruido en bandas de octava sobre un formato de gráfico similar al ofrecido en la Figura 43.6. Paso 2. Se calcula el nivel de interferencia del habla de tres bandas del espectro, que consiste en la media aritmética en decibelios de los niveles de las octavas de 500, 1.000 Y 2.000 Hz. Paso 3. Se traza una línea con una pendiente de -5 dB por octava en la zona de frecuencias de 31,5 hasta 4.000 Hz que pase por el punto correspondiente a un valor de la ordenada de 1000 Hz igual al nivel de interferencia del habla calculado en el paso 2. Esta es la curva de referencia que se debe utilizar para evaluar la calidad de sonido del espectro que se clasifica. Paso 4. Se traza una línea situada 5 dB sobre la curva de referencia desde la banda de octava de 31,5 Hz hasta la de 500 Hz. Se traza una segunda línea situada 3 dB sobre la curva de referencia desde la banda de octava de 1.000 Hz hasta la de 4.000 Hz La franja situada entre estas dos líneas y la curva de referencia de90 #",,#

.. ~

------ **

80

------

moderadamente perceptible

..... '

. _--_. 60

.


\

o o 50

c:

Ul

c:

'o '¡¡;

.

el)

a. el)

'tJ

I

. I I I .....' ~ Vibración inducida por ruido I

70

al 'tJ

Vibración inducida por ruido claramente perceptible

40

Qi

>

Z

\

Iaudibilidad Umbral del ~

30

\

20

10

\

'\.

'\ 16

32

63

125

250

500

1000

2000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.6.

Formato de gráfico para mediciones Re.

4000

43.13

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

fine la desviación máxima del espectro de sonido respecto de la curva de referencia en la que se puede clasificar un sonido como neutro (N).

Paso 5. Se determina la «calidad» del sonido observando el modo en que el espectro se desvía de los límites de la curva de referencia establecidos en el paso 4, empleando los criterios descritos previamente para elegir una letra descriptiva apropiada. Paso 6. Se asigna una clasificación RC al espectro. La parte numérica de la clasificación corresponde al nivel de la curva de referencia de la banda de octava de 1.000 Hz; la letra descriptiva adjunta es la determinada en la fase 5. Ejemplos de métodos de medición de ruido Re. Los ejemplos que se muestran a continuación se han tomado de datos reales de medición de ruidos en sistemas HV AC. Con la excepción del ejemplo de espectro neutro mostrado, los ruidos restantes corresponden a situaciones en las que los ocupantes de los espacios habían expresado enérgicas quejas. Espectro neutro. El gráfico 43.7 muestra un espectro de ruido clasificado por una medición RC 35(N) según los procedimientos de cálculo descritos anteriormente. 90

--- ...

..

------

..... '

1

###"

80

I~

I

1

Zonas de posible percepción de vibraciones acústicamente inducidas

I

70

al

60

r-- f -

'tl

«i

~',

'.~

es c: o 50

Límites permitidos al espectro neutro Baja free. Alta free.

~ .') j ~, ~,

"

'"c:

~. l

-o .¡¡¡ ~

1Curva RC 351

o. 40

I SIL 35 dB

CI)

'tl

'a;

>

Z

I

I

30

~~

Espectro de ruido de 35 RC (NI

I ' I

...

~.

20

10

16

32

63

125

250

500

1000

2000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.7. Medición RC de un espectro HVAC neutro.

4000

43.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El nivel de interferencia del habla calculado (SIL) es de 35 dB. Las desviaciones de espectro respecto a la curva de referencia se encuentran dentro de los límites especificados para un espectro neutro. Espectro retumbante. El gráfico 43.8 muestra un espectro de ruido clasificado por una medición RC 33(R). El nivel de interferencia del habla calculado es de 33 dB. Las desviaciones de espectro respecto a la curva de referencia sobrepasan los límites especificados para el espectro neutro en las bandas de octava inferiores a 125 Hz. Espectro siseante. El gráfico 43.9 muestra un espectro de ruido clasificado por una medición RC 36(H). El nivel de interferencia del habla calculado es de 36 dB. Las desviaciones del espectro respecto a la curva de referencia sobrepasan los límites especificados en las bandas de octava superiores a 1.000 Hz. Espectro tonal. El gráfico 43.10 muestra un espectro clasificado por una medición de RC 32(T). El nivel de interferencia del habla calculado es de 32 dB. Con la excepción del nivel de la octava de 125 Hz, el espectro está situado dentro de los límites de ruido neutro. A pesar de que el nivel que sobrepasa el límite de 125 Hz lo haría merecedor de una clasificación R, el ruido en realidad no suena como retumbante. Sin embargo, el carácter del sonido es tonal. (El origen real del componente 90

-----80

.' ------ ..'

~

1+-1

~, ~'\

60

~"

'O

ca

o

o 50

rn

e

'0

l

c. 40

1

Um;,e, PD,m;Udo, ., e,pect," Baja free.

I

09"'"1

Alta free.

" ~ , ,, i"~ ~

.,

Curva RC 33/ SIL33 dB

al

'O

1

Espectro de ruido de 33 RC (R)

'

e

'0; ~

I

Zonas de posible percepción de vibraciones acústicamente inducidas

.

rl

70

al

..............

Qi

>

Z 30

1;.'.'

.....

"')

K "

20

10

16

32

63

125

250

500

1000

2000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.8.

Medición RC de un espectro HVAC retumbante.

4000

43.15

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC 90

...

I

I

I

I

______ .... 1+--1 Zonas de posible percepción de

1

vibraciones acústicamente inducidasl

80 .'

.' .'

70

c:J

",. "

60

,

I Baja Límites permitidos al espectro neutro l free. Alta free.

"" i',j

"O

...cO

o c: o 50

1_ _-

".

'"c:

'o .¡¡; el)

Q. 40

de ¡Espectro de 36 RC (H)

el)

"O

g¡ >

ruidO¡""

¡

..

.....-.;a~.-:.............. ~ ~'~"1

Z 30

1Curva RC 361r--~ 20 ~+---~---+--~----+---~~lSIL36dB __ ____ 1000 2000 4000

10~~---L--~----~---L--~L---~

16

32

63

125

250

500

~

~

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.9.

Medición RC de un espectro HVAC siseante.

tonal de este ejemplo es el zumbido de un transformador con una frecuencia de 120 Hz.) Este ruido debe ser considerado como tonal y no como retumbante, debido al cambio brusco en el signo de la pendiente del espectro, que origina el pico mostrado en la banda de octava de 125 Hz. Este pico se eleva 7 dB sobre la línea situada entre los niveles de las dos bandas adyacentes. Este valor equivale aproximadamente a la cantidad en la que el nivel de componente tonal sobrepasa al ruido de banda ancha en la octava de 125 Hz. Como la magnitud de este valor es mayor de 3 dB, el componente tonal es audible. Por tanto, la medición del espectro es RC 32(T). [Si este componente tonal quedase reducido en 4 o más dB, el espectro resultante se clasificaría como RC 32(N).] Vibración perceptible inducida acústicamente. El gráfico 43.11 muestra un espectro clasificado por una medición RC 31(RV) según los criterios mencionados anteriormente. A pesar de que la interferencia del habla medida es de solamente 31 dB, el espectro de ruido sobrepasa bastante los límites asignados en la zona de bajas frecuencias. Es más, los niveles de presión sonora en las bandas de octava de 16 y 31,5 Hz alcanzan la zona rayada superior del grupo de curvas RC mostradas en el gráfico 43.5. Debido a este motivo, el espectro recibe una medición de RC 31(RV). En una oficina normal con techos acústicos suspendidos un espectro de este tipo no sería

43.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

..

'

.. ..

'

90 .' ------ .' 80

.-,

l Componente tonal J

70

permitidos al espectro neutro ~ I Límites Baja free. Alta free.

i'

60

.....

I~ ......

...oca c:

o 50

~

~

'" c:

'o '¡¡; ~

O-

;1

'

------

lJl "'O

I I I I I Zonas de posible percepción de vibraciones acústicamente inducidas

I

40

t

~,

~

'"

-'o,

~.....

1'--

'o!

Curva RC 32 1 SIL 32 dB

Q)

"'O

Qi

>

Z

30

~

......

~ .....

I

IEspectro de 16

32

63

125

250

500

1000

~ "'w.

rUidol

de 32 RC (T)

20

10

""11

2000

4000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.10.

Medición RC de un espectro HVAC tonal.

sólo desagradablemente ruidoso, sino que provocaría además reverberaciones en instalaciones de alumbrado y en difusores y parrillas de absorción de aire.

CRITERIOS DE NIVEL DE RUIDO HVAC ACEPTABLE EN HABITACIONES Los procedimientos de medición de ruidos planteaban el problema de que además de la sonoridad global existen otros factores que también influyen a la hora de medir los ruidos HV AC en términos de su aceptación relativa. Por ejemplo, si se determina la sonoridad sobre todo en función de los niveles de la zona de bajas frecuencias del espectro, se podría calificar un ruido como retumbante y por tanto menos aceptable en comparación con un ruido de distribución energética más equilibrada. Se produciría la misma reacción en el caso de que la sonoridad global fuera establecida sobre todo en función de los niveles de la zona de altas frecuencias del espectro, clasificándose en este caso el ruido como siseante. Las componentes tonales de un ruido también provocan reacciones negativas a la hora de determinar su aceptación, aunque la sonoridad global sea moderada.

43.17

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

90 - - - -":.1 11-'"

70

IEspectro de ruido l

'" ........... ...... ~

c: -o 'c;; Gl

.

z

I Límites permitidos al espectro neutro Baja free. Alta free.

.....

,~

~ ....

L . ' .....

30

~ ~ ...... ,

~.

20

10

1

. .t'·' .~....~

ICurva RC 31 I SIL 31 dB

40

Gl "O

Qi ~

de 31 RC (RV)

r......., ... ...... ~

~

o c: oVI 50 ~

I

I

'

1\

60

I

Zonas de posible percepción de ¡ vibraciones acústicamente inducidas

.\

..

----oo-

Q.

I

r\--

I~

80

!Xl "O

..

16

32

63

125

250

500

1000

2000

4000

Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 43.11. Medición RC de un espectro HVAC capaz de producir vibraciones perceptibles inducidas acústicamente.

El nivel de ruido producido por un sistema HV AC en una habitación se considera como parte del ruido de fondo del ambiente. Para que sea considerado aceptable no debería enmascarar significativamente los sonidos que la gente desea escuchar, ni ser de carácter molesto o intrusivo. En un ambiente de oficina el nivel sonoro de fondo aceptable se establece generalmente según los requisitos de comunicación oral, que pueden variar en gran medida en función del tipo de uso de la habitación. En el extremo opuesto, un nivel aceptable de ruido de fondo en locales no amplificados, tales como salas de recitales y conciertos, se basa en la percepción clara por parte de la audiencia de los sonidos más tenues. La Tabla 43.1 muestra una lista de criterios para ruido de fondo HV AC recomendados según los diversos usos del espacio. Estos criterios se expresan en función de los dos procedimientos más utilizados para la medición de ruidos. La columna «Preferido» se refiere al empleo de procedimientos de clasificación mediante las curvas de ruido Re. Se recomienda este criterio siempre que la calidad de uso de la habitación o local imponga la necesidad de un ruido de fondo neutro. La columna «Alternativo» se fundamenta en el uso de procedimientos de medición mediante las curvas de ruido Ne. Este criterio puede ser utilizado cuando la calidad de uso del

43.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 43.1.

Criterios de aceptación de ruido de fondo estable en espacios desocu-

pados

Tipo de espacio

Preferido

Alternativo

Nivel sonoro con ponderación A aproximado* , dB

Estudios de grabación Salas de conciertos y recitales Estudios de televisión y salas de música Salas de teatro Residencias privadas Salas de conferencias Aulas Oficinas directivas Oficinas privadas Iglesias Salas de cine Apartamentos, habitaciones de hotel Tribunales Oficinas y colegios de estructura abierta Bibliotecas Vestíbulos, áreas públicas Restaurantes Oficinas públicas (grandes)

RC 1O-20(N) RC 15-20(N) RC 20-25(N) RC 20-25(N) RC25-30(N) RC 25-30(N) RC 25-30(N) RC 25-30(N) RC 30-35(N) RC 30-35(N) RC 30-35(N) RC 30-35(N) RC 35-40(N) RC 35-40(N) RC 35-40(N) RC 35-40(N) RC40-45(N) RC 4O-45(N)

NC 10-20 NC 15-20 NC20-25 NC 20-25 NC25-30 NC 25-30 NC25-30 NC 25-30 NC30-35 NC 30-35 NC30-35 NC 30-35 NC 35-40 NC 35-40 NC 35-40 NC 35-40 NC40-45 NC 40-45

18-28 23-28 28-33 28-33 33-38 33-38 33-38 33-38 38-43 38-43 38-43 38-43 43-48 43-48 43-48 43-48 48-53 48-53

Criterio recomendado

• Los niveles sonoros con ponderación A no se recomiendan para su uso en el diseño de sistemas HV AC.

espacio no sea tan exigente y permita tolerar un ruido de fondo de características retumbantes, siseantes o tonales, siempre que no excedan ciertos límites. Sin embargo, cuando se utiliza el criterio alternativo existen más posibilidades intrínsecas de recibir quejas por parte de los usuarios, ya que el tipo de sonido puede ser molesto para ciertas personas (retumbante, siseante o tonal). En cada categoría de uso de los espacios listada aparecen dos valores de criterio aconsejados. El valor inferior muestra el objetivo en el diseño de un sistema HV AC para un espacio determinado; el valor superior es el límite recomendado al especificar el funcionamiento del sistema en condiciones operativas reales.

VIBRACIONES INDUCIDAS ACUSTICAMENTE PERCEPTIBLES En el Capítulo 26 se tratan los efectos de la vibración sobre las personas y las estructuras. En general, este tema se refiere a los efectos de vibraciones forzadas a niveles sustancialmente superiores al umbral de audibilidad humana. Sin embargo, algunos sistemas HV AC pueden emitir ruidos en una zona de frecuencias muy bajas (bandas de octava de 16,31,5 y 63 Hz) en cantidad suficiente para causar vibraciones forzadas en construcciones de muros y techos ligeros. No es extraño que estos

CRITERIOS PARA EL CONTROL DE RUIDO EN SISTEMAS HVAC

43.19

sistemas provoquen respuestas de vibración forzada con niveles de 10 a 20 dB superiores al umbral de percepción humana en las construcciones de este tipo. Cuando sea perceptible la magnitud de esta vibración forzada inducida acústicamente, incluso con niveles próximos al umbral, pueden ocurrir varias circunstancias que originen las reclamaciones de los usuarios. Por ejemplo, aunque éstos no hayan sentido directamente vibración alguna en las superficies de la habitación, podrán escuchar fácilmente los ruidos secundarios producidos al tintinear las instalaciones del techo y los muebles fijados a las paredes. La molestia puede aumentar, además, debido a que la amplitud de la excitación acústica está sujeta normalmente a grandes variaciones de nivel en intervalos cortos de tiempo. Estas fluctuaciones pueden ser de naturaleza aleatoria o periódica, según las características de la fuente que provoque el ruido. El comienzo de este tipo de problemas se produce normalmente para niveles de vibración forzada cercanos o algo superiores al umbral de audibilidad humana. Sin embargo, la presión acústica precisa para conseguirlo depende del tipo de construcción del espacio que alberga dicha fuente. En construcciones ligeras habituales de montantes metálicos y placas de yeso, o en techos suspendidos con instalaciones de poco peso ensambladas a terminales de aire, se acepta generalmente que un nivel de ruido de unos 70 dB en la zona de frecuencias más bajas del espectro de ruido no debería ser sobrepasado si se desean evitar efectos audibles de vibración forzada. Esta propuesta es el fundamento de las condiciones límite impuestas en el rango de bajas frecuencias de las curvas RC mostradas en el gráfico 43.5.

REFERENCIAS 1. L. L. Beranek, «Revised criteria for noise control in buildings», Noise control, vol. 3, 1957, pp. 19-27. 2. L. L. Beranek, «Application of NCB noise criterio n curves», Noise control engineering, vol. 33, n.o 2,1989, pp. 45-56. 3. W. E. Blazier, Jr., «Revised noise criteria for application in the acoustical design and rating of HV AC systems», Noise control engineering, vol. 16, 1981, pp. 64-73. 4. ASHRAE research project RP-126, rep. E2063, Lewis S. Goodfriend and Associates.

Capítulo

44

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS George c. Maling, Jr. Andrew L. 80gge55, Jr.

INTRODUCCION

Un aparato accionador de aire utiliza un propulsor giratorio impulsado por un motor. Estos aparatos son por lo general pequeños ventiladores o fuelles empleados en sistemas de ventilación, como por ejemplo en pequeños equipos eléctricos. Normalmente estos ventiladores y fuelles tienen un diámetro menor de 20 cm. En este capítulo se comentan los métodos de control de ruido y vibraciones generados por estos aparatos pequeños de propulsión de aire. Se describen los tipos de aparatos más comunes, las fuentes de ruido, la elección de aparatos silenciosos, las técnicas de reducción de ruido, las normas de medición de emisión de ruidos, los métodos de cálculo de niveles de ruido en varios lugares del aparato, y las mediciones de ruido del aparato propulsor de aire. CARACTERISTICAS DE LOS VENTILADORES Y FUELLES

En el Capítulo 41 se describen las características generales de los ventiladores y fuelles. Estos mecanismos impulsan el aire debido a la energía generada cuando el flujo de aire atraviesa las aspas giratorias. Estos álabes pueden tener forma aerodinámica o curvada. Los ventiladores y fuelles descritos en este capítulo son por lo general accionados directamente por un motor, y no por las correas de transmisión, que son más habituales en aparatos de mayor tamaño.

44.1

44.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Fuelles centrífugos

Un fuelle centrífugo pequeño común, como muestra la Figura 44.1, consiste en un bastidor y en un propulsor accionado por un motor. El propulsor tiene forma cilíndrica y gira alrededor de un eje gracias al motor. El bastidor es una cubierta con forma especial que rodea el propulsor giratorio. El aire penetra en el propulsor, atraviesa sus aspas y es recolectado y descargado por el bastidor. Se dice que la unidad tiene una única boca de entrada o una boca de entrada doble según si el aire entra desde un lado o desde ambos laterales del impelente. Un fuelle de boca de entrada única consta normalmente de un solo propulsor, mientras que el de doble boca tiene dos enlazados mecánicamente entre sí. Los fuelles más comunes poseen álabes curvados en sentido de la marcha, como los que se muestran en la Figura 41.3. El número de álabes depende del tamaño del propulsor. Por ejemplo, un propulsor habitual de 8 cm posee 26 álabes. Una característica de los fuelles centrífugos es que el aire sufre un giro en ángulo recto cuando atraviesa el impelente. Un propulsor dúplex tiene un motor instalado entre los dos propulsores y el bastidor, mientras que el propulsor simplex sólo tiene un motor, un propulsor y un bastidor.

Ventiladores de flujo axial

En la Figura 44.2 se muestra un ventilador típico de flujo axial. Estas unidades, empleadas comúnmente para ventilación en equipamientos pequeños, poseen a menudo un número relativamente pequeño de álabes (por ejemplo, cinco), y un motor instalado casi siempre en el eje de rotación. El aire atraviesa la unidad en dirección paralela al eje del motor propulsor. Los ventiladores de flujo axial se pueden subdividir en tres categorías: tuboaxiales, axiales con aletas guia y helicoidales. Ventiladores tuboaxiales. Ventiladores empleados mayoritariamente en instalaciones comerciales electrónicas como fuente primaria de ventilación. En la Figura 44.2 aparece una muestra típica. Los ventiladores tuboaxiales constan generalrnen-

FIGURA 44.1.

Fuelle centrífugo dúplex típico.

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

o

- ......--4----'-+--

44.3

Motor

Impelente

FIGURA 44.2. Ventilador axial típico con motor compacto.

te de una cubierta exterior que rodea el propulsor, y tienen por lo común una dirección axial muy corta en comparación con el diámetro del ventilador. El propulsor, con un número de álabes de tres a nueve, es accionado por un motor compacto instalado en el eje propulsor. La velocidad de rotación nominal puede ser de 1.500 a 5.000 rpm. Su instalación completa permite un buen flujo de aire pese a la anchura mínima del ventilador.

Ventiladores axiales con aletas guía. La disposición de los ventiladores axiales con aletas guía es similar a la de los tuboaxiales, con la excepción de que disponen de una cubierta mayor que acoge al conjunto de aspas guía, como muestra la Figura 44.3. Las aletas guía pueden estar en dirección anterior o posterior al propulsor giratorio, proporcionan una eficacia aerodinámica mayor y sirven para impulsar el flujo circular de aire (llamado flujo en torbellino o en remolino; véase Figura 41.13) en su salida del ventilador. Se consigue una mayor eficacia aerodinámica transformando las altas velocidades del remolino en presión estática. Estos ventiladores se utilizan masivamente en aplicaciones que requieran altos rendimientos, debido a su alta resistencia al flujo de aire causada por los elementos electrónicos compactos. Los ventiladores axiales con aletas guía tienen por lo común un mayor número de álabes que los tuboaxiales (hasta 15) y funcionan a mayores velocidades (de hasta 22.000 rpm).

44.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Cubiertas

Propulsor

Cubierta del motor

,Aletas guía Chapa de montura

FIGURA 44.3.

Ventilador axial típico con aletas guía con propulsor de flujo mixto.

Ventiladores helicoidales. Un ventilador de este tipo se muestra en la Figura 44.4. Estos ventiladores constan de un motor y un impelente simple moldeado en plástico o estampado en placas metálicas. Es un motor por lo general de forma abierta, con una cubierta metálica que soporta el conjunto del motor y el impelente. Propulsores de flujo mixto

Los propulsores de flujo mixto tienen normalmente un conjunto de álabes de descarga radial en la boca de entrada, a través de la cual el aire pasa axialmente. En la Figura 44.5 aparece un propulsor tipo de flujo mixto dentro de su bastidor. Existe además un tipo de ventilador de flujo axial y mixto con un componente asimismo radial, de un diámetro mayor del eje propulsor que aumenta la medida entre el eje y el extremo del aspa. Con ello se consigue una mayor presión para el mismo tamaño de ventilador. Los ventiladores axiales de flujo mixto se usan a menudo para enfriar instalaciones eléctricas. El propulsor que muestra la Figura 44.3 es axial de flujo mixto. Parámetros relacionados con las instalaciones de ventiladores y fuelles

Curva de resistencia del sistema. Una curva de resistencia del sistema es un gráfico de aumento de presión estática a lo largo de un sistema de ventilación respecto al caudal de aire a su través. El aumento de presión es normalmente proporcional al cuadrado del caudal de aire. La curva de resistencia del sistema (distinta para cada instalación) se puede calcular conociendo las medidas geométricas de la instalación, como aparece en la Figura 44.6.

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

44.5

Armazón de placa metálica

Motor con devanados en cortocircuito (armazón abierta) Puntos de fijación del motor Eje del motor/rotor y sistema de suspensión Propulsor Bobina del motor

FIGURA 44.4.

Ventilador propulsor típico.

Curvas de rendimiento (curvas de altura y flujo). Las curvas de rendimiento (curvas de altura y flujo) de ventiladores y fuelles han sido analizadas en el Capítulo 41. En la Figura 44.5 se muestran las curvas de rendimiento habituales de un fuelle centrífugo y de un ventilador de flujo axial. La intersección entre estas curvas y las de resistencia del sistema muestran el punto de operatividad, tal como se describe a continuación. Un fuelle centrífugo es capaz por lo general de producir una subida mayor de presión estática que un ventilador de flujo axial del mismo diámetro. Estos ventiladores se emplean comúnmente para producir flujos mayores de aire a menor presión estática. Las propiedades de un impelente de flujo mixto se encuentran por lo general entre estos dos extremos para unidades de diámetro equivalente operando a la misma velocidad. Punto de operatividad El punto de operatividad de un aparato propulsor de aire viene determinado por la intersección entre la curva de resistencia del sistema y la de rendimiento de un tipo concreto de ventilador o fuelle. Véase la Figura 44.6. Eficacia estática. La eficacia estática de un ventilador o fuelle es un parámetro importante a la hora de seleccionar un punto de operatividad apropiado. Consiste en la tasa de flujo volumétrico multiplicada por la presión estática y dividida por la potencia de entrada de energía eléctrica (en unidades acordes). Normalmente el fabricante facilita la curva de eficacia estática en función del caudal de aire. Casi siempre es útil conocer el punto de máxima eficacia estática de un fuelle con el fin de (1) proporcionar un flujo adecuado de aire a través de los álabes y (2) minimizar la emisión de ruidos. No obstante, los fuelles centrífugos funcionan casi siempre bajo condiciones de flujo de aire mayores que las correspondientes a su punto de máxima eficacia estática. La eficacia estática es menos importante en lo que respecta a ventiladores, y la presión total, más que la estática, se emplea a veces para determinar la eficacia. En este caso la posición de eficiencia máxima es el punto óptimo de eficacia (BEP), que para ventiladores suele ser un punto de operatividad inestable.

44.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Chapa de boca de salida

Cubierta del fuelle

Anillo de boca de entrada

FIGURA 44.5.

Impelente de flujo mixto típico en un bastidor.

Este punto de operatividad de ventiladores se selecciona a una presión estática menor y con un flujo de aire mayor que los valores de BEP.

FUENTES DE RUIDO EN VENTILADORES Y FUELLES El ruido aerodinámico emitido por ventiladores y fuelles es normalmente un ruido de banda ancha, de frecuencias discretas, o una combinación de ambos. Además, se generan ruidos estructurales como resultado de las vibraciones del ventilador.

Ruido aerodinámico de banda ancha

El ruido de banda ancha es generado por (1) velocidades turbulentas de fluctuación de la corriente de aire en la boca de entrada; (2) fluctuaciones de presión en la superficie de los álabes, y (3) la formación de torbellinos en el borde posterior de los álabes. Este tipo de ruidos cubre normalmente una amplia gama de frecuencias. En muchos fuelles de pequeño tamaño se produce un amplio pico en el espectro de ruido entre los 250 y los 1.000 Hz. En frecuencias mayores el nivel de potencia sonora en bandas de octava se reduce por lo general en aproximadamente 5 dB por octava. Los ventiladores de flujo axial emiten tanto ruidos de banda ancha como componentes de frecuencias discretas. Ruido aerodinámico de frecuencias discretas

En un fuelle centrífugo se producen componentes de frecuencia discreta en el espectro de potencia sonora cuando las aspas del fuelle atraviesan el paso estrecho (el punto más cercano entre el propulsor y el bastidor). Los componentes de frecuencia discreta no se muestran por lo general de una forma evidente en el espectro en bandas de octava de un fuelle centrífugo bien proyectado. Los ventiladores de flujo axial poseen una frecuencia muy prominente de (paso de) álabe relativamente baja (por ejemplo, de 250 Hz en un ventilador de cinco aspas funcionando a una veloci-

44.7

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEOUEÑOS EOUIPOS

Flujo de aire en pies cúbicos por minuto

400 Ul Q)

(ij (,)

Ul

ca

300

C.

c: Q)

ca (,) ''::;

'ca

100

", , ,

'¡¡;

... o...

Q)

ON

Fuelle centrífugo

'..JI,

,

200

,

r.

Curva de resistencia del sistema

Ul

ca ca

"O

~ :::J

,

tí Q) c:

'0

200

c.

Punto de operatividad

c: Q)

,,

ca

(,)

''::;

...

·ca Ul

100

Q)

c:

-o '¡¡; Q)

O O

0,05

0,10

O

a':

Flujo de aire en m 3/seg

FIGURA 44.6. Curvas de rendimiento (curvas de altura y flujo) de un ventilador de flujo axial, de un fuelle centrífugo. Se muestra también una resistencia del sistema. La intersección entre la curva de resistencia del sistema y la de rendimiento es el punto de operatividad del ventilador o fuelle.

dad de giro de 3.000 rpm). La frecuencia de álabe del ventilador se obtiene de la Ecuación (41.1).

Espectro típico emitido por fuentes de banda ancha y de frecuencias discretas

En la Figura 44.7 se muestran los espectros en bandas de tercio de octava de un fuelle centrífugo y de un ventilador de flujo axial.

Ruido estructural

El ruido estructural se crea por la vibración del ensamblaje del ventilador o fuelle, y es causado por las fuerzas de propulsión del motor, por un desequilibrio en el rotor y por los soportes. La frecuencia de las fuerzas de propulsión del motor dobla normalmente la de línea de motores de corriente alterna, y está en función del número de polos y velocidad de funcionamiento de los motores de corriente continua sin escobillas (véase el Capítulo 34). Los desequilibrios en el rotor están siempre presentes y pueden causar ruidos acústicos considerables, además de vibraciones en ventiladores de poca velocidad y masa. El equilibrio está en función de la velocidad de rotación y puede ser por tanto muy difícil de aislar en ventiladores con velocidades lentas cuando esta frecuencia sea baja. Los soportes de los ventiladores pequeños de enfriamiento son de dos tipos: (1) cojinetes de bolas estándar en miniatura, y (2) cojinetes aceitados de manguito interior (normalmente con un material

44.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Espectro típico del ventilador

125 250 500 1000 2000 4000 8000 Frecuencia central de banda de octava, Hz

FIGURA 44.7. Espectro típico de potencia sonora en bandas de tercio de octava de un fuelle centrífugo y de un ventilador de flujo axial.

de soporte de bronce aglutinado impregnado con aceite). La vibración causada por el ventilador puede provocar un ruido considerable si éste está instalado sobre un panel, como suele ser el caso de muchas instalaciones. El panel sirve entonces como un irradiador del sonido producido por la vibración del ventilador. Esta fuente de ruidos prevalece a menudo en aplicaciones que utilizan ventiladores de baja velocidad y emiten ruidos aerodinámicos muy bajos.

NIVEL DE POTENCIA SONORA COMO MEDIDA DE EMISION DE RUIDOS El ruido emitido por un ventilador o un fuelle puede ser expresado en términos de nivel de potencia sonora Lw en bandas de octava o en bandas de tercio de octava para un punto operativo dado. Alternativamente se puede calcular un único valor, el nivel de emisión de potencia sonora (el nivel de potencia sonora con ponderación A en belios), de acuerdo a las normas nacionales americanas 1. En la Tabla 44.1. figuran los valores típicos de los niveles de ruido producidos por pequeños ventiladores y fuelles, expresados en términos de nivel de potencia sonora en bandas de octava, nivel de potencia sonora con ponderación A, y nivel de emisión de potencia sonora (NPEL). Estos datos se obtuvieron utilizando un impelente de prueba y los métodos de estudio mencionados en la norma ANSI 12.11 2 •

443,0 359.0 212,0 165,2 131,0 104,8 257,0 186,4 48,1 38,7 13,5 10,8

0,0 249,0 74,7 99,6 0,0 37,4 0,0 23,7 0,0 17,4 0,0 14,9 0,0 11,9

Ventilador tuboaxial. estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 95 mm. cubierta, 4 álabes

Fuelle dúplex centrífugo. impelente de 200 mm de diámetro, 40 álabes

Fuelle dúplex centrífugo, hélice de 114 mm de diámetro, 26 álabes

Ventilador tuboaxial, estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 180 mm. cubierta, 3 álabes

Ventilador tuboaxial, estructura íntegra desde el motor a la rotación. diámetro de 250 mm. cubierta. 3 álabes

Ventilador tuboaxial. estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 120 mm, 3 álabes, cubierta cuadrada

Ventilador tuboaxial. estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 80 mm. 5 álabes, cubierta cuadrada

Ventilador tuboaxial, estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 80 mm, 5 álabes, cubierta cuadrada

• 1 Vs = 2,12 cfm (pies cúbicos por minuto)

1.850 2.230

89,7 71,7

0,0 199,3

Ventilador axial con aletas guía, estructura íntegra desde el motor 8 la rotación, diámetro de 127 mm, cubierta. 11 álabes propulsores, 13 álabes guía en sentido contrario a la marcha

15,8 12,5

10.670 10.470

115,6 94.4

0,0 747,0

3.490 3.480

2.930 2.930

3.185 3.100

1.670 1.650

3.300 3.175

1.678 1.710

9.150 8.195

21.520 21.390

30,7 26,0

0,0 498,0

Ventilador axial con aletas guía, estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 64 mm, cubierta, 5 álabes propulsores, 7 álabes gula en sentido contrario a la marcha

22.745 22.400

95,3 80,2

0,0 311,4

rpm

Ventilador tuboaxial, estructura íntegra desde el motor a la rotación, diámetro de 95 mm, cubierta, 2 álabes

Descripción

Incremento Flujo de presión, de aire Pa lis·

60,7 60,9

66,4 65,0 66,9 63,0

<30,0 <30,0

41,3 44,0

56.4 60,3

51.6 51,5

56,2 56,5

54,6 54,6

63.7 64,4

80,0 78.9 62,7 61,5

74,7 77,4

66,6 66,6

64,8 65,2

62,8 61,8

73,8 69,7

67,1 65,9

250

63.9 68,2

77,6 67,4

69,4 62,1

59,3 62,3

125

46,0 45,0

48,2 47,1

44,8 43,7

43,6 41,9

52,7 51,1 53,7 51,6

55,3 54,8

66,2 60,0

60,6 58,2

72,2 71,7

72,7 72,5

81,6 75,5

84,3 79,8

76,8 77,7

2GOO

46,9 44,6

56,6 57,0

58,2 59,7

64,6 62,8

74,8 74,0

69,6 59,9

71,1 67,5

72,0 71,0

92,9 95,3

1000

52,9 51,2

54,0 53,9

58,5 59,1

59,7 58,6

65.5 64,2

76,2 74,8

68,8 71,8

61,8 60.4

72,4 70,3

81,7 84,0

SOO

43,4 41,5

34,4 32,9

<30,0 <30,0

<30,0 <30.0

44,4 43,9 38,6 38,6

38,5 41,6

59,1 49,2

55,1 50,5

69,7 69,6

70,7 68,8

81,2 77,6

83,9 80,5

77,8 78,8

8GOO

49,3 49,7

53,9 52,6

58,5 55,5

70,6 69,9

76,5 72,7

80,0 74,1

84,6 82,0

78,9 80,1

4000

Nivel de potenda sonon en budas de odaVll, dB re 1 pirovado

52,0 50,9

55,9 54,5

56,6 55,8

62,4 62,7

68,4 64,9

68,8 66,8

80,4 79,7

80,3 78,6

86,8 81,9

89,7 86,4

93,5 95,8

dB

LA

5,2 5,1

5,6 5,5

5,7 5,6

6,2 6,3

6,8 6,5

6,9 6,7

8,0 8,0

8,0 7,9

8,7 8,2

9,0 8,6

9,4 9,6

NPEL, beis

TABLA 44.1. Nivel sonoro con ponderación A en bandas de octava y nivel de potencia emitida para diversos aparatos propulsores de aire

en

••Ca

en

O

=ti

e

O

m

e m z· O en

O

m

~

~

» :c »

Z

(5

(')

>

::!

Z

< m

m

O

» en

~

m

-t

C;;

44.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

SELECCION DE APARATOS PROPULSORES DE RUIDO SILENCIOSOS Un pequeño ventilador o fuelle puede proporcionar el aire suficiente para refrescar adecuadamente un espacio en particular. Los requisitos de flujo de aire dependen en gran medida del tipo y características térmicas de los aparatos o componentes que deben ser enfriados. En las Referencias 3 y 4 se ofrecen los requisitos de enfriamiento de instalaciones electrónicas y elementos microelectrónicos. La resistencia del sistema determina el incremento de presión requerido para el ventilador o fuelle. Se debería seguir el siguiente procedimiento para asegurarse de que los niveles de ruido emitido por un sistema de ventilación son los mínimos posible: 1. Proyectar el sistema que debe ser ventilado de modo que tenga el mínimo incremento posible de presión estática para el flujo de aire requerido. Una baja presión estática indica que el aparato puede funcionar a un velocidad de rotación baja, causando un nivel de ruido mínimo. Como muestra la Figura 44.8, el incremento de presión estática de un sistema es originado por varias fuentes de resistencia, tales como los aparatos que deben ser ventilados y los guardamanos de seguridad. Eliminando las fuentes innecesarias de resistencia aumentará el flujo de aire. Debería

c:

Puntos de entrada y salida

'0

"¡¡; al

rt

Filtros Guardas Elementos electronicos

Flujo de aire

FIGURA 44.8.

Curva de rendimiento de un ventilador y serie de curvas de resistencia del sistema que muestran los efectos progresivos del aumento de resistencia al sistema (elementos electrónicos únicamente; elementos electrónicos y guardamanos; elementos electrónicos, guardamanos y filtros de aire; etcétera). Este esquema muestra cómo a medida que decrece la resistencia del sistema, el punto de operatividad se dirige hacia una menor presión estática y un mayor flujo de aire.

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

44.11

ser entonces posible reducir el diámetro del ventilador o su velocidad para obtener el flujo de aire deseado con un nivel de ruido menor. 2. Seleccionar un fuelle que funcione cerca de su punto de eficacia estática máxima, considerando el flujo preciso y la caída de presión a lo largo del sistema. Un funcionamiento fuera del punto máximo de eficacia estática debería tender a una subida de presión estática menor y a un mayor flujo de aire. 3. Seleccionar un punto operativo del ventilador lejano al punto óptimo de eficacia (BEP) con tendencia a un mayor flujo de aire y a una subida de presión estática menor. Los ventiladores más pequeños son a menudo inestables cuando funcionan cerca de su punto óptimo de eficacia, y se muestran muy ruidosos bajo condiciones de alta presión estática y poco flujo de aire. 4. Seleccionar un ventilador con un bajo nivel de potencia sonora, evitando aparatos que tengan repentinos valores máximos en el espectro de potencia sonora en tercios de octava. Estos valores máximos muestran la presencia de tonos de frecuencia discreta en el espectro, difíciles de eliminar y causantes de molestias. 5. Seleccionar un ventilador o fuelle que funcione a la velocidad mínima con el máximo diámetro y cumpla los requisitos previos. Directrices para la instalación de ventiladores

Con el fin de minimizar la emisión de ruidos en la instalación de un sistema de ventilación se debe obstaculizar al mínimo el flujo de aire, reducir la resistencia al flujo en lo posible, mantener la velocidad giratoria mínima, y aislar las fuentes de vibración que puedan causar ruidos estructurales.

Importancia de las condiciones de entrada de aire en ventiladores de flujo axial. Los ventiladores de flujo axial son generalmente muy sensibles a las perturbaciones en el flujo de aire causadas por obstrucciones próximas a la boca de entrada del ventilador y también, en cierto modo, a las existentes en la salidas.6 • Cualquier tipo de impedimento al flujo presente en la entrada debería ser evitado en lo posible para asegurar un funcionamiento silencioso del ventilador. Estas obstrucciones (cables, abrazaderas, soportes, cajas de conexión, componentes electrónicos, etcétera) deberían encontrarse al menos a una distancia de la mitad del diámetro desde la boca de entrada del ventilador, y de un cuarto de su diámetro desde la de descarga. El flujo de aire alrededor de estos objetos crea una estela que, ingerida por la boca de entrada, genera un tono discreto que puede llegar a ser muy prominente en la frecuencia de paso del aspa y sus armónicos. Los guardamanos provocan un determinado tipo de obstrucción que generalmente aumenta el nivel de ruido producido por el ventilador. El número de soportes de guardamanos no debe ser igual al número de álabes del ventilador o bielas de apoyo del motor. Estos soportes deberían además ser oblicuos en relación a los bordes delanteros del aspa para que no se produzca una ruptura de flujo desde la base del aspa hasta su extremo. Un guardamanos inadecuado puede incrementar el nivel de potencia sonora emitido por el ventilador en más de 0,2 belios.

44.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Influencia del punto de operatividad. El punto de operatividad de un aparato propulsor de aire tiene un efecto significativo en la emisión de ruido. Un ventilador emitirá una menor cantidad de ruido cuando funciona cerca de su punto de máxima eficacia. Muchos ventiladores muestran una zona de pérdida de sustentación en la que se produce un flujo inestable y un ruido excesivo. El ventilador generará.ruidos cuando su punto de operatividad se aproxime al de giro libre (por ejemplo, cU8;ndo la pendiente de presión estática sea cercana acero). La Figura 44.9 muestra una curva de rendimiento de un ventilador típico con varias resistencias al sistema. En la Figura 44.10 se muestran los niveles de ruido correspondientes para cada punto de operatividad definido por la intersección entre la curva de resistencia del sistema y la de rendimiento. Consideraciones sobre ruido estructural. Los pequeños ventiladores de enfriamiento son a veces origen de ruidos y de vibraciones, que a menudo generan altos niveles de ruido estructural. La solución a este problema puede radicar en la instalación del ventilador sobre aisladores de vibración. Considerando que los pequeños ventiladores poseen generalmente masas también pequeñas, los aisladores de vibración no surten a menudo su efecto, empeorando el problema del ruido. Debido a la poca masa del ventilador y a la necesidad de eliminar las frecuencias más bajas (de 60 Hz o menores), la constante de amortiguación requerida puede tener como

200 175 ca

150

Punto de operatividad (3), NPEL = 6,6 belios

D..

cO o '¡:; ·ca t; al

c::

-o '¡¡; ~

125 100

Punto de operatividad (2), NPEL =6,1 belios

75

D..

50

(Impulsión libre) Punto de operatividad (1), NPEL =6,3 belios

25

o o

¡

25

50

75

100

125

Flujo de aire, litros/seg

FIGURA 44.9. Efecto del punto de operatividad en el nivel de ruido para un ventilador de 15 cm de diámetro. Se muestra el punto de impulsión libre y los dos puntos operativos correspondientes a dos curvas de resistencia del sistema. También aparece el nivel de potencia sonora emitido (NPEL) en cada uno de los tres puntos.

44.13

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

~ 70,---------------------------------------, ~ >

'-'-

'o

....

~

60

'-0

Punto de operatividad (3)

0-°-o -0_. .-c__

"""-------~

al

"~ o

c: ~

/

50

ca 'y

Punto de operatividad (1)

c:

~c. el)

"

Qi

>

z

40~----~----~------~----~----~~--~

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Frecuencia central de bandas de octava, Hz.

FIGURA 44.10. Efecto en el espectro de bandas de octava de los cambios de puntos de operatividad para ventiladores de 15 cm cuya curva de rendimiento aparece en la Figura 44.9.

consecuencia la selección de un aislador demasiado débil para soportar el ventilador. Cuando haya sido seleccionado un ventilador muy silencioso para una aplicación delicada, se puede obtener una mayor reducción del nivel sonoro de los tonos de frecuencia discreta por medio de un aislador de vibración para la instalación completa, especialmente si el motor no posee aislamiento (véase el Capítulo 29). Con este fin existen comercialmente disponibles unos aisladores de vibración7 o aislantes diseñados para casos particulares, fabricados con un elastómero similar al neopreno. Se debería tener especial cuidado en evitar la formación de cavidades con el aislador de vibración. Cuando el ventilador o fuelle no consta de un motor como parte integrante de la instalación, se conseguirá un aislamiento vibratorio del impelente, del eje del motor y del rotor aislando el eje y sus puntos de apoyo conectados. No es necesario aislar el ensamblaje del bastidor en aparatos correctamente diseñados del tamaño en consideración cuando la velocidad del propulsor se mantenga en la gama habitual (por ejemplo, por debajo de 3.600 rpm).

REDUCCION DE RUIDO EN SISTEMAS DE VENTILACION Reducción de ruido en conductos revestidos

Con el fin de controlar la emisión de ruidos se pueden acoplar al ventilador unos conductos cortos revestidos con material absorbente de sonido, como muestra la Figura 44.11 para el caso de un ventilador de flujo axial. Las longitudes de los conductos a cada lado del ventilador no deben ser un número múltiplo de la mitad de la longitud de onda correspondiente a la frecuencia de álabe del 'ventilador [dada por la Ecuación (41.1)], ya que el ruido emitido por estos elementos es de origen di-

44.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

.2 20.------------------------------------------------, q¡ .a

'C:; Q)

'O

á5 10

r---70 cm-+¡ t=::==:J

Revestimiento de 12 milímetros

'

t: '0

.~ Q)

'"t: o (5

Sin revestimitimiento

o. ro

'O

~

~-10L-~~~~~--~--~--~--~--~--~--~--~--~~

FIGURA 44.11. Pérdida por inserción de un ventilador de flujo axial con un conducto adyacente de 70 cm. Los conductos están revestidos con espuma acústica del grosor indicado en la figura.

polail. La reducción de ruido alcanzada depende de las propiedades de absorción de sonido del revestimiento empleado. Por ejemplo, en la Figura 44.11 se muestra la pérdida por inserción (el nivel de potencia sonora producido por el ventilador menos el emitido por el ventilador con los conductos ya colocados) de un ventilador de flujo axial. En las bajas frecuencias la pérdida por inserción puede ser negativa, o sea, la potencia de sonido emitida aumenta añadiendo conductos cortos al sistema. La importancia de la pérdida por inserción negativa puede ser determinada solamente conociendo el espectro de potencia sonora del ruido emitido por el ventilador concreto empleado, y realizando una estimación del efecto subjetivo del ruido en el oído humano con y sin la instalación de los conductos.

Reducción de ruidos con silenciadores disipativos

Cuando se hayan seguido los procedimientos antes mencionados de reducción de ruido para ventiladores y fuelles y el nivel de ruido resultante no sea satisfactoriamente bajo, puede ser útil instalar un silenciador. La instalaci6n del silenciador debe añadir la mínima resistencia posible del sistema al paso del aire. Si se produce un aumento significativo de resistencia del sistema, el flujo de aire a su través se verá reducido. Entonces será necesario repetir las cinco fases del procedimiento descrito con anterioridad para la selección de un aparato propulsor de aire silencioso, teniendo en cuenta este aumento en la resistencia del sistema. También podría ser conveniente elegir un ventilador o fuelle que produzca una mayor presión estática con el flujo de aire requerido. El aumento de nivel de ruido resultante reducirá la eficacia general del silenciador. El silenciador disipativo mostrado en la Figura 44.12 está acoplado a la boca de salida de un fuelle centrífugo de doble entrada con dos propulsores de 8 cm de diámetro, funcionando a una velocidad de 3.100 rpm. El silenciador produce un efecto insignificante en el comportamiento de la corriente de aire del sistema, proporcio-

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

44.15

Propulsor de aire

Fibra de vidrio

AGURA 44.12. Silenciador disipativo acoplado a un fuelle centrífugo.

nando una reducción de nivel de potencia sonora de unos 3 dB para el rango de frecuencias de 250 a 10.000 Hz.

Reducción de ruido por amortiguamiento

Los materiales de amortiguamiento pueden servir para reducir el ruido emitido por instalaciones pequeñas de ventiladores o fuelles, debiendo aplicarse a las paredes de la cabina que contiene la instalación, según las indicaciones explicadas en el Capítulo 28.

CARACTERISTICAS DE LA EMISION DE RUIDO DE APARATOS PROPULSORES DE AIRE Normas de medición para aparatos propulsores de aire

Las normas de ventilación permiten relacionar parámetros de flujo de propulsión de aire a aparatos geométricamente similares que pueden funcionar a velocidad diferente o son de distinto tamaño. Estas normas permiten la predicción del flujo, la presión, los caballos de fuerza y el nivel sonoro de un aparato de propulsión de aire basándose en datos tomados en aparatos de ensayo. Estas normas se restringen a usos en los cuales las dimensiones lineales del aparato son proporcionales a las del otro sobre el cual se dispone de datos de nivel de potencia sonora. Las normas más comunes de ventilación son las mencionadas en las Ecuaciones (41.3) a (41.6). La ecuación básica empleada para describir las emisiones de ruido tiene en cuenta el nivel específico de potencia sonora. Métodos para la descripción del ruido producido por aparatos propulsores de aire más precisos que los ofrecidos en el Capítulo 41 se basan en análisis dimensionales 9 ,lO. También se pueden utilizar métodos empíricosll. 12 •

44.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

RELACION ENTRE LOS NIVELES DE PRESION SONORA y LOS NIVELES DE POTENCIA SONORA Las técnicas generales para la determinación de la realción entre el nivel de presión sonora y el nivel de potencia sonora se describen en el Capítulo 4. Para estimar el nivel de presión sonora en bandas de octava Lp a una distancia determinada de un ventilador o fuelle en un ambiente determinado, es necesario disponer de infotmación de las diferencias típicas entre los niveles de presión y de potencia (Lw Lp) para cada banda de octava y para cada problema específico. A menudo se asume que (Lw - Lp) es igual a 8 dB para puntos de medida situados a 1 m de una fuente omnidireccional sobre un plano reflectante. En la práctica, se producen variaciones en el factor (Lw - Lp) a causa de que (1) la fuente puede estar localizada a una distancia diferente de 1 m del punto receptor, y (2) el patrón de radiación de la fuente no sea omnidireccional. Por ejemplo, para un ventilador de flujo axial montado sobre un panel, el valor de (Lw - Lp) a una distancia de 1 m varía de 4 dB hasta 21 dB, dependiendo de la directividad de la fuente.

MEDIDAS DE LA EMISION DE RUIDO DE UN APARATO DE VENTILACION El nivel de potencia sonora de un aparato propulsor de aire puede ser determinado en una cámara reverberante 13 •14 , en campo abierto sobre un plano reflectante, como se describe en el Capítulo 13, o mediante el uso de la intensimetría, tal como se muestra en el Capítulo 14. El nivel de potencia sonora con ponderación A o el nivel de potencia emitida (NPEL) pueden calcularse a partir de los niveles de potencia sonora en bandas de octava o tercio de octava empleando el procedimiento descrito en la norma ANSI S12.13 1• La emisión de ruidos creada por ventiladores pequeños o fuelles se puede estimar por medio de los métodos de ensayo descritos a continuación. 1. Método del impelente. El método del impelente suele ser el más apropiado en

caso de que el ventilador o fuelle vaya a instalarse sobre una cabina electrónica o cualquier otra estructura similar. 2. Método de conducto ASHRAE. Método más adecuado para casos en que el ventilador o fuelle vaya a ser colocado sobre el conducto de una instalación concreta. 3. Método de ensayo AMCA. Este método sirve para medir correctamente la potencia sonora total emitida por un ventilador, o la radiada tanto por la boca de entrada como por la de salida.

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUENOS EQUIPOS

44.17

Método del ccAmerican National Standard,. empleando la prueba del impelente

Los datos de nivel de potencia sonora que aparecen en este capítulo se midieron utilizando la norma ANSI SI2.11 2 • Para esta prueba se deben facilitar las formas de controlar el flujo de aire y el incremento de presión estática a lo largo del aparato. El empleo de este impelente, como refleja la Figura 44.13, permite el ajuste del flujo de aire y de la presión estática, proporcionando una carga aerodinámica al aparato. El método del impelente consiste en un marco de madera cubierto con una fina película Mylar*. El impelente sirve realmente como una caja «acústicamente transparente» (o sea, la pérdida por inserción es prácticamente cero hasta una frecuencia de aproximadamente 8.000 Hz). Este método sirve para calcular el nivel de potencia sonora de aparatos propulsores de aire que produzcan (1) presiones estáticas de hasta unos 750 pascales y (2) caudales de aire de hasta unos 0,9 metros cúbicos por segundo.

Método de conducto ASHRAE

Las normas de medida de potencia sonora en conductos que proporciona la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers 15 describen una técnica para medir los niveles de presión sonora radiados dentro de la boca de entrada o de salida del conducto de un ventilador. El ventilador funciona bajo condiciones de carga simuladas con el conducto acondicionado para eliminar sonidos reflejados desde su salida. Los niveles de presión sonora en bandas de tercio de octava se miden en el conducto para cada punto de operatividad del ventilador. A partir de estos datos de nivel de presión sonora existe un procedimiento para calcular los niveles de potencia sonora.

MétodoAMCA

El nivel de potencia sonora de un aparato propulsor de aire se puede calcular según la norma 300-67 de la Air Moving and Conditioning Association l6 • Este procedimiento normalizado permite la medición de potencia sonora tanto de la boca de entrada como de salida (o de ambas) por medio de una técnica de sustitución descrita en el Capítulo 13. También se incluyen las normas para determinar la adecuación de la sala para calcular la potencia sonora. Los niveles de potencia sonora de aparatos propulsores de aire se calculan comparando los de una fuente de sonido de referencia fija con los niveles de presión sonora del aparato que está siendo ensayado.

• Mylar es una marca registrada por E. 1. du Pont de Nemours & Co.

44.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO Ensamblaje ajustable de salida Apertura corredera

o

Presión piezométrica del anillo tras el panel Ensamblaje del panel montante Ventilador en estudio

Esquinero y aislamiento de vibración Retenedor

FIGURA 44.13. Impelente de ensayo para mediciones de emisión de ruido en aparatos propulsores de aire de acuerdo a la norma ANSI 512.11.

REFERENCIAS 1. Method for the Designation of Sound Power Emitted by Machinery and Equipment, ANSI SI2.23-1989, American National Standards Institute, Nueva York. 2. Method for the Measurement of Noise Emitted by Small Air-Moving Devices, ANSI S12.11-1987, American National Standards Institute, Nueva York. 3. A. W. Seott, Cooling of Electronic Equipment, Wiley, Nueva York, 1974. 4. J. J. Seeley y R. C. Chu, Heat Transfer in Microelectronic Equipment, Mareel Dekker, Nueva York, 1972. 5. K. B. Washbum y G. C. Lauehle, «Inlet Flow Conditions and Tonal Sound Radiation from a Subsonie Fan», Noise Control Engineering Journal, vol. 31, 1988, pp. 101-110. 6. A. L. Boggess, «The Little Blaek Fan as a Noise Source», Proc. NOISE-CON '83, Noise Control Foundation, Nueva York, 1983, pp. 217-222. 7. C. E. Crede, «Application and Design of Isolators», Cap. 32 en C. M. Harris (ed.), Shock and Vibration Handbook, red., MeGraw-Hill, Nueva York, 1988. 8. P. K. Baade, «Effeets of Loading on Axial Flow Fan Noise Generation», Noise Control Engineering, vol. 8,1977, pp. 5-15. 9. G. C. Maling, Jr., «Dimensional Analysis of Blower Noise», J. Acoust. Soco Am., vol. 35, 1963, pp. 1556-1564. 10. L. Bommes, «Spezifische Shallfeldkenngrossen von Radialventilatoren», Heizung, Luftung, Haustechnik, vol. 40,1989, pp. 249-256. 11. N. G. Humbad, «Noise Predietion Method for Small Tubeaxial Fans», Proc. INTERNOISE '86, Noise Control Foundation, Nueva York, 1986, pp. 181-186.

SISTEMAS DE VENTILACION PARA PEQUEÑOS EQUIPOS

44.19

12. Hsien-Sheng Pei, «Small Fans Used in the Cooling of ElectricaUMechanical Equipment», Proc. NOISE-CON '87, Noise Control Foundation, Nueva York, 1987, pp. 97102. 13. Precision Methods for the Determination of Sound Power Levels of Broad-Band Noise Sources in Reverberation Rooms, ANSI S1.31-1980 (R1986), American National Standards Institute, Nueva York; Acoustics-Determination of Sound Power Levels of Noise Sources-Broad Band Sources in Reverberation Rooms, ISO 3741, International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza, 1988. 14. Precision Methods for the Determination of Sound Power Levels of Discrete-Frequency and Narrow-Band Noise Sources in Reverberation Rooms, ANSI S1.32-1980 (RI986), American National Standards Institute, Nueva York; Acoustics-Determination of Sound Power Levels of Noise Sources-Discrete-Frequency and Narrow-Band Sources in Reverberation Rooms, ISO 3742, International Organization for Standardization, CH1211 Ginebra 20, Suiza, 1988. 15. Method for Testing for Sound Power Radiated into Ducts, ASHRAE Standard 68-77, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta. 16. Test Code for Sound Rating, AMCA Standard 300-67, Air Moving and Conditioning Association, Park Ridge, IL 60004.

Capítulo

45

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS John J. Van Houten

INTRODUCCION El agua fluye a través de cañerías, discontinuidades, válvulas y bombas generando ruido que penetra en la estructura del edificio. A menudo, es una causa de situaciones desagradables y de molestias, sobre todo cuando se oyen las bajantes o cuando se origina ruido por la ducha prolongada de un vecino de madrugada. Esta molestia potencial, cuando es experimentada por los ocupantes de un edificio, puede superar la producida por otras fuentes de ruido con niveles muy superiores. Este capítulo describe cómo se genera el ruido en los sistemas de fontanería y los métodos para su control dentro de edificios, especialmente en estructuras residenciales multifamiliares, como hoteles, moteles, apartamentos y condominios. Sin embargo, las fuentes de ruido, las vías de propagación y los métodos de control analizados se aplican a cualquier edificio sensible al ruido (comercial, teatral, educacional, médico, etcétera).

MECANISMOS DE GENERACION DE RUIDO EN SISTEMAS DE FONTANERIA En los sistemas de fontanería se genera ruido mediante los siguientes mecanismos: turbulencia, cavilación, salpicadura de agua, flujo de aguas residuales y golpe de ariete. Estos mecanismos de generación de ruido están relacionados con las fuentes de

ruido dentro de los edificios de la Tabla 45.1.

45.1

45.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 45.1. Fuentes de ruido en el sistema de fontanería de un edificio, sus mecanismos de generación y sus molestias potenciales

Componente/equipamiento del sistema de fontanería Tuberías: Enganches Codos Piezas en forma de «T» Instalaciones: Lavabo Bañera Bidet Cisterna Válvulas de las tuberías Lavaderos Regulador de la presión Ducha Fregadero Válvulas Retrete, taza Urinario Electrodomésticos: Lavavajillas Grifo Lavadora Trituradora de basuras Termo Bombas de alimentación y desagüe: Aumentador de presión Recirculación Aguas residuales Sumidero

Mecanismo de generación

Molestia potencial

Turbulencia Turbulencia Turbulencia

Mínima Mínima Mínima

Cavitación/turbulencia/ salpicadura/flujo residual Cavitación/turbulencia/ salpicaduralflujo residual Cavitación/turbulencia/flujo residual Cavitación/turbulencia Cavitación/turbulencia Cavitación/turbulencia/ salpicadura/flujo residual Cavitación/turbulencia Cavitación/turbulencia/ salpicadura/flujo residual Cavitación/turbulencia/flujo residual Cavitación/turbulencia Cavitación/turbulencia/ salpicadura/flujo residual Cavitación/turbulencia/ salpicadura/flujo residual

Mínima

Vibración/cavitación/spray/ golpe de ariete Cavitación/turbulencia Vibración/cavitación/impacto/ motor/golpe de ariete Vibraciónlflujo de agua residual Cavitación/turbulencia

Flujo rotacional/cavitación/ motor Flujo rotacional/cavitación/ motor Flujo rotacional/cavitación/ motor Flujo rotacional/cavitación/ motor

Muy significativa Nominal Significativa Nominal Nominal Nominal Muy significante Significativa Significativa

Nominal

Muy significativo Mínima Muy significativa Muy significativa Mínima

Significativa Nominal Significativa Significativa

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

45.3

Turbulencia

El flujo de los líquidos en las tuberías suele clasificarse como flujo laminar o flujo turbulento. En el flujo laminar, como se ilustra en la Figura 45.1a, el líquido fluye de manera que las partículas individuales de fluido se mueven a lo largo de vías paralelas entre sí en la dirección general del movimiento. En el flujo turbulento, existe un movimiento irregular y aleatorio de las partículas en dirección transversal a la del flujo principal, como se ilustra en la Figura 45.1c. Los principales factores que influyen en la producción de flujo laminar o turbulento son: (1) el diámetro de la tubería d, (2) la densidad del fluido p, (3) la viscosidad absoluta IL y (4) la velocidad del flujo v. Estas variables están relacionadas mediante una cantidad sin dimensión, conocida como número de Reynolds, que se define como R = dvp

(45.1)

J.L

Para números de Reynolds inferiores a 2000, el flujo es laminar. Para números de Reynolds por encima de 4000, el flujo suele ser turbulento. Entre estos dos valores, hay una región de transición en que el flujo puede ser laminar o turbulento, como ilustra la Figura 45.1b. Por lo general, el ruido generado por el flujo laminar tiene una intensidad tan baja como para no suponer un problema, incluso bajo las condiciones de diseño más críticas. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas de fontanería prácticos, las velocidades son lo suficientemente altas como para originar flujos turbulentos. Por ejemplo, en los sistemas de fontanería domésticos, las velocidades típicas son del orden de 2,5 m1segundo (8 ftls). Para un tubería normalizada de cobre, con un diámetro interior de 1,6 cm (0,63 in), que conduce agua a 16 oC (60 °F), con una densidad de 1000 kglm3 (62,4 lb/fe) y una viscosidad absoluta de 1,14 x 10- 3 kglm . s >¿???? tI???

zz Z2

------¿¿¿llt???????<

(a) ttZ???

tzg

:::::.:"~~

--f

Z

?!

-:=:---~--­ ¿?¿????l???;?

(b)

:!ill

Z Z

z ?.."'=" Z

7

(e)

FIGURA 45.1. Flujo laminar y turbulento: (a) flujo laminar sin alterar; (b) región de transición en que el flujo se está volviendo turbulento, y (e) flujo turbulento.

45.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(7,66 x 1O- 4 lb/ft . s), de acuerdo con la Ecuación (45.1), el flujo tendrá un número de Reynolds de R

=

0,016

X 2,5 X 1000 0,00114

= 35 000 .

Por tanto, el flujo es turbulento y se produce una fuente de ruido dentro de las tuberías e instalaciones del sistema de fontanería.

Cavitación

La mayoría del ruido de los sistemas de fontanería suele estar producido por el flujo turbulento, pero a veces existen condiciones, sobre todo en válvulas casi cerradas, que dan lugar al fenómeno de la cavitación, que da como resultado un gran aumento de los niveles de ruido. La cavitación es la formación y posterior colapso de cavidades (burbujas) dentro del flujo de agua al pasar por una zona de restricción en el mismo. Para que se produzca cavitación, tiene que existir una restricción local en el flujo de agua que dé como resultado velocidades altas y presiones bajas localizadas. A una velocidad concreta, la presión es lo suficientemente baja como para que se formen burbujas de vapor. A medida que estas burbujas se mueven a través de la zona de restricción, la velocidad desciende y la presión aumenta, dando como resultado el colapso repentino de las burbujas, con fluctuaciones extremas de las presiones locales. El fenómeno de la cavitación se ilustra en la Figura 45.2, que muestra las variaciones de presión y velocidad en una válvula parcialmente abierta en un sistema de fontanería. Esta variación de presión origina la formación de cavitación dentro del flujo de agua. La cavitación se desarrolla corriente abajo con respecto a la válvula parcialmente abierta, cuando la presión en el área mínima (velocidad más alta) se reduce a la presión del vapor, aproximadamente 10 kPa para agua a 16 oC (60 °F). Si las burbujas de vapor están cerca o en contacto con una tubería cuando colapsan, las fuerzas ejercidas por el líquido que se desplaza hacia las cavidades crean presiones muy altas localizadas sobre la pared de la tubería. La cavitación está acompañada de vibración y ruido. Las fuerzas que ejercen las burbujas al colapsar pueden picar las superficies sobre las que se produce la cavitación 1,2. La cavitación suele ocurrir en las discontinuidades de la mayoría de los sistemas de fontanería, por ejemplo, desagües de bañeras, alcachofas de duchas y válvulas de suministro.

Salpicaduras de agua

Las salpicaduras de agua en fregaderos, bañeras y platos de ducha produce un ruido significativo debido al impacto del líquido al golpear la superficie dura. El impacto del agua produce una cantidad de ruido que está relacionada con la energía cinética del fluido al golpear la superficie. Los parámetros predominantes en este mecanismo de generación de ruido son:

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

45.5

Región de presión baja y velocidad alta

FIGURA 45.2. Formación de cavitación en un sistema de fontanería que contiene una válvula de globo parcialmente abierta. las regiones de flujo de velocidad alta y presión baja generan la cavitación.

1. 2. 3. 4.

La velocidad del agua al salir del grifo o cañería. La altura de la salida del agua por encima de la superficie. El tamaño del chorro que golpea la superficie. Las características dinámicas de las superficies del fregadero, bañera o plato de ducha (densidad de la superficie, grosor, forma y tamaño y propiedades elásticas) .

Flujo de agua vIo residuos

El flujo de los productos residuales y el agua más allá del drenaje tiene un carácter intermitente. Este suele ser habitualmente el caso cuando la tubería tiene un recorrido vertical largo, o una transición abrupta que está localizada en la pared de un espacio ocupado adyacente o inferior. Aunque el nivel sonoro del ruido del agua puede ser muy bajo [de 30 a 35 dB(A)], puede resultar embarazoso o preocupante cuando se produce sobre el silencio de fondo de una unidad residencial.

45.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Golpe de ariete

El ruido agudo e intenso conocido como golpe de ariete se produce cuando un flujo estable en un sistema de distribución de líquidos es interrumpido súbitamente, por ejemplo, al cerrar una válvula de acción rápida. Cuando el fluido está en movimiento a través de todo el sistema de tuberías, el momento puede ser grande, incluso a velocidades de flujo relativamente bajas. La interrupción repentina del flujo da como resultado un aumento de la presión extremadamente agudo, que se propaga como una onda (de impacto) desde la válvula hacia aguas arriba. El frente de onda de la excitación puede reflejarse varias veces hacia delante y hacia atrás en las distintas partes del sistema hasta que finalmente se disipa la energía. Hasta cierto punto, el golpe de ariete se produce en un tramo de tubería siempre que el agua que fluye es súbitamente interrumpida. Esta interrupción se produce al cerrar rápidamente válvulas eléctricas, neumáticas o de muelle de carga (solenoides). En una estructura residencial, a veces se produce durante los ciclos de lavado y aclarado de la lavadora o el lavavajillas. Componentes y equipamiento de fontanería y sus mecanismos de generación del ruido

La Tabla 45.1 presenta un resumen de los distintos componentes y piezas de equipamiento de los sistemas de fontanería que constituyen una fuente de ruido. Se identifican los mecanismos de generación del ruido de cada uno de ellos y se indica su molestia potencial. Tramos de tubería. Ellos tramos de tubería, si son rectos, el ruido resultante del flujo del fluido es relativamente insignificante. Sin embargo, cuando hay codos o piezas en forma de «T» y la velocidad es alta, puede surgir ruido que cause problemas. La velocidad media del flujo en un giro en un sistema de tuberías es la misma que en un tramo recto con la misma área transversal, pero debido a la recirculación que existe en el giro, el fluido puede acelerarse hasta una velocidad muy alta, produciéndose ruido fuerte de cavitación en la parte interior del giro, donde la presión es menor (mayor velocidad). Instalaciones. Instalaciones como fregaderos, bañeras, duchas y retretes son fuentes predominantes de ruido y pueden crear molestias dentro de los edificios. El mecanismo de generación del ruido que puede penetrar en la estructura del edificio implica: (1) cavitación en las válvulas y espitas, (2) salpicadura de agua sobre el fondo de bañeras y duchas y (3) el flujo intermitente del agua residual a través y más allá del desagüe. Electrodomésticos. Los electrodomésticos asociados al sistema de fontanería de una edificio residencial son fundamentalmente lavavajillas, lavadoras y trituradores de desechos. Estos electrodomésticos producen vibración que puede transmitirse a la vivienda vecina cuando están en contacto con una pared común y/o colocados directamente sobre un suelo de separación. Por tanto, representan una fuente poten-

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

45.7

cial significativa de molestia dentro de un edificio multifamiliar. Además, los electrodomésticos son una fuente potencial de ruido generado por mecanismo de golpe de ariete.

Bombas.

La principal fuente de ruido de las bombas está relacionada con los impulsos hidrodinámicos inherentes a todas ellas. Estas pulsaciones están asociadas con la velocidad rotacional de la bomba y el número de sus aspas impulsoras. La frecuencia fundamental de este ruido de bomba es igual al producto de la velocidad rotacional (en revoluciones por segundo) y el número de aspas. Además, el ruido de frecuencia alta de las bombas es el resultado de la cavitación producida por la vaporización del agua y el colapso rápido de las burbujas de vapor que son impulsadas por las aspas propulsoras. Otras fuentes del ruido de bombas que pueden transmitir vibración a su estructura de apoyo y área circundante son las relacionadas con el desequilibrio de los cojinetes del motor, el ventilador de refrigeración del motor, la caja de transmisión y un propulsor desequilibrado.

CONTROL DEL RUIDO EN SISTEMAS DE FONTANERIA El control del ruido de fontanería debe considerarse parte integral del diseño del edificio. Además, la especificación de la construcción del edificio debe incluir requisitos mínimos aceptables para el control del ruid03 . Los elementos de control del ruido en el diseño y las especificaciones incluyen: 1. Flujo de agua y características de las tuberías.

2. 3. 4. 5.

Transmisión de ruido y vibraciones a la estructura. Selección y montaje de las instalaciones. Aislamiento del sistema de bombeo. Control del ruido por golpe de ariete.

Control del ruido del flujo de agua en tuberías

Presi6n del agua. La presión del agua en un sistema de fontanería influye sobre el ruido de flujo generado por los tramos de tubería y las válvulas de abastecimiento de agua. De acuerdo con los típicos requisitos para edificios, la presión del sistema de abastecimiento de agua debe ser de al menos 100 kPa (15 psi), pero no superior a 500 kPa (80 psi)4. Sin embargo, para conseguir un rendimiento aceptable del sistema, la presión del abastecimiento suele establecerse entre 230 y 370 kPa (35 y 55 psi). Par~ minimizar la generación de ruido es aconsejable la regulación de la presión de abastecimiento hacia el valor inferior, aproximadamente 230 kPa (35 psi). Sin embargo, otros factores (p. ej., tamaño del edificio, número de plantas y número de viviendas) influyen significativamente sobre el diseño del sistema de fontanería y la presión de abastecimiento requerida.

Tuberías. La radiación del ruido de flujo desde los tramos de tubería puede minimizarse mediante la reducción del número de tuberías de transición (codos, pie-

45.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

zas en forma de T, conexiones en Y, etcétera), reduciendo así la oportunidad de que se produzca turbulencia y cavitación. Una tubería de 1/2 pulgada de diámetro es la más frecuente en los sistemas de fontanería domésticos de EE.UU. Sin embargo, para minimizar el ruido, se elige una tubería de 3/4 de pulgada, si el control del ruido recibe una prioridad alta en el diseño del edificio. La reducción en el nivel sonoro obtenido al reducir la velocidad puede ser de hasta 3 a 5 dB. Control de la radiación del ruido en tuberías

Aislamiento de tuberías. El ruido resultante del flujo de agua en las tuberías puede transmitirse desde éstas a las habitaciones del edificio si las tuberías están en contacto directo con grandes superficies transmisoras (paredes, techos y suelos). El aislamiento de estos tramos de tubería respecto de la estructura aporta una reducción significativa del ruido. Por ejemplo, puede obtenerse una reducción de 10 a 12 dB si las tuberías se montan con aislamiento de espuma en lugar de estar conectadas rígidamente a la estructura del edificio. La Tabla 45.2 ilustra los distintos métodos de montaje y muestra la reducción relativa resultante en el ruido irradiado por una pared de partición con traviesas dobles. Estos datos demuestran la ventaja de aislar los tramos de cañería de la estructura5-8. Todos los componentes de la fontanería deben estar aislados de la estructura del edificio. Hay que emplear material elástico, como neopreno o fibra de vidrio de aproximadamente 0,6 cm (1/4 in) de grosor, siempre que las tuberías pasen a través de la estructura (de bloques, de viguetas o losa) o entre en contacto con el tablero de la pared o la mampostería. Además, es importante sellar el perímetro alrededor de todas las tuberías, grifos y espitas que penetran en las paredes, suelos y platos de ducha. El calafateado elástico debe aplicarse tan generosamente como sea posible. Las Figuras 45.3, 45.4 Y 45.5 indican métodos para asegurar un buen aislamiento. Estas técnicas compensan con creces el aumento del coste de la instalación de fontanería. Aisladores prefabricados. Los aisladores de tubeiias prefabricados también mejoran la calidad global de la instalación de fontanería. Sin embargo, es muy importante instalar los aisladores tal como especifica el fabricante, realizar una inspección de seguimiento para asegurar el control de calidad y utilizar aisladores que tengan material elástico entre la tubería y la estructura. Flujo de agua y/o residuos. Cuando se utilizan tuberías de polibutileno en las bajantes largas, dentro de un muro de separación, los espacios habitados adyacentes pueden experimentar un ruido inaceptable. Este ruido puede minimizarse o incluso eliminarse utilizando tuberías de hierro colado aisladas de la estructura del edificio. Los métodos de aislamiento son parecidos a los comentados previamente (véanse Figuras 45.3-45.5). Revestimiento o termoais/amiento de tuberías. En los sistemas de fontanería comerciales e industriales grandes, es frecuente termoaislar o cubrir las tuberías, como muestra la Figura 45.6. Cuando este sistema se utiliza para el control del rui-

&

-

Montaje elástico: Aislada de los travesados mediante una banda elástica

Aislador de tubería/inserción de espuma: Aislante plástico con inserción de espuma de polietileno (experimental)

6

~

Espuma de

;;;;j>T- .

/~

Banda elástica

~

,

~pou.w.no

'.L

--,.

~V;j' !

-19

-11

o

Clavijas de gancho en forja de J: Una clavija de gancho en forma de J en cada entrada de la tubería en el travesado

Reducdóa del mido ea comparación con el moa~e ripio, dB

o

Dustradón

Cudas de madera: Dos cudas de madera forzadas entre la tubería y el travesado

Método de moa~e de la tuberia

TABLA 45.2. Métodos de montaje de las tuberías y reducción del ruido con respecto a una conexión rígida a la estructura El ruido del flujo es generado por una instalación con terminación normalizadá'

~

e 5

~ iG

ñ 5en

:¡;

O

m

Z

m

l>

:JI

Z m

~

Z

O

"TI

>

om

O

:JI

r-

om

r-

O

:JI

8z

45.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Calafateado y recubrimiento con fibra de vidrio

Calafateado y recubrimiento con fibra de vidrio

Recubrimiento de fibra de vidrio o neopreno

FIGURA 45.3.

Aislamiento de las tuberías de abastecimiento de agua o de desagües dentro de un muro de partición y un ensamblaje de suelo-techo.

do, pueden obtenerse reducciones en el nivel sonoro de aproximadamente 6 a 10 dB si el termo aislante se aplica adecuadamente. En general, éste debe consistir en un material de aislamiento de espuma o fibra de vidrio cubierto con una capa metálica, de aluminio, de 0,15 a 0,3 cm (1/16 a 1/8 in) de grosor, asegurado mediante adhesivo o cinta. En lugar de la cobertura metálica, puede usarse masilla resistente al agua; sin embargo, su grosor debe aportar un peso superficial igual al de la aplicación de la cobertura metálica.

Canalizaciones para fontanería en muros. Introducir las tuberías en una canalización resulta beneficioso para controlar el ruido irradiado por éstas. Las canalizaciones de fontanería deben tenderse con el espacio adecuado para asegurar que las tuberías podrán sujetarse sin entrar en contacto directo con las paredes del canal. Por ejemplo, mientras una bajante de 6,5 cm (21/2 in) puede aislarse dentro de un

45.11

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

(a)

(e)

(b)

(d)

FIGURA 45.4. Aislamiento de las tuberías en:

(a) losas, (b) travesaños y (e) viguetas. (d) Bloqueo mediante cobertura de fibra de vidrio o planchas de neopreno en una

construcción de travesaños de madera.

Tubería de agua i'"

.

Viguet~

Junta de eu lata de /eaueho a p resión ""Aeoo

l.----

fllent o Pla neha elástiea

""" "

Apoyo de tubería

FIGURA 45.5. Distintas técnicas para aislar una tubería de la estructura a la que se sujeta.

45.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

Revestimento de aluminio y/o masilla

Fibra de vidrio

FIGURA 45.6. El termoaislamiento o revestimiento de la tubería sirve para minimizar la transmisión del ruido de flujo. Si se utiliza masilla en lugar de la cubierta de metal, ésta habrá de tener un grosor tal que el peso superficial sea igual al de la cobertura metálica, de 0,15 a 0,3 cm (1/16 a 1/8 in). El aislamiento de fibra de vidrio debe tener entre 2,5 y 5,0 cm (1 a 2 in) de grosor, dependiendo del diámetro de la tubería, y una densidad de aislamiento entre 50 y 80 kg/m 3 (3 a 5 Ib/ftl).

montante de pared de 5 X 10 cm (2 X 4 in), una bajante de 7,5 a 10 cm (3 a 4 in) requiere una construcción más gruesa. Instalaciones de ruido bajo. Al seleccionar las válvulas (véase Capítulo 11 de la Referencia 3) y grifos para el abastecimiento de agua, hay que tener en cuenta las siguientes directrices: • Las válvulas de compuerta prácticamente no ofrecen resistencia al flujo cuando están completamente abiertas; no se recomiendan como válvula de admisión o modulación del flujo. • Las válvulas de globo son ideales para el servicio de admisión; sin embargo, si puede producirse un cierre de la admisión, como ocurre en la mayoría de las válvulas, se generará excesivo ruido. • Las válvulas de bola son excelentes para aplicaciones sin flujo o a pleno flujo, ya que aportan un flujo directo con una turbulencia mínima. • Los grifos de agua que incorporan una ventilación en la espita pueden lograr reducciones del ruido de hasta 15 dB 9 . La Figura 45.7 indica los distintos tipos de tazas de retrete. De entre ellas, el sifón vórtice y el sifón jet se consideran más silenciososlO•

Aislamiento de instalaciones y electrodomésticos. La irradiación del ruido que genera el impacto del agua sobre el fondo de la bañera o ducha puede minimizarse aislando el conjunto de la estructura del suelo y la pared. De ahí que las duchas y bañeras deban instalarse sobre planchas elásticas. Hay que instalar aislantes y ajustarlos cuanto sea necesario para formar una pared de partición bien sellada antes de instalar la bañera y/o ducha. Los retretes y los platos de ducha deben aislarse de la estructura (por ejemplo, como en las Figuras 45.8 y 45.9). Al conectar los electro-

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

(b)

(a)

(e)

45.13

(d)

(e)

FIGURA 45.7. Características del ruido del retrete: (a) sifón de acción, muy silencioso; (b) sifón de vórtice, silencioso; (e) trampa inversa, moderadamente ruidoso; (d) rociado, ruidoso; (e) reventón, muy ruidoso. (De acuerdo con la Referencia 10.)

Desagüe

Viguetas

FIGURA 45.8. Aislamiento de la instalación del desagüe del lavabo o retrete para minimizar la transmisión del ruido.

domésticos (lavavajillas, lavadora, etcétera), deben utilizarse tuberías flexibles tanto para la toma de agua como para los desagües.

45.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

(a)

Portador

Sellado y calafateado de las juntas de todas las entradaspared en la

neopreno Válvula de apoyo Detalle de la instalación

t

_n-~¡¡¡IJIw..-...;;::-",,=::::;;¡

Apoyo elástico

(b)

FIGURA 45.9. (a) Aislamiento de un retrete para un funcionamiento silencioso. (b) Aislamiento de un lavabo de la estructura que le sujeta. Se muestra un detalle de un método de conexión que no destruye el aislamiento mecánico logrados.

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

45.15

Control del ruido del sistema de bombeo

El aislamiento de una bomba, sus sistema de anclaje y las tuberías y servicios eléctricos asociados con ella, puede lograrse mediante aisladores de la vibración comercializados, descritos en el Capítulo 29. Los sistemas de control de ruido más comunes son: 1. Aislantes de la vibración en el apoyo de la bomba y el motor, aislándolos por tanto de la estructura del edificio. 2. Conectores flexibles entre la bomba y el motor y las tuberías y conexiones eléctricas asociadas, como se describe en el Capítulo 40 y como muestra la Figura 45.10. 3. Colgadores elásticos para sujetar la tubería de la estructura superior o apoyos elásticos para conectar las tuberías a las paredes o suelos, como ilustra la Figura 45.11. 4. El aislamiento de la tubería allí donde entre en las paredes o suelos del edificio 5. Bloques de inercia, descritos en el Capítulo 28, como uno de los elementos en el apoyo de la bomba y el motor.

Control del ruido de golpe de ariete

Las fuerzas destructivas asociadas con el golpe de ariete pueden producir rupturas de tuberías, escapes, aflojamiento de conexiones, daños en válvulas, etcétera1.1l . Los impulsos de golpe de ariete asociados con lavadoras y lavavajillas pueden

Acoplamiento flexible de tuberías

Motor

Suelo

FIGURA 45.10. Aislamiento de una bomba (sobre un bloque de inercia) de la estructura del edificio.

45.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Tubería

(a)

(b)

FIGURA 45.11. Aislamiento de tuberías:

(a) del techo, mediante colgadores con un muelle aislante configurado adecuadamente, y (b) del suelo, mediante un ensillamiento con un cojín de neopreno.

amortiguarse parcialmente mediante la conexión de estas máquinas al suministro de agua mediante conductos flexibles muy largos. La Figura 45.12 muestra el uso de una tubería encapsulada que aporta una cámara de aire para la supresión del golpe de ariete. La longitud de la tubería es de 30 a 60 cm (de 12 a 14 in) y puede tener el mismo diámetro, o mayor, que la línea a que sirve. El volumen de la cámara de aire necesaria para servir como «amortiguador de aire» depende del diámetro nominal de la tubería, la longitud de la rama de la línea y la presión del abastecimiento. Por ejemplo, una tubería de 1/2 in, de 7 a 8 m (25 ft) de longitud, funcionando a 400 kPa (60 psi) de presión de abastecimiento, necesita una cámara de aire que tenga un volumen de 130 m 3 (8 in 3). Si la cámara de aire se llena de agua, deja de ser efectiva. Los aparatos comercializados (denominados frenos de golpe de ariete) no están sometidos a esta limitación, porque un diafragma metálico separa el aire del agua. Los frenos de golpe de ariete deben colocarse cerca de las válvulas de acción rápida y también deben instalarse en los extremos de los tramos largos de tubería. Es aconsejable instalar sistemas contra el golpe de ariete. En algunos tipos de edificación, son necesarios si se utilizan tuberías de polibutileno para la distribución del agua en el sistema de fontanería, ya que estas tuberías pueden desbordarse

CONTROL DEL RUIDO DE LA FONTANERIA EN EDIFICIOS

45.17

Llave de purga

Válvula - - de cierre

FIGURA 45.12. Una tubería encapsulada que sirve como freno del golpe de ariete. El volumen de aire en su interior se utiliza para absorber el impacto generado por el golpe de ariete. Si el aire en el interior se reemplaza por agua, la llave de purga sirve para ventilar la cámara y reactivar la unidad.

cuando se ven sometidas a las presiones repentinas generadas por el golpe de ariete. Si en el sistema hay solenoides u otras válvulas de cierre rápido, debe considerarse su instalación4 •

REFERENCIAS 1. V. L. Streeter y B. E. Wylie, Fluid mechanics, 8.· ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1986. 2. J. K. Vannard, Elementary fluid mechanics, 2. a ed., John Wiley and Sons, Nueva York, 1947. 3. C. M. Harris (Ed.), Handbook ofutilities and services for buildings, Capítulo 10, «Specifications», McGraw-Hill, Nueva York, 1990. 4. Uniform plumbing code, Intemational Association of Mechanical and Plumbing Officials, Walnut, CA 91789-2825,1988. 5. Acoustics - Laboratory test on noise emission from appliances and equipment used in water supply installations, ISO 3822; la Parte: «Method of measurement», 2. a ed., 1983; 2. a Parte: «Mounting and operating conditions for draw off taps», 18 ed., 1984; 3." Parte: «Mounting and operating conditions for in line valves and appliances», 1." ed., 1984; 4" Parte: «Mounting and operating conditions for special appliances», 18 ed., 1985; International Organization for Standardization, CH-1211 Ginebra 20, Suiza. 6. A guide to airborne, impact and structureborne noise control in multi-family dwellings, National Bureau of Standards, Washington, D.C., 1963. 7. R. S. Jones, Noise and vibration control in buildings, McGraw-Hill, Nueva York, 1984. 8. J. Hedden, Plumbing for old and new houses, Creative Homeowner Press, Upper Saddle River, NJ., 1980.

45.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

9. ASPE databook, Capítulo 15, «Acoustics in plumbing systems», American Society of Plumbing Engineers, Westlake, California, 1981-82. 10. R. T. Packard, Ramsay/Sleeper architectural graphic standards, 7. 8 ed., John Wiley and Sons, Nueva York, 1981. 11. Water hammer arresters, The Plumbing and Drainage Institute, Indianápolis, septiembre 1983.

Capítulo

46

RUIDO Y VIBRACIONES

DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL Carl E. Hanson Hugh J. Saurenman David A. Towers INTRODUCCION* Las líneas de ferrocarril se emplean en todo el mundo para el transporte de pasajeros y mercancías, tanto dentro de áreas urbanas como entre ciudades. En las áreas urbanas, incluyen los sistemas de tránsito rápido (vagones autopropulsados eléctricos convencionales con derechos exclusivos de paso), sistemas de trenes ligeros (tranvías o vehículos propulsados eléctricamente que pueden funcionar tanto entre tráfico normal o con derechos exclusivos de paso) y sistemas de ferrocarriles de cercanías (trenes de pasajeros convencionales arrastrados por locomotoras que transitan dentro de áreas urbanas). Los trenes Intercity de pasajeros unen ciudades separadas por largas distancias a gran velocidad, mientras que los trenes Intercity de mercancías transcurren por rutas similares pero a menor velocidad. En este capítulo se trata sobre las causas de ruidos y vibraciones asociadas a sistemas de transporte por ferrocarril, incluyendo las fuentes de ruido, los métodos de control de ruidos y vibraciones, las normas de medición de ruidos, la vibración transmitida por el terreno, los criterios de especificación de niveles sonoros y vibratorios, las normas de diseño, y el ruido en estaciones y túneles.

FUENTES DE RUIDO EN LOS SISTEMAS FERROVIARIOS Las fuentes de ruido principales son: (1) la interacción entre ruedas y raíles, (2) el sistema de propulsión de vagones y locomotoras, (3) el equipamiento auxiliar y (4), en

* Algunas partes de este capítulo están basadas en el capítulo 33 de R. Lotz y L. G. Kurzweil, en Referencia 1. 46.1

46.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

el caso de los trenes de alta velocidad, el ruido aerodinámico. Las fuentes de ruidos de los sistemas ferroviarios se describen normalmente en términos de niveles de presión sonora a una distancia fija de las vías y a una altura fija sobre el terreno. (El nivel de potencia sonora y la dirección del sonido, utilizados a menudo para describir otras fuentes de ruido, son difíciles de medir para elementos de tan gran tamaño como son las locomotoras o los vagones.) El máximo inicial que muestra el gráfico de la Figura 46.1 de niveles sonoros con ponderación A en función del tiempo es habitual para un tren propulsado por una locomotora. Tal máximo inicial no se encuentra en (1) trenes compuestos por vagones autopropulsados ni en (2) trenes de alta velocidad, en los que el ruido de rozamiento entre ruedas y raíles o el ruido aerodinámico supera al de la locomotora. A continuación se tratará sobre estos máximos nivelé s sonoros, sus correspondientes espectros, y los efectos del diseño y los parámetros de operatividad sobre estos valores. Excepto cuando se indique lo contrario, se tratará siempre de trenes que circulan al aire libre, a ras de tierra (sobre el terreno), y en vías sobre balasto.

Ruido originado por vagones circulando sobre vías rectas

Con el fin de permitir la comparación de los datos de ruido medidos bajo condiciones distintas, y para facilitar el cálculo de los niveles de presión sonora con ponderación A a distancias concretas, los datos que se presentan en esta sección han sido normalizados según las condiciones siguientes: (1) una medida a una distancia fija de 30 m desde el eje de la vía, (2) una medida a una altura fija de aproximadamente 1,5 m, y (3) un «tren largo» (o sea, un tren cuya longitud sobrepasa en tres veces la distancia del punto de medida a la vía). Raíles soldados. El noventa por ciento de los niveles sonoros con ponderación A medidos para una gran variedad de vagones de pasajeros que circulan sobre raíles

~ 100 ....tU cc 0"0

g~ c::

90

r--------------------------, Locomotora 94dB (A-)-

tU

:~.g 80 ~·ü

c. ~ 70

ID ID

"0"0

_c::

~ & 60 Z 8 50 ~-L_~~_~~_~~_~~_~~_~_~~--J

10

20 Tiempo en segundos

FIGURA 46.1. Gráfica temporal del nivel de presión sonora con ponderación A a una distancia de 30 m durante el paso de un tren de transporte de pasajeros que circula a 114 km/h (71 mph).

46.3

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

soldados, cuando están normalizados (a la distancia referida y para un tren largo) oscilan en ± 6 dB(A) alrededor del valor resultante de la siguiente ecuación3 : dB(A)

(46.1 )

en donde v es la velocidad del tren en kmlh y Va es la velocidad de referencia de 60 km/h. Esta ecuación prevé un aumento de nivel sonoro de 9 dB(A) por cada du-

plicación de velocidad del tren. Aunque este tipo de condicionamiento es habitual, algunos tipos especiales de vagones muestran una relación distinta. Por ejemplo, los trenes Shinkansen japoneses muestran un incremento de nivel sonoro de 6 dB(A) por cada duplicación de la velocidad. Raíles convencionales. Más de un noventa por ciento de los niveles sonoros normalizados para vagones de pasajeros que circulan sobre raíles convencionales (o para vagones de mercancías en EE.UU. tanto en raíles convencionales como soldados) oscilan en ±6 dB(A) alrededor del valor resultante de la siguiente ecuación3 : LA

= 79 + 3010glQ(v/va)

dB(A)

(46.2)

en donde v es la velocidad del tren en kmlh y Va es la velocidad de referencia de 60 km/h.

Niveles de presi6n sonora en bandas de octava. La relación entre los espectros en bandas de octava de niveles de presión sonora con ponderación A para tres tipos de trenes distintos se muestra en la Figura 46.2. Estos espectros relativos se obtienen restando el nivel sonoro con ponderación A obtenido en una medida de ruido al paso del tren de los niveles de presión sonora (sin ponderación) en bandas de octava de la misma medida. En cada tipo de tren el espectro medio se basa en datos obtenidos sobre rafies soldados y convencionales, y para una gama diversa de velocidades y características de las ruedas. No se dan diferencias importantes entre los espectros relativos obtenidos sobre cada uno de estos tipos de raíl. Estos datos indican que los vagones norteamericanos no ofrecen cambios relevantes en la forma del espectro de ruido al experimentar cambios de velocidad, lo cual no se da en los trenes europeos, que reflejan un cambio en el espectro hacia las altas frecuencias cuando aumentan su velocidad. Los datos de la Figura 46.2 relativos a trenes de pasajeros propulsados eléctricamente incluyen tranvías, trenes rápidos de carga y pasajeros, y trenes Intercity. Las diferencias sistemáticas entre estos datos del espectro para distintos tipos de vagones no suelen ser significativas.

Emisión de ruidos por interacción entre ruedas y raíles sobre vías rectas

La causa dominante de los ruidos provocados por los trenes en la mayor parte de su gama de velocidades radica en la interacción entre las ruedas y los raíles. Como consecuencia, la mayor parte de la dispersión de datos sobre ruidos de trenes a una velocidad dada se debe a las diferencias en las condiciones de sus ruedas y raíles. El

46.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

10

...

.------.... .. -.. .. -

_~.

.....

~ .........

-...:

'

.... ~

, ....../ /

~

-

-30 63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Frecuencia en herzios

FIGURA 46.2. Espectro medio relativo en bandas de octava al aire libre para trenes de pasajeros convencionales y con neumáticos: - - - coches de pasajeros propulsados eléctricamente, - - - coches de pasajeros sin propulsión, - - - coches de pasajeros con neumáticos, -------- vagones de mercancías.

incremento del ruido causado por ruedas y raíles sobre vías tangenciales (o sea, rectas) es por lo general atribuible a irregularidades en su superficie 4. Los trenes que circulan sobre ruedas lisas y raíles continuos soldados regularmente (sin articulaciones) emiten un ruido constante de banda ancha, llamado a veces ruido de rodadura. La continuidad en la superficie de ruedas y raíles se consigue gracias a máquinas para reglar ruedas y a trenes especiales de rectificación de raíles. Las vías nuevas se rectifican a menudo tras su montaje para eliminar irregularidades menores. Las irregularidades en raíles y ruedas son casuales en la mayoría de los casos, ya que las superficies se hacen más rugosas con el uso. Cuando éstas comienzan a aparecer, el nivel sonoro con ponderación A aumenta (Tabla 46.1, puntos 1 y 2). A veces surgen estrías con el desgaste de las superficies de rodamiento del raíl, a menudo en curvas o cerca de las estaciones. Una rueda que gire sobre tales superficies está sujeta a oscilaciones casi periódicas que originan unos niveles sonoros mayores que los correspondientes a la rodadura sobre raíles lisos (Tabla 46.1, punto 3). Cuando existen zonas planas en las ruedas (Tabla 46.1, punto 4) o cuando los vagones ruedan sobre superficies discontinuas del raíl-por ejemplo, articulaciones o puntos especiales, como cambios de vía (Tabla 46.1, puntos 5 y 6)- el ruido producido por el rozamiento del raíl con las ruedas consiste en una sucesión de impactos de banda ancha, que resuenan normalmente con un tiempo de elevación de 0,01 segundos y una duración de 0,05 segundos (dentro de un rango de 10 dB con respecto al máximo). Un buen diseño y un mantenimiento en condiciones pueden por lo general evitar tales impactos en sistemas urbanos y suburbanos. La aparición de zonas planas puede ser minimizada empleando sistemas de frenado que impidan el

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.5

TABLA 46.1. Consecuencias del tipo y estado de las ruedas y de los raíles sobre el ruido en las márgenes. Vía tangencial (recta)'

Condición más ruidosa/Condición más silenciosa 1. Raíl soldado sin tratamiento/Raíl soldado amolado liso 2. Ruedas sin tratamiento/Ruedas rectificadas lisas 3. Raíl corrugado/Raíl sin ondulaciones 4. Ruedas con zonas planas/Ruedas rectificadas lisas 5. Raíles convencionales (sin soldar)/Raíles soldados (a) Vagones de pasajeros (b) Vagones de mercancías en línea principal (e) Vagones de mercancías en línea secundaria 6. Cambio de vía/Sin cambio de vía 7. Ruedas estándar/Ruedas con amortiguación viscoelástica 8. Ruedas estándar/Ruedas con anillo de amortiguación 9. Ruedas estándar/Ruedas con reborde elástico de montaje

Diferencia típica (y rango) de nivel sonoro con ponderación A, dB 4 5 10 12

(3-6) (3-10) (5-15) (7-15)

7 (2-10) 6 (0-3) 6 (2-8)

6 (5-10) 1 (0-2) 1 (0-1) 2 (0-3)

deslizamiento de las ruedas. Se deberían rectificar las ruedas tan pronto como se hayan descubierto tales zonas planas en su superficie. El ruido en las uniones puede disminuirse (1) reduciendo al mínimo los huecos entre juntas, (2) alineando los extremos del carril, y (3) tensando las barras de unión que sujetan los raíles. El ruido de las uniones no existe en casos en que se haya empleado un raíl soldado continuo.

Cálculo del ruido de trenes sobre vías rectas. En general se pueden utilizar las Ecuaciones (46.1) y (46.2) para calcular los niveles sonoros con ponderación A de trenes largos a una distancia de 30 m. (Para el cálculo de niveles sonoros emitidos por trenes de otras longitudes y a otras distancias de observación, véase el Capítulo 3.) En estos cálculos se presupone un buen diseño y un óptimo sistema de mantenimiento. Un mantenimiento insuficiente de la suspensión de los vehículos, de las condiciones superficiales de la rueda o de los raíles puede tener como consecuencia unos niveles de entre 5 y 15 dB superiores. Los datos muestran que la presencia de cualquiera de estas posibilidades de ruido aumentan el nivel sonoro, tal como indica la Tabla 46.1. Para medir el efecto total de estas condiciones combinadas la experiencia sugiere que el cálculo deba basarse únicamente sobre el agente causante del ruido mayor. Por ejemplo, la mayor diferencia de nivel sonoro entre (1) unas ruedas de ensayo con partes planas sobre un raíl soldado rugoso y (2) unas ruedas en buenas condiciones sobre un raíl soldado liso, es normalmente de unos 12 dB(A) (corresponde al punto 4 de la Tabla 46.1). Siguiendo esta norma, el cálculo aproximado del nivel de presión sonora con ponderación A medido a una altura de 1,5 m y a una distancia de 30 m, de un tren largo de pasajeros propulsado eléctricamente y viajando a una velocidad de 40 kmlh sobre ruedas normales con zonas planas y raíles soldados rugosos, se efectúa del siguiente modo:

46.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

LA = 75

+ 30 10glO(40/60)

+

Sistema en buen estado de conservación a 40 kmlh

82

12

dB(A)

(46.3)

Efecto de longitud

A este valor se debe añadir el espectro relativo medio para trenes de pasajeros propulsados eléctricamente de la Figura 46.2 con el fin de obtener el siguiente espectro estimado a una distancia de 30 m.

Frecuencia, Hz Nivel en bandas de octava,

63 75

125 77

250 77

500 78

1000 78

2000 75

4000

8000

69

60

dB

Ruido generado por trenes circulando sobre vías en curva. Para trenes que circulan en curvas de un radio inferior a unos 100 m, el ruido predominante, a menos que se tomen medidas preventivas, es un chirrido de alta frecuencia. La característica dominante del espectro para tal tipo de sonidos (véase Figura 46.3) es la abundancia de componentes de frecuencia discreta. Las formas del espectro varían considerablemente, incluso para vagones del mismo tipo en la misma curva, o para el mismo vagón en días diferentes. También pueden producirse estos chirridos sobre curvas de radios mayores. El nivel sonoro con ponderación A del chirrido en las curvas en sistemas ferroviarios urbanos (normalizados a una distancia de 30 m) es 95 T-----------------------------------------------~

90 IX!

"ni> ~

85

u

o al

"o

80

'e !

al

"e

75


"


oC al

"~

Z

70

65 ~~_T_r_r_r_r~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 31,5 63 125 2000 4000 8000 250 500 1000 Frecuencia central, Hz

FIGURA 46.3. Espectro que refleja el chirrido de un tren urbano de pasajeros mientras gira en una curva de 43 m de radio. (De la Referencia 5.)

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.7

de 89 dB(A)5 con oscilaciones dentro de un intervalo de ± 10 dB(A) para casos individuales. Cómo se producen los chirridos sobre vías en curva. Los chirridos de alta frecuencia se producen debido al deslizamiento de las ruedas (además del rodamiento) al girar sobre la curva. El deslizamiento ocurre porque: 1. Un vagón de doble eje convencional mantiene sus ejes paralelos (al contrario que el de un tren de juguete, que posee un eje giratorio). La ejecución de la curva fuerza a las ruedas del coche a deslizarse de modo perpendicular a la dirección de rodadura.

2. En una curva, la rueda exterior debe recorrer un camino más largo que la interior, pero ambas giran la misma distancia debido a que están unidas por el mismo eje. La diferencia en longitud debe ser compensada con un deslizamiento en dirección paralela al movimiento de rodadura. 3. La pestaña de la rueda roza con el raíl cuando ésta está cortada adecuadamente en chaflán. Esta oblicuidad puede darse en curvas cerradas. 4. A veces se instala un raíl de contención en la parte interior de la vía cuando forma una curva, con el fin de ayudar a guiar el vagón en su giro presionando hacia el centro de la curva en los laterales de las ruedas, provocando como consecuencia un rozamiento. En cada una de estas condiciones puede chirriar cualquier rueda convencional fabricada en metal. Los factores que afectan a la emisión de chirridos son el radio de curvatura, la velocidad del vagón, la geometría y rigidez del bogie**, la amortiguación de las ruedas, y las características del rozamiento del contacto con la superficie. Las frecuencias discretas dominantes corresponden a menudo aproximadamente a las naturales de la rueda cuando no está en contacto con el raíl. Como el chirrido en las curvas se produce normalmente debido a la inestabilidad de los elementos rodantes, pueden originarse grandes amplitudes de vibración correspondientes a uno o más modos de vibración naturales de la rueda, particularmente en los modos no planos. Esta vibración tiene como consecuencia la emisión de sonido procedente de las superficies de vibración.

Ruidos de trenes producidos por fuentes distintas a la interacción entre ruedas y raíles

En trenes de pasajeros propulsados eléctricamente la causa principal de ruidos (además de los resultantes de la interacción entre ruedas y raíles) son los producidos por el sistema de propulsión del tren (que incluye el motor de tracción, los reductores de marchas y el sistema de ventilación del motor de tracción). Otra causa

**

Un bogie es el conjunto ruedas· bastidor sobre el que se apoya el vagón o coche de viajeros.

46.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

importante de ruidos, particularmente en trenes detenidos, es el equipamiento auxiliar de los vagones, por ejemplo el sistema de ventilación forzada o de aire acondicionado. En trenes rápidos de pasajeros otra fuente de ruidos es el silbato de señales. Los silbatos de trenes rápidos de pasajeros producen normalmente unos niveles sonoros de unos 85 dB(A) a una distancia de 30 m 6. En sistemas con un tercer raíl, el ruido de contacto (resultante del rozamiento entre la «zapata» o «paleta» y el tercer raíl) queda enmascarado por el ruido originado por ruedas y raíles. En los tranvías, que se alimentan de una línea de tensión situada por encima de la vía, existe otra fuente distinta de ruido, a veces discernible, que resulta del contacto entre el tranvía y la catenaria. Otra causa de ruidos en sistemas de transporte por ferrocarril, el ruido aerodinámico (descrito en la sección siguiente), es importante solamente en los trenes de alta velocidad. Ruido aerodinámico

El ruido aerodinámico emitido por un tren es el resultado de presiones, que fluctúan rápidamente, en las turbulencias de aire situadas sobre o cerca de la superficie del tren en movimiento. El flujo de aire sobre esta superficie en movimiento se convierte en turbulento a medida que va encontrando protuberancias, superficies rugosas o bordes ásperos. El ruido surge por una combinación de efectos de capas adyacentes turbulentas y separaciones de flujo. Entre las causas del ruido aerodinámico se encuentran los remolinos causados por los perfiles de las ruedas, por algunas partes de los sistemas de suspensión y de los bogies que interfieren en la corriente de aire, y por objetos de la superficie del tren (como los limpiaparabrisas). El aumento de nivel de presión sonora es proporcional a (60 10glOV), en donde v es la velocidad7 • Por esta razón, el ruido aerodinámico generado por trenes de formas lisas a velocidades menores de 240 km/h no es significativo. En trenes propulsados eléctricamente con ruedas de acero que circulan sobre raíles también de acero, el ruido aerodinámico supera al causado por el contacto entre ruedas y raíles a velocidades superiores a 240 km/h. Este ruido se produce incluso cuando los vagones no entran en contacto con el raíl, por ejemplo, cuando son sustentados por campos magnéticos. Para altas velocidades, las características de ruido de todos los trenes pueden ser similares, en función de su forma y su diseño aerodinámico. En la Figura 46.4 se muestran los niveles sonoros representativos de sistemas ferroviarios de alta velocidad (incluyendo trenes convencionales sobre vías de balasto y trenes experimentales de levitación magnética sobre estructuras aéreas). Las curvas de la gráfica muestran la combinación de las fuentes de sonido que se encuentran en los sistemas de alta velocidad, incluyendo el ruido de propulsión, el de contacto entre ruedas y raíles, y el aerodinámico. La curva de ruido en función de la velocidad del tren alemán Intercity Express, estudiada a velocidades mayores de 400 km/h, refleja la combinación del ruido de contacto entre ruedas y raíles y del ruido aerodinámicos. Para velocidades menores de 160 km/h, la pendiente de la curva sigue la relación (30 log velocidad) de la Ecuación (46.1). A medida que la velocidad se aproxima a 240 km/h, la pendiente de la curva cambia gradualmente para

46.9

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL 100 , - - - - - - - - - - - - - -_ _ _ _ _---,=-_--, c:

E

0Ll)

~N

'" _ ca 0

g$ ",ce

..

,..,., , ... .fJ

:~<' (1)

0·······.f!J _*

90

c:'O c:

"''O

~'t:i 80

•......,

.:.:.:.:.:.:...---

-~.

ic" --

-

'O~

-(1) (1)'0

> c:

z8, 70 80(50)

160(100)

320(200)

480(300)

Velocidad, km/h

FIGURA 46.4.

Ruido de trenes de alta velocidad. Cuadrados: prueba del tren Express Intercity alemán B• Círculos: Amtrak9 • Triángulos: demostración del tren alemán de levitación magnética 10. X: Shinkansen japonés 11.

reflejar la suma del ruido de contacto entre ruedas y raíles y del ruido aerodinámico, y a velocidades mayores de 290 km/h, la pendiente se va aproximando a la relación (60 log velocidad) correspondiente al ruido aerodinámico. El ruido aerodinámico solamente se refleja en los niveles sonoros medidos para el tren de levitación magnética alemán TransRapid (TR07)1O. Se ha observado que el ruido causado por los trenes de alta velocidad japoneses aumenta en una proporción de (20 IOg10 velocidad) 11 en oposición a la relación (30 log velocidad) expresada en la Ecuación (46.1). Los datos del Amtrak (EE.UU.) han sido obtenidos en una serie de ensayos realizados sobre una sección larga y rectilínea de una vía9 •

Ruido de locomotoras

Con unas pocas excepciones, las locomotoras de uso comercial funcionan con motores de tracción eléctrica conectados a los ejes. La energía eléctrica se produce gracias a generadores diesel o de gas en la locomotora o por líneas superiores de energía eléctrica.

Niveles sonoros y espectros de ruido de locomotoras. Para una amplia gama de velocidades, grados y tipos de vía, el 90 por 100 de los niveles sonoros máximos en locomotoras eléctricas diesel medidos a una altura de 1,5 m y a una distancia de 30 m se sitúan entre 87 y 96 dB(A)12. A esta distancia, el ruido de la locomotora eléctrica diesel generalmente supera al de los vagones, incluso a velocidades tan altas como 129 kmlh (80 mph). La fuente predominante de ruidos en las locomotoras eléctricas diesel se debe al escape. El nivel sonoro depende de la carga del motor y (al contrario que el ruido de contacto entre ruedas y raíles) es independiente de la velocidad. Los silenciadores pueden reducir el nivel sonoro del escape hasta en 10 dB(A). Sin embargo, solamente se obtiene una reducción global de entre 4 y 8 dB(A) cuando estos silen-

46.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ciado res se instalan sobre una locomotora eléctrica diesel, lo cual indica la existencia de otras fuentes de ruido, incluyendo la cubierta del motor y el ruido del ventilador de refrigeración13 • Las locomotoras eléctricas y de turbina emiten, como media, de 6 a 7 dB(A) menos que las locomotoras diesel sin silenciadores. En la Figura 46.5 se muestran los espectros de nivel de presión sonora en bandas.de octava para locomotoras diesel y eléctricas en valores relativos respecto el nivel sonoro máximo con ponderación A.

Dispositivos de señalización y seguridad de las locomotoras. Por lo general, las bocinas y silbatos de las locomotoras producen unos niveles sonoros de unos 105 dB(A) a 30 m por delante de la locomotora, con unos niveles entre unos 5 a 10 dB(A) inferiores para la misma distancia a los lados de la vía. Playas de clasificación de trenes de mercancías

Las playas de clasificación de trenes de mercancías reciben trenes con vagones destinados a lugares diversos y los clasifican para su salida. Además, sirven a veces para realizar labores de mantenimiento y de almacenaje de locomotoras y vagones. Estas operaciones de clasificación, almacenaje y mantenimiento producen una gran variedad de ruidos que difieren en gran medida en intensidad, número, localización y duración según el diseño y operaciones llevadas a cabo en la playa de clasificación. 20 r----r----r----r----~--~----~--~

-30 '------'-_ _....I....-_----II..-_---I.._ _...L....._---J'---..:.

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Frecuencia en herzios

FIGURA 46.5. Espectro medio relativo en bandas de octava para locomotoras al aire libre: - - - locomotoras eléctricas diesel, - - - locomotoras eléctricas, ////// rango con todos los datos disponibles.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.11

Existen procedimientos para obtener las líneas isófonas del nivel sonoro L dn corregido día-noche según la información disponible acerca de la instalación de la playa de clasificación, las operaciones y las condiciones de propagación del sonid06,14.

Vagones de ferrocarril con neumáticos

Los trenes de pasajeros con vagones con neumáticos se utilizan en los servicios de transporte urbano de varias ciudades, por ejemplo, Montreal, Sapporo, México y París. Trenes de pasajeros con neumáticos de menor tamaño circulan en varias ciudades de EE.UU., en particular en zonas aeroportuarias. Estos sistemas por lo general no producen chirridos. Los niveles sonoros originados por los sistemas de ruedas con neumáticos y con ruedas de acero sobre raíles soldados al aire libre son aproximadamente los mismos en condiciones equivalentes, por ejemplo, de velocidad, longitud y distancia de las vías. En trayectos de vías rectas a menos de 64 km/h, los sistemas de ruedas con neumáticos producen niveles sonoros con ponderación A normalizados··· dentro de un intervalo de ±6 dB(A) con respecto a los obtenidos con la Ecuación (46.1). Estos niveles son también válidos para tranvías eléctricos de ruedas neumáticas. En la Figura 46.2 se muestran los espectros (relativos) de presión sonora en bandas de octava para trenes con ruedas neumáticas. Los niveles de potencia sonora con ponderación A son similares para trenes con ruedas neumáticas y ruedas metálicas, porque sus instalaciones eléctricas y mecánicas son parecidas.

Dispositivos de seguridad de pasos a nivel

Las señales de seguridad se utilizan habitualmente en los pasos a nivel de sistemas ferroviarios para indicar la aproximación de un tren. Estas señales acústicas se activan cuando el tren se encuentra a una distancia fija antes del cruce, y se paran en seco una vez que el tren ha pasado. Aunque el ruido que producen no es tan elevado como el ruido máximo del tren, son motivo frecuente de quejas entre las personas que habitan en las cercanías debido a su carácter repetitivo, sus características tonales y su larga duración. El nivel de presión sonora a una distancia de 30 m de estas señales de precaución alcanza un valor de unos 60 dB(A) en pasos a nivel de trenes rápidos urbanos y de unos 70 dB(A) en cruces de ferrocarriles convencionales6 ,14.

*** Normalizados para un tren largo a una distancia de 30 m en base a una fuente lineal simple (monopolar), apropiada para el ruido de neumáticos. El empleo de un modelo de fuente lineal dipolar utilizado para normalizar el ruido de los trenes no altera estas conclusiones.

46.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

EMISION DE RUIDO DESDE ESTRUCTURAS ELEVADAS DE TRANSPORTEPORFERROCARRa En el término estructura elevada se incluyen tanto los sistemas guiados elevados como los puentes de ferrocarril. Cuando los trenes circulan sobre estas estructuras elevadas sus niveles sonoros pueden ser hasta 20 dB(A) mayores a los correspondientes a estos mismos trenes circulando a ras de suelo, debido sobre todo a la emisión de sonido por parte de los componentes vibrátiles de estas estructuras, como se describe en la Tabla 46.2.

Niveles sonoros y espectros

Los niveles sonoros que se producen en las inmediaciones de una estructura elevada dependen de varios parámetros, que incluyen el tipo y el estado de los vagones, la velocidad del tren, su longitud y la del puente, el sistema de unión de los raíles (soldados o unidos) y el estado de las uniones, el tipo de sistema de vía (traviesas de madera con o sin balasto, losas de hormigón o plataforma de placa de acero), y el tipo de estructura de soporte. Se han realizado muchas medidas de ruido en posiciones cercanas a una gran variedad de estructuras elevadas 15 -2o. En la Figura 46.6 se muestra la media aritmética y el rango de niveles sonoros a velocidades específicas en las cercanías de varias estructuras elevadas. Para un tren que viaja a una velocidad v entre 20 y 120 km/h, el nivel de presión sonora con ponderación A normalizado (LA) medido a una distancia de 30 m de una estructura elevada, a la altura de los raíles, se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: dB(A)

(46.4)

y el nivel Lp de presión sonora normalizado por medio de: Lp

= L 'p + 20 10glO (vivo)

dB(A)

(46.5)

en donde vo es una velocidad de referencia de 60 km/h, v la velocidad real del tren en km/h, L 'A Y L 'p los niveles de referencia, y LA Y Lp los niveles ajustados a velocidades distintas a las de referencia mostradas en la Figura 46.6. En la Tabla 46.2 se resumen las diferencias de nivel sonoro con ponderación A en los márgenes de la vía entre un tren sobre varios tipos seleccionados de estructura elevada y sobre las vías a ras de suelo. Estos datos pueden ser utilizados junto con los de la sección Fuentes de ruido en sistemas ferroviarios para calcular los niveles sonoros cerca de todo tipo de estructuras elevadas, y para estimar los efectos de los tratamientos de control de ruidos de ruedas y raíles en estructuras elevadas. En la Figura 46.7 se muestran los espectros relativos en bandas de octava a una distancia de 30 m para estructuras de vías sobre puentes y pasos elevados para transporte urbano, con trenes circulando a 60 km/h. Los tipos de estructura 11 y X (véase Figura 46.6) poseen espectros relativos cercanos al nivel superior de la gama

46.13

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

I

I

I

TIPO DE VIA y ESTRUCTURA ELEVADA (El número de estructuras representadas por cada clase se muestra en paréntesis después de la descripción)

101

1. Fijación directa, tablero de plancha de acero, vigas metálicas (5)

1+004

~--O---t

11. Traviesas de madera sobre vigas longitudinales, tablero de plancha de acero, vigas metálicas (2) 111. Traviesas de madera, tablero abierto, vigas metálicas (3)

•

IV. Traviesas de madera sobre vigas longitudinales, tablero de plancha de acero, vigas de celosía (4)

---

•

V. Fijación directa de rafles sobre vigas longitudinales, tablero de plancha de acero, vigas metálicas (1) VI. Traviesas de madera, tablero abierto, puente reforzado o vigas de celosía (2) VII. Fijación direC1a sobre placa de hormigón, vigas metálicas (5)

~--Cl---<

f----Cl---I

•

VIII. Vía de traviesas/balasto, tablero de plancha de acero, vigas metálicas (4)

Cl

•

IX. Fijación direC1a sobre placa de hormigón, estruC1ura de hormigón (2)

Cl

•

X. Vía de traviesas/balasto, tablero de hormigón, vigas metálicas (2)

Cl

~--<

XI. Vía de traviesas/balasto, tablero de hormigón, estructura de hormigón (1)

I 70

XII. A nivel, traviesas/balasto (4)

Cl

I

I

80 90 100 110 Nivel sonoro en decibelios re 20 micropascales

FIGURA 46.6. Niveles de presión sonora con ponderación A (L' A) o sin ponderación (L' p) en varias configuraciones de vías y estructuras elevadas. Todos los datos están calculados de acuerdo al paso a 60 km/h de un tren largo, medido a una distancia de 30 m de la vía ya una altura de entre 1,2 y 1,6 m del suelo. 1_ _ _ 1 rango de niveles con ponderación A, dB(A); 1- - -1 rango de niveles de presión sonora (sin ponderación), dB. La media aritmética de cada nivel viene indicada por el punto o el cuadrado.

mostrada en la Figura 46.7 para frecuencias menores a 500 Hz. La forma de estos espectros cambia con la velocidad. Cuando un tren atraviesa una estructura elevada, la interacción entre ruedas y raíles provoca la vibración tanto de los componentes del vehículo (carrocería del vagón, bogie y ruedas) como de la vía y de los componentes de la estructura de soporte (vías, plataforma estructural, vigas soporte y superficies adjuntas, como muros y aceras), poniéndolos en movimiento. La cantidad de vibración que cada uno de estos componentes añade al ruido emitido total depende del tipo de estructura elevada2 , El ruido producido por las estructuras elevadas puede ser controlado en su origen mediante los mismos procedimientos descritos para reducir el ruido producido por la interacción entre ruedas y raíles (véase Tabla 46.1).

46.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 46.2. Estimaciones del aumento de niveles sonoros con ponderación A para diversas estructuras elevadas no tratadas' en comparación a instalaciones a nivel Medidas tomadas a una distancia de 30 m del centro de las vías, entre 1,2 y 1,6 m sobre el suelo

Tipo de estructura Estructura de hormigón o compuesta (plataforma de hormigón, vigas de acero) con vía balastada Estructura de hormigón o compuesta con vía sin balasto Estructura de acero con vía balastada Estructura de acero con vía sin balasto o raíl apoyado directamente sobre vigas longitudinales Estructura de acero con fijación directa sobre la plataforma de placa de acero

Aumento del nivel sonoro con ponderación A, dB(A) 0-5 5-10 5-10 10-15 15-20

• Aplicando un tratamiento de control de ruido a estas estructuras elevadas se puede reducir el aumento de los niveles sonoros en comparación con las operaciones a ras de suelo.

CONTROL DE RUIDOS Y VIBRACIONES EN SISTEMAS DE TRANSPORTEPORFERROCARRU Aplicación de amortiguadores de vibración

La amplitud de vibración de las superficies en movimiento puede reducirse por medio de la aplicación de amortiguadores de vibración (véase el Capítulo 28). Por ejemplo, por medio de remaches elásticos, con amortiguadores viscoelásticos bajo raíles y junturas, por medio del balasto, o por elementos de amortiguación aplicados a las superficies de los elementos resistentes y no resistentes de la estructura. Se puede reducir en gran medida el ruido producido en los puentes metálicos de ferrocarril tanto empleando una base comprimida de amortiguación como añadiendo arena y material de balasto sobre el tablero del puente. Otros ejemplos de uso de procedimientos de amortiguación son la aplicación de material de amortiguación sobre las ruedas de acero o el uso de ruedas con amortiguación de montaje elástico (incluyendo los puntos 7 y 9 de la Tabla 46.1) en vez de las ruedas habituales.

Mantenimiento de las instalaciones

Un programa de mantenimiento de instalaciones es fundamental para el control de ruidos en un sistema de vías férreas. Algunos procedimientos particularmente eficaces incluyen: (1) la rectificación de los raíles de manera regular; (2) perfilado de las ruedas con el fin de proporcionar una superficie de rodadura continua, es decir, eliminando las zonas planas, y (3) la instalación de sistemas detectores de «ruedas planas» para identificar los vagones que precisen reglaje.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.15

I!?

.2"¡;-¡;~ :e~ u,.

CIlQ.

"00

55.~ -10

.. E

""'0

j

'C'<

-20 -30~~--~-L--~~--~~

63 125 250 500 1000200040008000 Frecuencia en herzios

FIGURA 46.7. Espectro medio relativo en bandas de octava del ruido en las márgenes de estructuras elevadas para trenes que circulan a una velocidad de 60 km/h. El nivel de presión sonora en bandas de octava menos el nivel A de potencia sonora se traza en relación a la frecuencia central en bandas de octava: - - - media para puentes de ferrocarril europeos; - - - - media para estructuras norteamericanas de ferrocarriles urbanos de pasajeros; ///// franja que incluye el 95 por 100 de todos los datos.

Control de chirridos en las curvas de las vías

A continuación figura, por orden creciente de complejidad y coste, una lista de métodos de amortiguación de la vibración en ruedas empleados para controlar los chirridos generados en las curvas de la vía: (1) la aplicación de un anillo de amortiguación cortando una muesca dentro del reborde de la rosca, tallando dentro de la rosca un anillo de acero en bisel de tamaño ligeramente mayor; (2) la aplicación de una capa forzada de amortiguación sobre las ruedas existentes o sobre las nuevas; (3) la instalación de ruedas elásticas que posean materiales elastoméricos entre el reborde de acero y el plato. Los métodos de control de chirridos distintos a la amortiguación de las ruedas incluyen: (1) la construcción de curvas de un radio no inferior a 100 o 150 m; (2) el empleo de ejes de tracción (llamados a veces ejes de tracción radiales) que permitan una alineación con los radios de la curva en vez de mantenerse paralelos, y (3) la instalación de un sistema que aplique pequeñas cantidades de lubricante a la llanta de la rueda a medida que ésta vaya tomando la curva. Remaches elásticos para raíles

Un remache elástico para raíles es un remache que contiene un elemento e1astomérico para soportar el peso del raíl. Para que éstos sean eficaces (1) los elastómeros deben comprimirse al menos 2 mm cuando el tren pasa sobre la vía, y (2) sobre estructuras metálicas elevadas ligeras, los cojinetes deben comprimirse considerablemente más que la de flexión de los componentes individuales de la estructura.

46.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Los cojinetes deben también proporcionar amortiguación de las vibraciones del raíl. Los cojinetes elastoméricos pueden ser empleados para soportar traviesas de hormigón. Los raíles se unen directamente a las traviesas de hormigón por medio de unas abrazaderas de raíles estándar. Esta disposición de las traviesas puede proporcionar una reducción eficaz de vibraciones de baja frecuencia en una gama de 15 a 40Hz. Bases elásticas

Una base elástica consiste en una capa de caucho o de otro material elastomérico, normalmente con un espesor de 25 mm, que se coloca bajo el balasto para proporcionar una capa elástica entre los raíles y la estructura de soporte. Pueden atenuar la vibración transmitida a través del terreno entre unos 10 y 15 dB para frecuencias superiores a 25 H~l. Losas flotantes

Las losas flotantes pueden ser un medio muy eficaz (y costoso) de controlar el ruido y las vibraciones transmitidas a través del terreno a frecuencias mayores que las de su resonancia vertical en único grado de libertad. Constan de una losa de hormigón sostenida por elementos elásticos, normalmente caucho o elastómeros similares. Las losas flotantes empleadas en sistemas urbanos de Washington D.C., Atlanta y Boston fueron diseñadas para tener una frecuencia de resonancia de entre 14 y 17 Hz. En los transportes londinenses (en el Barbican Redevelopment) se han instalado placas flotantes muy pesadas que poseen una frecuencia de resonancia de entre 5 y 1O~2.

Aislamiento entre componentes estructurales

En una estructura elevada de ferrocarril se pueden instalar dispositivos de aislamiento entre estructuras mediante la inserción de elementos elastoméricos entre las traviesas y las vigas, entre las plataformas con losas de cemento y las vigas metálicas de soporte, entre los elementos que no deben soportar cargas, tales como aceras y pasos subterráneos, y entre algunos medios de control de ruidos, tales como pantallas y cubiertas. Aumento de masa

Para cantidades fijas de energía vibratoria en una estructura, el aumento de la masa (por ejemplo, por medio del empleo de balasto o plataformas pesadas de hormigón aisladas) produce una reducción de la amplitud vibratoria y, por tanto, de la potencia sonora emitida.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.17

Aislamiento acústico

La protección de los receptores frente al ruido irradiado por ruedas, raíles, traviesas o losas flotantes, vigas, columnas, etcétera, por medio de una barrera resulta eficaz solamente cuando bloquea la trayectoria visual entre la superficie emisora principal y el receptor. Un aislamiento elástico entre la estructura y la barrera puede evitar que la barrera misma se convierta en una superficie emisora de ruidos23 •

Absorción de sonido

La absorción de sonido dentro de un vehículo reducirá el nivel sonoro interior. La absorción de sonido incluyendo el balasto (véase la Tabla 30.1) o cualquier otro material absorbente puede ser eficaz en la reducción de ruidos en estaciones de ferrocarril o túneles.

Reducción del área de la supeñicie emisora

Para minimizar la emisión de ruidos, debería reducirse el área de la superficie emisora. Por ejemplo, una separación entre las vías podría servir en casos de estructuras elevadas con doble vía, con lo cual, cuando el tren atraviesa una de las vías, sólo la mitad de la estructura elevada actúa como masa emisora de ruido. Deberían reducirse a un mínimo las superficies de estructuras adyacentes (tales como pasos subterráneos y andenes). Por tanto, un puente de vigas en celosía normalmente irradia menos ruido que un puente metálico formado por vigas compactas, como muestra la Figura 46.6.

Cambios operacionales

Se puede conseguir una reducción de ruidos y vibraciones llevando a efecto los siguientes cambios en el funcionamiento de un sistema ferroviario: (1) reduciendo la velocidad (por ejemplo, circulando a la mitad de la velocidad se reducirán los niveles de velocidad de vibración aproximadamente en 6 dB Ylos niveles sonoros en unos 9 dB); (2) empleando materiales que generen la menor cantidad posible de ruidos o vibraciones en horas nocturnas, y (3) planificando los horarios nocturnos de modo que los movimientos de trenes sean mínimos durante las horas más problemáticas.

NORMAS PARA LA MEOICION DE RUIDOS EN UN SISTEMA DE TRANSPORTE POR FERROCARRIL Las mediciones de ruido y vibración en un sistema guiado se hacen normalmente (1) para verificar el cumplimiento de las regulaciones de emisión de ruidos o las

46.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

condiciones de compra, (2) para determinar las condiciones de exposición al ruido en un determinado lugar debido a un sistema ferroviario ya existente o en proyecto, o (3) para diagnosticar un problema de ruido y/o vibraciones y evaluar el resultado acústico de distintos diseños de vagones o vías. En lo relativo a reglamentos interestatales sobre sistemas de transporte de mercancías y pasajeros por ferrocarril, la Environmental Protection Agency (EPA) ha establecido para EE.UU. unos criterios de medida y unas normas de ruido que prevalecen a la hora de adquirir o renovar locomotoras o vagones diesel autopropulsados24 • También existen otras guías útiles sobre mediciones de ruidos en sistemas de ferrocarriles6 .25.

VIBRACIONES A TRAVES DEL TERRENO La Figura 46.8 muestra los mecanismos básicos por medio de los cuales la vibración de los sistemas de ferrocarril atraviesa el terreno circundante y penetra en un edificio. Las ruedas de los trenes circulando sobre los raíles generan una energía vibratoria que se transmite desde el sistema de sustentación de las vías hasta la infraestructura. La cantidad de energía transmitida depende de factores tales como (1) la homogeneidad de la superficie de ruedas y raíles, y (2) las frecuencias de resonancia del sistema de suspensión del vagón y del sistema de sustentación de las vías. La vibración de la infraestructura puede ser transmitida a través del terreno y de los es-

Estrato de terreno 1

Estrato de terreno 2

Roca firme

-+-~

+EEE

Via de prepagación de las vibraciones ~ través del terreno Vibración estructural Sonido irradiado

FIGURA 46.8. Representación esquemática que muestra los mecanismos básicos de propagación de la vibración de un ferrocarril subterráneo hasta un edificio.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.19

tratos de roca hasta los edificios colindantes. Las amplitudes máximas de vibración de suelos y paredes se dan normalmente en sus frecuencias de resonancia. En una sección anterior se han descrito varios métodos de control tanto de vibraciones transmitidas a través del terreno como de ruidos en sistemas ferroviarios. Además de estos métodos, se puede disminuir la vibración a través del terreno por medio del empleo de zanjas26 • Regla generaf1: Si se coloca una zanja sobre la superficie cercana a una vía, para que ésta sea eficaz su fondo debe ser de al menos 0,6 veces la longitud de onda Rayleigh por debajo de la fuente vibratoria. En la mayoría de los suelos la zanja debe tener al menos una profundidad de 5 m para ser efectiva.

Niveles de vibración a través del terreno

La amplitud de la velocidad de vibración a trav~s del terreno se expresa normalmente en valores rms, en metros por segundo o en pulgadas por segundo. Es conveniente determinar la vibración a través del suelo en términos de nivel de velocidad de vibración, definida como 10 veces el logaritmo decimal (o sea, en base 10) del cuadrado de la amplitud de la velocidad dividido por el cuadrado de la amplitud de la velocidad de referencia. La velocidad de referencia empleada en este capítulo es de 1 X 10-6 pulgadas por segundo. En la Tabla 46.3 aparecen una serie de factores que influyen en gran medida sobre los niveles de vibración a través del terreno. La Figura 46.9 muestra los niveles de velocidad de vibración (en dirección vertical) producidos por algunas fuentes de vibración habituales. También se encuentran disponibles algunas normas de uso común sobre niveles aceptables de vibración a través de suelos en edificios sensibles, como edificios de tipo residenciaI6 ,25,28. En la Figura 46.10 se muestran las curvas de niveles de velocidad de vibración en distintos tipos de sistemas de ferrocarril, en función de la distancia a la vía. Estas curvas se pueden emplear con factores apropiados de corrección para conseguir unas previsiones determinadas de vibración a través del terren06 ,28.31. La curva superior se refiere a todos los trenes propulsados por locomotoras, incluyendo el transporte de mercancías en vías principales, los trenes Intercity de pasajeros y las instalaciones de ferrocarriles de cercanías. La curva media se refiere a los trenes rápidos urbanos. La curva de trenes rápidos incluye tanto los trenes subterráneos como los que circulan en superficie. A pesar de que la vibración provocada por un tren que circula bajo tierra tiene características muy distintas a la creada por trenes cuyas vías se encuentran a ras de suelo, los datos de ambas se muestran en la misma curva debido a que sus niveles de velocidad de vibración generales son comparables, incluso aunque la vibración de los trenes subterráneos transmitida a través del terreno tienda a ser de una frecuencia mayor que la producida por trenes que circulan a ras de suelo. La curva inferior se refiere a vehículos de ruedas neumáticas, incluyendo autobuses, camiones y sistemas guiados de ruedas neumáticas.

46.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 46.3. Factores que influyen en los niveles de vibración a través del terreno originados por los sistemas ferroviarios

Factor Suspensión del vehículo

Tipo de rueda y sus condiciones

Vía Sistema de sujeción de la vía

Estructuras Tipo de suelo Asientos en roca

Estratificación del terreno

Distancia al nivel freático

Profundidad de la helada Edificaciones

Influencia Cuanto más rígida es la suspensión en dirección vertical del vehículo, mayores son las fuerzas de vibración efectivas; únicamente la suspensión primaria afecta a los niveles de vibración a través del terreno. Las ruedas con neumáticos son un medio eficaz de control de la vibración. Las ruedas de acero con material elástico son demasiado rígidas como para aportar una reducción significativa de las vibraciones. La rugosidad de las ruedas y la existencia de partes planas son las causas principales de la vibración. Una vía con rugosidades puede causar problemas de vibración. Si la vía está unida rígidamente a un lecho de hormigón (por ejemplo, una vía con traviesas de madera embebidas en el hormigón) se produce una vibración considerablemente mayor que en sistemas que utilizan sujeciones elásticas, capa de balasto y placas flotantes. Regla general: Cuanto más pesada es la estructura, menores son los niveles de vibración. Los niveles de vibración son generalmente mayores en terrenos de arcilla rígida que en suelos sueltos y arenosos. Los niveles de vibración son a menudo más altos a nivel de la vía cuando la profundidad de la roca de apoyo es de 10 m o inferior. La vibración no se atenúa tan rápidamente en roca como en otros tipos de suelo. La estratificación del terreno tiene un efecto significativo sobre los niveles de vibración. Los resultados son difíciles de prever porque cada capa puede tener características dinámicas diferentes. La proximidad al nivel freático puede afectar significativamente a las vibraciones transmitidas a través del terreno. La propagación de la vibración puede ser más eficaz cuando el suelo está helado. Las características de transmisión de la vibración de un edificio deben ser consideradas estimando los niveles de vibración en el receptor originados por un sistema ferroviario.

RECOMENDACIONES DE DISEÑO RELA TIVAS A RUIDOS Y VIBRACIONES EN SISTEMAS FERROVIARIOS Las directrices APTA de la Referencia 25 sobre sistemas de transporte por ferrocarril son una guía útil para conseguir ciertos objetivos en materia de ruidos y vibraciones. Cuando se cumplen estas recomendaciones, los ruidos y vibraciones re-

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

Respuesta o criterios

Nivel de velocidad*

Umbral crítico -100 Umbral crítico, edificios _ históricos o frágiles Dificultad para realizar tareas _ tales como leer una pantalla VDT Molestias en zonas residenciales, sucesos no frecuentes (por ejemplo, _ ferrocarriles de cercanías) Molestias en zonas residenciales, sucesos frecuentes (por ejemplo, _ tránsito rápido)

70

Límite para instalaciones sensibles a las vibraciones. Umbral _ aproximado de percepción humana de la vibración

60

Fuente situada a una distancia de 15 m

-

Voladuras en proyectos de construcción

_

Apisonadoras y otros equipos pesados de construcción con tracción oruga

_

Ferrocarriles de cercanía, rango alto

-

Tránsito rápido, rango alto

_

Autobuses o camiones, en colisión Ferrocarril urbano típico

_

Autobuses o camiones típicos

_

Vibración de fondo habitual

90

80

46.21

50

* Nivel de velocidad de vibración rcm dB re 1o-a pulgadas por segundo

FIGURA 46.9. Niveles de velocidad de vibración típicos, en dirección vertical, para vibraciones transmitidas por el terreno.

sultantes serán generalmente aceptables. Estas directrices son aplicables solamente a instalaciones de trenes convencionales, sin considerar otras causas de ruido o vibración, como el número de operaciones sobre el raíl o la duración de cada una. Con el fin de extender las normas APTA a todo tipo de instalaciones, y para proporcionar un enfoque uniforme sobre cálculos de impacto de ruidos y vibraciones en proyectos de transporte masivo, la Urban Mass Transportation Administration (UMTA)6 norteamericana ha establecido una serie de criterios para el establecimiento de impactos e impactos severos, que varían según el ruido ambiental y los niveles sonoros previstos en el proyecto, y vienen determinados en base a la respuesta esperada por parte del público. RUIDO EN TUNELES y ESTACIONES EN SISTEMAS URBANOS DE FERROCARRIL Niveles sonoros y espectros

La Figura 46.11 muestra un nivel típico de presión sonora con ponderación A medido en un andén de estación cuando entra y sale un tren rápido. Las fuentes de ruido que se ponen en acción durante este período de tiempo son, fundamentalmente, la interacción entre ruedas y raíles, los frenos mecánicos, la expulsión del aire de propulsión por parte del sistema de frenado, el accionamiento de puertas, el equipo

46.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I

I

.. I

I

:

:

:

I

:

: / : locomotora

100

__ . ______ ~ _______ ~ _____ ~ __.1.

95 el

: ______ L ___

__ _

:

:

:

I

I

-. - - - / . - - -; - propulsada (50 mph) : - - - - - - ~ - - - - --

90

Q)

..!!? c: .3.

Tren de pasajeros

o mercancías con:

I

. .

.

l '

I

I

85

- - -:- - - - - ~ - - - . Ferrocarriles : ligeros (LR) y cercanías

m

80

_. (50 mph)

-c
75

Q)

"O "O

·ü

o a¡ >

70

Q)

"O

a¡

65

.~

z

60 55 50

o

20

30

40

50 60

80 100

200

300

Distancia desde el centro de la vía, pies

FIGURA 46.10. Nivel global de velocidad de vibración en sentido vertical en función de la distancia a la vía.

de aire acondicionado y las instalaciones auxiliares del tren. El ruido de fondo de la estación es debido a otras fuentes, como los sistemas de acondicionamiento de aire, las escaleras mecánicas y el tráfico rodado. En la Figura 46.12 se representan los máximos niveles sonoros emitidos por trenes en andenes para distintas estructuras de estaciones. Los niveles sonoros mayores corresponden al paso de viejos trenes que, sin detenerse, circulan sobre raíles convencionales en estaciones subterráneas que no disponen de tratamiento de absorción de sonidos. La instalación de raíles soldados y un diseño de estación subterránea que incorpore un tratamiento de reducción de sonido contribuye a la reducción del nivel sonoro. Las estaciones más silenciosas son las elevadas sobre el terreno con vías sobre balasto, localizadas lejos (O protegidas) de los ruidos ambientales elevados (como por ejemplo el producido por autopistas cercanas). En túneles carentes de tratamientos de absorción de sonido, los niveles de presión sonora con ponderación A en paredes situadas a una distancia de 1 m del tren en movimiento se encuentran en el rango dado por la ecuación:

LA

= 102 + 3010glO (v/vo) ±

6

dB(A)

(46.6)

en donde v es la velocidad del tren en km/h, y Vo es 60 km/h. En raíles articulados y/o en instalaciones sin balasto, los niveles sonoros se acercan al nivel superior. En raíles soldados de superficie homogénea colocados sobre balasto, los niveles sonoros son los mínimos. Los niveles sonoros bajo un tren que circula a través de un túnel

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL Descarga de aire de frenado y apertura de puertas

c: 'c:;

'o

100 Máximo a la

....lO Q)

-+-+-------f- entrada

"O

§c.~ c:

46.23

90

. r - - - = ' t - Máximo a la salida

al

0"0 (J

c: 80

OQ)

0« c: o

I/l

70

q¡ .~

z

60

_ Ruido ambiental de la estación

20

40

60

80

Tiempo en segundos

FIGURA 46.11. Nivel sonoro en un andén de estación en función del tiempo, mientras un tren de cercanías penetra o abandona la estación.

son entre 5 y 10 dB(A) mayores que los medidos en las paredes del túnel a una distancia de 1 m del tren.

Control de ruidos en estaciones y túneles

Con el propósito de conseguir un nivel aceptable de ruido en una estación se hace por lo general necesario controlar el ruido del contacto entre ruedas y raíles en su origen y minimizar el ruido (reverberante) reflejado por medio de tratamientos de absorción de sonido. A este tratamiento se suele añadir en algunos casos la instalación de barreras de poca altura. En una estación de metro con vías de traviesas sobre balasto, el nivel sonoro es por esta causa entre unos 5 y 15 dB(A) menor que en estaciones similares carentes de vías con balasto. Un techo absorbente de sonido instalado sobre los andenes de la estación produce una reducción del nivel sonoro de entre 5 y 10 dB(A) en el andén (en estaciones carentes de otros tratamientos). En la Figura 46.13 se muestran los lugares adecuados para situar los tratamientos de absorción de sonidos.

Reducción de nivel sonoro debida a la absorción. La reducción del nivel del sonido de reverberación en los andenes o en los túneles fuera del tren (provistos de tratamientos de absorción de sonido) se puede calcular de forma muy aproximada por medio de la siguiente ecuación: Reducción del nivel

=

10 10gIO (Aa/ A b)

dB

(46.7)

Esta reducción de sonido es aplicable a una frecuencia dada. Aa YAb representan la absorción total en las frecuencias especificadas antes y después del tratamiento, expresadas en sabinos métricos o en sabinos. También se produce una atenuación adicional de sonido no tenida en cuenta en la Ecuación (46.7), que aumenta con la distancia y longitud del túnel de modo similar a la experimentada en conduc-

46.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Sistema de transporte de la ciudad de Nueva York construido antes de 1940 (raíles sin soldar en su totalidad)

Niveles sonoros máximos en dB(A) re 20 micropascals

70

80

90

100

I

I

I

110

120

I

Estaciones de metro (no tratadas) Vagones anteriores a 1970 n¡¡ssSSSjiSSSSSS1

Vagones posteriores a 1970 Estaciones a nivel y elevadas Vagones anteriores a 1970 Vagones posteriores a 1970 Sistema de transporte del área de la bahla construido después de 1970 (raíles soldados en su totalidad) Estaciones de metro (tratadas acústicamente con plataforma de la línea de hormigón) Estaciones a ras de suelo (vías de traviesas y balasto)

Media

~ Rango =

Estaciones elevadas (plataforma de hormigón)

I

I

I

I

FIGURA 46.12. Rango de niveles sonoros en andenes de estación 3 • Los datos rayados indican los niveles de trenes (expresos) sin parada.

tos. El espacio situado debajo de los vagones queda parcialmente cerrado entre el andén y la estructura del túnel, convirtiendo el tratamiento de absorción cercano a las ruedas y los raíles en un medio más eficaz para reducir el ruido de contacto que el previsto por la Ecuación (46.7). Selección de materiales absorbentes de sonido. En el Capítulo 30 se estudian los materiales absorbentes y su selección. Los utilizados en estaciones deben cumplir ciertos requisitos especiales, ya que deben ser reflectores de luz, resistentes a las agresiones, fáciles de limpiar, incombustibles, de mantenimiento simple, precio razonable, y resistentes a corrientes de agua, a goteras y (en muchos casos) a frías temperaturas. Las fibras de estos materiales deben mantenerse firmes frente a corrientes de aire y a presiones altas causadas por el movimiento de trenes, y ser a su vez compatibles con las normas de inspección y mantenimiento de vías. El uso de piedra machacada como balasto absorbente de sonido (véase la Tabla 30.1) tiene la ventaja de que proporciona un tratamiento acústico cercano al origen del ruido, y además el balasto no sufre desperfectos debidos a la manipulación por parte de los trabajadores. Algunos materiales de cemento vermiculado son adecuados como revestimiento de muros de túneles al ser rociados generalmente sobre paredes y techos. En el metro de Boston y en el sistema de ferrocarriles de Toronto se ha empleado con éxito este tipo de aplicación cumpliendo estrictamente los requisitos acústicos, de lavado, resistencia al fuego y duración.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.25

oD FIGURA 46.13. Estación subterránea y túnel: =--=-=-=-= lugares idóneos para la colocación de tratamientos absorbentes en estaciones, en túneles, !IIJJlIIJIIJIL lugar de colocación del balasto, S lugares de medición preferibles en estaciones y túneles.

==

Criterios de ruido y medidas: estaciones y túneles

La colocación del micrófono de medida de ruido en una estación debe realizarse a una altura de 1,6 m sobre el andén, a 2 m de su borde (Figura 46.13) o a la mitad del trayecto hasta el muro, según sea la distancia menor, y en su punto medio. Se pueden también tomar medidas adicionales en cualquier extremo de los andenes. El ruido de trenes en túneles se mide a menudo colocando micrófonos fijos entre los raíles debajo del tren y, si el espacio lo permite, a lo largo del túnel (véase la Figura 46.13). Los micrófonos colocados en trenes (provistos de pantallas adecuadas) se sitúan habitualmente en el área del eje de tracción o, en casos de trenes de tránsito rápido, en el exterior entre los vagones, a 1,2 m sobre la altura del suelo. Normalmente se consideran aceptables los siguientes niveles máximos de presión sonora con ponderación A (midiendo en los lugares antes mencionados): (1) en estaciones elevadas sobre el terreno, de 75 a 80 dB(A) para la entrada y salida de trenes sobre vías de traviesas y balasto; de 85 dB(A) sobre placa de hormigón; (2) en estaciones de metro, de 80 a 85 dB(A); de 85 dB(A) para trenes expresos circulando sin detenerse a lo largo de una estación. Unos niveles menores, que serían deseables en cualquier caso, supondrían un coste desproporcionado. Unos niveles de hasta 68 dB(A) y de hasta 55 dB(A) en cualquier punto del andén serían aceptables para trenes detenidos e instalaciones de ventilación de estaciones, respectivamente.

46.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

RUIDO Y VIBRACIONES EN EL INTERIOR DE LOS VAGONES En la Figura 46.14 se describen las vías de transmisión que pueden seguir los ruidos y las vibraciones hasta llegar a los pasajeros del vagón: (1) el sonido en el exterior y las corrientes turbulentas causan una fluctuación de la presión en la cubierta del vagón, parte de la cual es transmitida al interior; (2) ruedas, motores e instalaciones inferiores del vagón transmiten a través de vías sólidas una vibración estructural a las superficies interiores, que como consecuencia vibran y provocan ruidos en el interior, y (3) el sonido generado en el interior mismo del vagón. El tipo de sonido de origen externo o interno predominante depende en gran medida del diseño del vagón32 ,23.

Niveles de ruido

Trenes ligeros y urbanos. Los trenes urbanos suelen disponer de interiores fabricados con superficies duras fáciles de limpiar, pero incapaces de absorber el sonido. Los niveles sonoros en su interior van normalmente desde los 65 a los 105 dB(A) durante trayectos normales y en el interior de túneles. Este amplio rango es debido a las diferencias de construcción y mantenimiento de los ejes de tracción y del vagón, además de a la velocidad. En el interior de un vagón, los niveles sonoros son superiores normalmente entre 3 y 4 dB(A) encima de las ruedas que en el centro

FIGURA 46.14. Vías de transmisión de ruidos y vibraciones hasta su llegada a los ocupantes de los vagones.

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

46.27

del vagón. El nivel sonoro con ponderación A para vagones modernos circulando sobre vías de traviesas y balasto a cielo abierto es de: LA = 70 + 1510glO (vivo) ± 6

dB(A)

(46.8)

donde v es la velocidad en km/h, y Vo la velocidad referencia de 60 km/h. Los niveles en el interior del vagón son por lo general 7 dB(A) mayores en el interior de un túnel que a cielo abierto con la misma velocidad.

Trenes de pasajeros Intercity. Los trenes de pasajeros Intercity disponen de interiores confortables, asientos tapizados y suelos enmoquetados que absorben el sonido. En los trenes norteamericanos y europeos los niveles sonoros fluctúan entre 56 y 81 dB(A) cuando circulan a una velocidad de 200 km/h.

Especificaciones para el interior

Vagones. Las especificaciones que debe cumplir un vagón nuevo exigen unos niveles sonoros máximos con ponderación A permitidos en trenes circulando a cielo abierto sobre vías de traviesas y balasto nuevas de entre 68 y 75 dB(A), normalmente de 70 dB(A), a una altura de 1,2 m sobre el suelo en la línea central del vagón sin pasajeros. Unos niveles de 4 y de 10 dB(A) superiores a los valores anteriormente especificados suelen ser los límites internos cuando el vagón circula sobre una placa de hormigón (por ejemplo, en estructuras elevadas) y en el interior de túneles, respectivamente. El nivel máximo en trenes estacionados a cielo abierto es de 68 dB(A), y el habitual en el interior de un moderno tren Intercity es de entre 60 y 70 dB(A). Las medidas deben realizarse según las normas establecidas34 • Locomotoras. La National Railroad Passenger Corporation norteamericana (Amtrak) limita los niveles máximos de presión sonora a 84 dB(A) en el interior de cabinas de locomotoras diesel recientemente adquiridas, circulando a todo vapor con su carga máxima a una velocidad de 80 km/h, y con todos los accesorios en funcionamiento y las ventanillas cerradas. El límite máximo para locomotoras eléctricas sería de 78 dB(A). En estas especificaciones no se incluyen los ruidos producidos por fuentes transitorias, como el silbato, los frenos y las alarmas de exceso de velocidad35 •

REFERENCIAS 1. R. Lotz y L. G. Kurzweil, «Rail Transportation Noise», en C. M. Harris (ed.), Handbook of Noise Control, 2. 8 ed., McGraw-HiIl Book Company, Nueva York, 1979. 2. E. J. Rickley, R. W. Quinn y N. R. Sussan, Wayside Noise and Vibration Signatures of High Speed Trains in the Northeast Corridor, Report DOT-TSC-OST-73-18, V.S. Department ofTransportation, 1973. 3. H. J. Saurenman, J. T. Nelson y G. P. Wilson, Handbook of Urban Rail Noise and Vibra-

46.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tion Control, Report UMTA-MA-06-oo99-82-1, U.S. Department ofTransportation, Urban Mass Transportation Administration, febrero 1982. 4. P. J. Remington y cols., Control ofWheel/Rail Noise and Vibration, Report UMTA-MA06-0099-82-5, U.S. Department ofTransportation, Urban Mass Transportation Administration, abril 1983. 5. H. J. Saurenman y R. L. Shipley, ln-Service Performance and Costs of Methods to Control Urban Rail System Noise, Report UMTA-MA-06-oo25-78-7, U.S. Department of Transportation, Urban Mass Transportation Administration, agosto 1978. 6. C. E. Hanson y cols., Guidance Manual for Transit Noise and Vibration lmpact Assessment, UMTA-DC-08-9091-9O-1, U.S. Department of Transportation, Urban Mass Transportation Administration, 1991. 7. W. F. King y D. Bechert, «On the Sources of Wayside Noise Generated by High-Speed Trains»,J. Sound and Vibration, vol. 66, n.o 3,1979, pp. 311-332. 8. W. F. King y H. J. Lettman, «On Locating and Identifying Sound Sources Generated by the German ICE Train at Speeds Up to 300 KmIH», Proc. INTER-NOISE 88, Avignon, 1988. 9. C. E. Hanson, «Measurements of Noise from High Speed Electric Trains in the United States Northeast Railroad Corridor»,J. Sound and Vibration, vol. 66, n.o 3, 1979, pp. 469471. 10. VDI Nachrichten, n.o 5, Society of German Engineers, 2 de febrero de 1990, p. 23. 11. «Shinkansen Noise», Japanese National Railways, agosto 1973. 12. W. H. Close y T. Atkinson, Sound and Vib., vol. 7, n.o 10, 1973, p. 28. 13. P. J. Remington y M. J. Rudd, An Assessment of Railroad Locomotive Noise, Report DOT-TSC-OST-76-4, U.S. Department of Transportation, 1976. 14. J. W. Swing y D. B. Pies, Assessment of Noise Environments around Railroad Operations, Report WCR 73-5, Wyle Laboratories, El Segundo, Calif., julio 1973. 15. Noise Abatement on Bridges: Final Report, Report D105/RP3, Intl. Union of Railways UIClORE, Utrecht, abril 1971. 16. J. E. Manning y cols., Noise Prediction Models for Elevated Rail Transit Structures, Report UMTA-MA-06-oo25-75-12, U.S. Department ofTransportation, agosto 1975. 17. «Shinkansen Noise (11)>>, Japanese National Railways, 1975. 18. J. T. Nelson y G. P. Wilson, Noise Reduction Effectiveness of Resilient Rail Fasteners on Steel Solid Web Stringer Elevated Structures, vol. 1, Report UMTA-NY-06-0087-89-1 (NTIS N.o PB89202717/AS), U.S. Department of Transportation, Urban Mass Transportation Administration, marzo 1989. 19. L G. Kurzweil, J. Sound and Vibration, vol. 51, n.o 3,1977, p. 419. 20. D. A. Towers, Noise lmpact lnventory of Elevated Structures in US. Urban Raíl Rapid Transit Systems, Report UMTA-MA-06-oo99-80-5, U.S. Department ofTransportation, Transportation Systems Center, septiembre 1980. 21. D. A. Towers, «Effectiveness of Vibration Control Treatments for Rail Transit Train Operations on Ballasted Track in Subway Tunnels», Proc.INTER-NOISE 89, diciembre 1989, p. 277. 22. P. Grootenhuis, «Floating Track Slab Isolation in Railways», J. Sound and Vibration, vol. 51, n.o 3,1977, p. 443. 23. T. Nimura y cols., Proc. INTER-NOISE 75,1975, p. 93. 24. U.S. Environmental Protection Agency Railroad Noise Emission Standards, 41 Fed. Reg. 52317 (1976) (40 CFR 201). 25. «Guidelines and Principies for Design of Rapid Transit Facilities», American Public Transit Association, Washington, D.C., 1981. 26. S. T. Lawrence, «TTC-LRT Trackbed Studies, Ground-borne Vibration Testing, Mea-

RUIDO Y VIBRACIONES DEL TRANSPORTE POR FERROCARRIL

27. 28.

29. 30. 31. 32. 33. 34. 35.

46.29

surement and Evaluation Program», documento presentado en APTA Rapid Transit Conference, San Francisco, 1980. F. E. Richert y J. R. Hall, Vibration of Soils and Foundations, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1970. J. T. Nelson y H. J. Saurenman, State-of-the-Art Review: Prediction and Control of Groundborne Noise and Vibration from Rail Transit Trains, Report UMT A-MA-060049-83-4, DOT-TSC-UMTA-83-3, U.S. Department of Transportation, Urban Mass Transportation Administration, diciembre 1983. Y. Tokita, <
Capítulo

47

RUIDO DE AVIONES J.P.Raney J. M. Cawthorn

INTRODUCCION En los comienzos de la aviación, los estudios sobre ruido se centraban en la mejora de condiciones para la tripulación y los pasajeros, y en la detección y localización de la aviación enemiga. Más adelante, el desarrollo de las técnicas de radio y construcción de aviones polimotores con capacidad para un mayor número de pasajeros y miembros de la tripulación convirtió en requisito de creciente importancia el hecho de facilitar la comunicación hablada dentro del aparato. Como consecuencia, a finales de la Segunda Guerra Mundial ya se habían investigado los principios básicos de emisión de ruidos y las técnicas de ingeniería para su control. Desde entones, el ruido producido por la aviación se ha convertido en un problema de gran envergadura. Ya no afecta simplemente a la comodidad y a la eficacia del número relativamente pequeño de personas que se encuentran en el interior del aparato, sino que es una causa cada vez mayor de molestias para la población que habita en las áreas cercanas a los aeropuertos (véase Capítulos 23 y 50). El ruido de aviones y aeropuertos puede ser examinado de acuerdo a sus efectos sobre (1) la tripulación y los pasajeros, (2) el personal de tierra y los mecánicos, y (3) las personas que trabajan o habitan en las cercanías de los aeropuertos. En este capítulo se estudian las características físicas de las fuentes de ruido de los aviones, las características del ruido del avión en vuelo, el ruido en aeropuertos y su control, las escalas e índices empleados para cuantificar los efectos del ruido de aviones, y los métodos para predecir los niveles sonoros aislados y acumulativos que se producen en una instalación aeroportuaria como resultado de los movimientos de los aviones.

47.1

47.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FUENTES DE RUIDO DE LOS AVIONES Las fuentes principales de ruido de un avión convencional son el sistema de propulsión y el ruido aerodinámico.

Ruido de motores turborreactores

Los motores de propulsión a chorro actúan gracias a la aceleración de masas de aire. En un motor turborreactor se comprime el aire por medio de un compresor mecánico axial o centrífugo, se calienta en una cámara de combustión, y a continuación es acelerado por expansión a través de una tobera de chorro. Una turbina de gas en el itinerario del gas en expansión sirve exclusivamente para guiar el compresor (véase la Figura 47.1). Estos procesos son origen de tres tipos de ruidos: (1) ruido en la boca de entrada provocado por la toma de aire, especialmente como resultado del ruido del compresor más el ruido aerodinámico; (2) el ruido emitido por las vibraciones del armazón del motor, y (3) el ruido del escape. El ruido de escape incluye aportaciones de fuentes sonoras del interior del motor, tales como el ruido de combustión y turbinas, pero se origina sobre todo en el área exterior de la tobera, donde se mezclan el chorro de aire a alta velocidad y el aire circundante. Este ruido, llamado ruido aerodinámico del escape, es la principal causa de ruidos del motor turborreactor en condiciones normales de plena potencia, y en lo relativo a potencia de sonido supera con mucho a todos los demás ruidos.

Ruido de motores turboventiladores

El motor turboventilador (Figura 47.2) se diferencia del motor turborreactor en dos aspectos primordiales. Primeramente, el motor turboventilador incorpora un ventilador de empuje, y además produce una velocidad de escape de chorro menor que el turborreactor, donde domina el ruido aerodinámico del escape, y puede por tanto funcionar con menores niveles sonoros a una potencia de empuje dada. Sin embar-

COMPRESOR

~,

\({-o== I

~

FIGURA 47.1. de ruido.

RUIDO EN LA BOCA DE ENTRADA

~ COMPLETAMENTE~\

FLUJO

MIXTO

/"

RUIDO DE ~ PROPULSION ACHORRO ~

')¿/J

Sección transversal de un motor turborreactor mostrando las fuentes

47.3

RUIDO DE AVIONES ZONAS DE PROPULSION A CHORRO MEZCLADAS

--=--

L

RUIDO TURBINA /;~ LA BOCA RUIDO ENTRADA DEL \ DEL ESCAPE \ / VENTILADOR/ DEL ~ COMPRESOR VENTILADoJ(

V~E ~

FIGURA 47.2. tes de ruido.

. . _--

CHORRO DE ESCAPE PRIMARIO RUIDO DE PROPULSION \

ACHORRO~

Sección transversal de un motor turboventilador mostrando las fuen-

go, en el espectro de sonido de un motor turboventilador funcionando a plena potencia todavía predomina el ruido aerodinámico del escape de banda ancha. Si se redujeran las fuentes del ruido de escape disminuyendo los niveles conseguidos para los motores turboventiladores actuales, una gran parte del espectro total de ruido del avión estaría dominado por parte de otros mecanismos, tales como ventiladores, compresores, turbinas o procesos de combustión. En la Figura 47.3 se muestran las líneas isófonas del nivel de presión sonora alrededor de un avión equipado con cuatro motores turboventiladores, funcionando a la potencia total de despegue durante calentamiento estático sobre el suelo.

Ruido aerodinámico

El ruido aerodinámico (a veces denominado ruido de fuselaje) es el ruido producido por el flujo de aire sobre el fuselaje, a través de sus cavidades, de las superficies de control y del tren de aterrizaje. En aviones modernos de alta velocidad con propulsión a chorro este ruido aerodinámico es la causa principal de ruido por encima de los 600 Hz a velocidad de crucero. No obstante, durante el aterrizaje y el despegue, cuando la velocidad del avión es mucho menor que la de crucero, el nivel global de presión sonora del ruido aerodinámico es de unos 10 dB menor que el ruido del sistema de propulsión (Figura 47.4). La importancia del ruido aerodinámico en condiciones de crucero radica en que es la causa dominante de ruidos en el interior del avión. En operaciones realizadas cerca del aeropuerto, el ruido aerodinámico representa un problema menor en las exogencias de reducción de ruidos, haciéndose más importante a medida que disminuye el ruido del sistema propulsor.

47.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 47.3. Líneas isofónicas del nivel global de presión sonora alrededor de un avión turboventilador operando en tierra a plena potencia de despegue.

Ruido en aviones de hélice

Los aviones propulsados por hélices reciben su energía de turbinas de gas o de motores de pistón. Los aviones propulsados por turbinas de gas suelen ser bimotores, mientras que los de motor de pistón son o bien monomotores o bimotores. Los aviones de hélice forman la mayor parte de la flota de aviación general, pero representan una pequeña proporción de las flotas comerciales. El ruido de propulsión de un avión de hélice se compone principalmente del ruido de las hélices y del de motor de escape. El primero de ellos es casi siempre el más significativo y, para un determinado empuje, está principalmente en función de la velocidad de la punta del aspa. Los espectros de ruido típicos de una hélice en ensayos estático sobre el terreno muestran intermitencias súbitas de frecuencia que se calculan multiplicando la velocidad giratoria de la hélice por múltiplos enteros del número de aspas. Los escapes de motores alternativos son más ruidosos que los calculados para motores de turboeje, pero su ruido puede reducirse por medio de amortiguadores. (En las Figuras 47.11 y 47.12 se ofrecen datos de ruido y distancia para aviones propulsados por hélices, tanto de uso general como comercial.)

47.5

RUIDO DE AVIONES

rJ)

100

O ::J

w

ca

@ 90 O

z «

w

:5 z

80

O

rJ)

~

70

iii w

!E

w 60

O

...J

W

> Z

50 50

100

500 1000 FRECUENCIA EN HERZIOS

5000

10.000

FIGURA 47.4. Ruido aerodinámico de un avión turboventilador en comparación con el de un sistema de propulsión durante una operación de aterrizaje a una altura de 150 m y a una velocidad de 125 km/h.

CARACTERISTICAS DEL RUIDO DE VUELO Vuelo subsónico (aviación convencional)

Un avión en vuelo produce al nivel del suelo un ruido que supera al nivel sonoro medioambiental, alcanza su cota máxima cuando el avión se encuentra aproximadamente en el punto por encima del observador, y va por fin disminuyendo hasta quedar reducido a niveles por debajo del sonido ambiental. El espectro del ruido emitido por el avión varía a lo largo del sobrevuelo. Habitualmente predomina el ruido de alta frecuencia a medida que el avión se va aproximando, y de baja frecuencia cuando pasa por encima y se retira. En las Figuras 47.5 y 47.6 se muestran las características del ruido de vuelo durante el despegue de un avión comercial de propulsión a chorro con motores turboventiladores de poca capacidad de derivación, medidos en un lugar situado a 5.500 m del punto de frenada (el lugar de comienzo del trayecto en tierra) con el avión situado aproximadamente a una altitud de 350 m. En la Figura 47.5 se muestran los niveles globales de presión sonora en función del tiempo. Cuando t = Oel avión se encuentra exactamente por encima de la posición de medida. Los valores negativos de t reflejan la aproximación del avión, y los positivos su alejamiento. La duración del aumento de sonido respecto del sonido ambiental es de unos 60 segundos. En la Figura 47.6 aparecen los espectros en bandas de tercio de octava correspondientes a -10, Oy + 10 segundos. Mientras el avión se va aproximando existe un componente importante de alta frecuencia a 2.000 Hz emitido desde la boca de entrada del motor. Cuando el avión pasa por encima de la posición este componente comienza a disminuir, mientras que los de baja frecuencia (menores de 500 Hz) van aumentando. También existe un componente notable de alta frecuencia de

47.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TIEMPO EN SEGUNDOS

FIGURA 47.5. Nivel global de presión sonora en función del tiempo para el despegue de un avión comercial propulsado a chorro accionado por cuatro motores turboventiladores de poca capacidad de derivación.

3.150 Hz debido al ruido de los turboventiladores. Cuando el avión ya ha pasado (t = +10 segundos), el ruido se encuentra completamente dominado por las frecuencias menores producidas por el escape. La larga permanencia del ruido se debe a los componentes de baja frecuencia del chorro, ya que este tipo de componentes se propagan en la atmósfera a lo largo de largas distancias con un pequeño grado de atenuación. Durante el aterrizaje del mismo aparato, la duración es menor a la mostrada en la Figura 47.5, transcurriendo unos 30 segundos hasta el restablecimiento del sonido ambiental. Las características del espectro de ruido de un avión aterrizando medidas en la misma posición son en cierta forma diferentes de las que aparecen en la Figura 47.6. Las altas frecuencias producidas durante la aproximación y en el punto superior de paso del avión son aún más pronunciadas, ya que éste se encuentra a una altitud menor. Las bajas frecuencias son sin embargo menores, porque los regímenes de los motores son más bajos, produciendo por tanto una menor cantidad de ruido.

Vuelo subsónico (ruido de helicópteros)

Las fuentes principales del ruido de helicópteros son el sistema del rotor principal y el motor. El ruido del rotor se compone de (1) ruidos periódicos que incluyen el «golpeteo de las aspas», y (2) ruidos de banda ancha debidos a la interacción aerodinámica no cíclica con el rotor. El ruido de carácter periódico es primordialmente una función de la velocidad de la punta de aspa del rotor (o sea, su nivel sonoro aumenta con la velocidad de la punta de aspa) yen menor grado una función del número de aspas. En la Figura 47.7 se muestran los niveles de presión sonora en función del tiempo de un helicóptero en vuelo horizontal pasando sobre el punto de medición a una altura de 150 m y a una velocidad de unos 80 nudos. El croquis de impulsos de presión de la Figura 47.7 indica la naturaleza periódica del ruido y la importancia del golpeteo de las aspas hasta que el helicóptero se encuentra directamente por encima. En la Figura 47.8 se muestran los espectros de ruido desde -4 hasta +4 segundos del mismo vuelo.

47.7

RUIDO DE AVIONES

T = -10 SEGUNDOS

:~ ~

50

en O

~

w

al

Ü W O Z

W ....J

Il-

en

T = O SEGUNDOS (por encima del observador)

~~ ~ ~~ ,~ 50

T = 10 SEGUNDOS

50 10

50 100

5001000

500010.000

FRECUENCIA EN HERTZIOS

FIGURA 47.6. Espectros en bandas de tercio de octava del avión de la Figura 47.5 a -10, OY + 1Osegundos del paso por encima del observador.

Vuelos supersónicos

El vuelo de un avión a velocidad supersónica produce, además del ruido emitido por su sistema de propulsión (que también está presente a velocidades subsónicas), un estampido sónico perfectamente audible desde el suelo. Este fenómeno no se encuentra relacionado con la emisión constante de energía acústica por parte del avión. Consiste en dos, tres o incluso más impulsos de presión producidos a intervalos de 0,1 ó 0,2 segundos, y está generado por la onda de choque que se forma alrededor de cualquier objeto que se mueve a una velocidad supersónica. En la Figura 47.9 se ilustra la forma de esta onda de choque para una esfera volando por un túnel aerodinámico a 3,0 Mach. Las mediciones de presión indican que en la onda frontal (de proa) la presión aumenta de repente por delante de la onda desde la presión atmosférica normal hasta una cierta cantidad. A continuación desciende de forma continua hasta llegar a un valor de presión negativo, y da un salto hasta alcanzar una presión normal por detrás de la onda. El estampido sónico puede ser considerado como de dos tipos, según su origen y propagación. Uno de los tipos es el experimentado por el observador sobre el terreno cuando un avión supersónico pasa por encima en vuelo supersónico constante. En este caso el avión «arrastra» por el suelo una formación de ondas de choque, como muestra la Figura 47.10. El segundo tipo de estampido es causado por los vuelos de aceleración y deceleración, como los vuelos en picado. En este caso la silueta de la onda de choque se separa del avión cuando éste varía su velocidad, y a partir de ese instante se propaga la discontinuidad de presión en forma de onda acústica de gran amplitud (no lineal) en dirección al suelo. En la Figura 47.lOb se muestra el modo en que la onda de choque se separa del morro del avión en dirección al suelo

47.8

¡g

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lOO

:::J

w

ID

U w

el

~ 95 <1: a:

+4 SEGUNDOS

O Z O

en ¡OSEOUNooS )

~ 90 ¡¡; w a: c..

E~

w

el

-'

<1: ID O

85

-' (!l

-'

w

>

Z 80~--~------~------~------~------~------~______~ -15

-5

-lO

O

5

lO

15

TIEMPO EN SEGUNDOS

FIGURA 47.7. Nivel global de presión sonora respecto al tiempo de un helicóptero en vuelo por encima del observador (t = O) a una altura de 150 m y a una velocidad de 60 nudos.

durante una maniobra de caída en picado a gran altitud. Además de las consideraciones de amplitud, el ruido escuchado sobre el suelo es el mismo en ambos casos de estampido sónico. Una vez alcanzada la velocidad supersónica, la potencia del estampido sónico en vuelo constante aumenta ligeramente al aumentar el número de Mach, pero aumenta rápidamente a medida que disminuye la distancia o la altura_ RUIDO DE AEROPUERTOS Y SU CONTROL Niveles sonoros en aeropuertos

Los ruidos ocasionados por las maniobras de un conjunto de aviones se combinan en el aeropuerto formando una fuente compleja de ruidos; compleja no solamente por la acción de los distintos aviones, sus variados espectros y sus diferentes tiempos de maniobra, sino también debido al hecho de que estas fuentes individuales de sonido se encuentran desperdigadas y muchas de ellas en movimiento sobre un área muyamplia. Se pueden distinguir dos clases de fuentes de ruido en aeropuertos: (1) el ruido de las operaciones de vuelo, y (2) el ruido de las operaciones en tierra. En ambos casos es posible calcular el campo de ruido de cada aeronave en concreto si se encuentran disponibles los datos completos respecto a los motores y a la propagación del sonido a través de la atmósfera para el terreno particular del aeropuerto_ A distancias mayores de 300 m de una fuente específica, los cambios en la atenuación at-

RUIDO DE AVIONES

47.9

T = -4 SEGUNDOS

90 80 70 60 50 IJ)

90

T = O SEGUNDOS

O

::; w 80

al

Ü w O 70

z

w -'

60

D-

IJ)

50 T = +4 SEGUNDOS

90 80 70 60 50

1

FIGURA 47.8. Espectros en bandas de tercio de octava del helicóptero de la Figura 47.7 a -4, O Y +4 segundos del paso por encima del observador.

mosférica son los que normalmente establecen el límite de exactitud de las predicciones de nivel sonoros más que el casi perfecto conocimiento de la fuente del ruido. El sonido proveniente de aviones estacionados en la pista o en vuelo muy bajo puede atenuarse más fácilmente que el procedente de aviones volando a gran altitud. A la hora de calcular la medida en la que contribuyen los distintos aviones al ruido total en el campo de vuelo, se deben tener en cuenta ciertas condiciones meteorológicas típicas (medidas o estimadas). Solamente entonces puede ser calculada la huella del ruido emitido por un avión sobre el terreno (durante la aceleración y el mantenimiento de motores previo al despegue). Según el tipo de operación (como por ejemplo la posición fija de calentamiento) se puede asumir la orientación específica de una fuente en concreto. En caso de que no exista una orientación específica de la aeronave o se emplee una posición arbitraria de calentamiento, será necesario asumir un valor máximo de emisión en todas las direcciones. En casos de despegue y aterrizaje, se debe considerar la emisión de ruidos desde cada punto del itinerario de vuelo. En las Figuras 47.11 y 47.12 se muestran los niveles efectivos de ruido percibido' aproximados correspondientes a varios aviones * Los niveles efectivos de ruido percibido vienen descritos en la sección Indicadores de ruido de aviones: escalos e [ndices.

47.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

FIGURA 47.9. Forma de una onda de choque alrededor de una esfera dentro de un túnel aerodinámico con Mach 3. (Según la Referencia 8.)

en vuelo a diversas distancias. En este gráfico se asume una absorción atmosférica mínima, frecuentemente observada en aviones con un alto ángulo de incidencia. Para casos de bajo ángulo de incidencia, la atenuación debida al «efecto suelo» es mucho mayor. (Véase el Capítulo 3.) La intersección del plano del terreno con las superficies de igual nivel sonoro máximo alrededor del avión origina las líneas isófonas de nivel sonoro máximo sobre el suelo para una posición del avión. Las curvas envolventes de las isófonas de nivel máximo para un determinado itinerario de vuelo indican los puntos sobre el terreno expuestos al nivel sonoro máximo durante las maniobras de vuelo. De este modo se pueden determinar los lugares del terreno expuestos a niveles que sobrepasan ciertos criterios, siendo posible evaluar los cambios que se producen en estas áreas según los distintos tipos de aviones o de sistemas de vuelo. Son necesarias cantidades enormes de información para calcular el ruido global resultante de las numerosas fuentes existentes en un aeropuerto, incluyendo datos operativos tales como la hora y el tipo de las operaciones de tierra y de vuelo, los diseños de motores y reglajes, los datos atmosféricos que influyen en la atenuación, las operaciones de calentamiento y los datos operacionales del aeropuerto. Sin embargo es suficiente una descripción empírica más simple (la energía media) para correlacionar los niveles sonoros con las posibles molestias ocasionadas a la población. Para fines de control de ruidos y de planificación, el estudio en detalle de cada aeronave en particular y el enfoque empírico sobre energía media son de gran ayuda y pueden combinarse para lograr los objetivos previstos. Antes de planificar las medidas de control de ruidos, debería evaluarse la importancia relativa de cada fuente en particular, utilizando los índices de la sección Indicadores del ruido de aviones: escalas e índices, que aparece más adelante. Cuando se emplean varios elementos o procedimientos de control de ruidos individuales, su eficacia debe ser estudiada por separado en cada caso.

Control del ruido de operaciones en tierra

El ruido originado por las operaciones en tierra incluye el causado por el sistema propulsor del avión durante las operaciones de mantenimiento y durante los trabajos de revisión tanto en la línea de vuelo como en la plataforma de pruebas. Aunque el control de este tipo de ruidos se realiza normalmente para evitar las quejas

......

47.11

RUIDO DE AVIONES

Trayectoria de vuelo

V/C> 1

-+--~--

\

\

V/C < 1

\

(a)

posición

SUELO

(b)

'"

FIGURA 47.10. Emisión de estampido sónico para un caso estable (vuelo rectilíneo al mismo nivel con un número Mach supersónico constante) y no estable (variando de número Mach supersónico durante el vuelo en picado). Velocidad del avión, v; velocidad del sonido, c. Ejemplos de distribución de presión habituales a distintas distancias por debajo de un avión supersónico. (Según la Referencia 8.)

de la población de áreas colindantes al aeropuerto, una razón fundamental para llevarlo a cabo es la comodidad de las tripulaciones de las aeronaves y demás personal cercano. La eficacia de los supresores del ruido de calentamiento con respecto a las molestias en las vecindades del entorno se puede calcular analizando la relación entre las operaciones en tierra y las operaciones en vuelo. Estos dato~ pueden variar considerablemente de un aeropuerto a otro. Generalmente se puede obtener una reducción de nivel sonoro de 10 o más dB en ciertas zonas cercanas al aeropuerto haciendo uso adecuado de los diagramas de directividad (Figura 47.3) de las distintas fuentes de sonido. Puede ser práctico situar las zonas de calentamiento en lugares alejados de las comunidades colindantes, aprovechando las ventajas de ciertas características meteorológicas o del terreno, o cualquier otra alternativa. Algunos momentos del día son particularmente favorables a la propagación del sonido, por lo que debeóa evitarse realizar operaciones de mantenimiento en esas horas (por ejemplo, durante la noche). Las variaciones de nivel sonoro debidas a la atenuación atmosférica, a las distancias del aeropuerto que estamos considerando ahora, pueden superar los 20 dB. Un método para controlar el ruido originado por las operaciones en tierra es el empleo de edificios como barreras de sonido. Cuando los aviones realizan las operaciones de calentamiento cerca de hangares o edificios, su efecto de apantallamiento puede reducir entre 10 y 25 dB el nivel sonoro en la zona protegida. El modo más eficaz de reducir el ruido producido por el calentamiento de mo-

47.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

130

727-200

~ 90 "'z ...J 80, 70

G,A I'ROPULjlON BIP10TOR

80 100

I

200 400 1000 DISTANCIA EN METROS

I

I

2000

4000

FIGURA 47.11. Nivel de ruido percibido efectivo en función de la distancia hasta el avión durante el despegue. Datos referidos a aviones de propulsión a chorro y turbohélice comerciales y a aviones de hélice ligera.

tores en las operaciones de mantenimiento (no en las previas al despegue) en aviones de propulsión a chorro consiste en utilizar supresores de ruido. Estos supresores portátiles o fijos proporcionan normalmente una reducción de nivel sonoro de entre 10 y 25 dB, según el dispositivo de estanqueidad entre el supresor y el motor del aparato.

Control de ruido de las operaciones de vuelo

Existen posibilidades limitadas de controlar el ruido provocado por las operaciones de vuelo. Una vez proyectado y en funcionamiento, el reglaje del motor del avión es el único método de alterar la fuente de ruidos. Sin embargo, puede resultar de gran eficacia a la hora de controlar estos ruidos modificar los procedimientos operativos de vuelo, como. cambiar los esquemas de vuelo (especialmente a bajas altitudes durante el aterrizaje y el despegue) o el momento del día en el que se realizan las maniobras con el avión. Las isófonas de nivel sonoro trazadas sobre un mapa que indique la densidad de población alrededor del aeropuerto pueden revelar qué orientación (dirección de despegue) o deformación (curva tras el despegue) de las curvas disminuiría la cantidad de población expuesta al ruido. Por ejemplo, podría ser útil un proyecto de empleo de pistas de despegue preferenciales que redujera la frecuencia de las operaciones realizadas sobre pistas de tráfico denso (trasladando algunas operaciones a las «pistas preferencial es» menos empleadas). Un ángulo más pronunciado de subida reduce el área del impacto acústico, asumiendo que el ruido producido por el avión sea el mismo para ambos ángulos de subida. Sin embargo, una pendiente más alta precisa de un régimen mayor de los motores, aumentando la potencia de ruido emitida, con lo cual queda contrarrestada la ventaja proporcionada por dicha medida. Por regla general, si la pendiente de subida es escasa las curvas de ruido se extenderán a lo largo de una mayor distancia bajo el itinerario de vuelo. Una subida más empinada y un alto régimen de motores producirán curvas de ruido más amplias y cortas, o sea, una cantidad relativamente mayor de ruido

J

47.13

RUIDO DE AVIONES

120

707-320B

en

LOCKHEED ELECTRA

01001 ::::¡ W

III

U W

o

80

Z

w w

J

70

GA

PROPULSION BIMOTOR

DC-10-1O

60 50 I

I

I

80100

I 200

I

I

I

I

400

1000

2000

4000

DISTANCIA EN METROS

Niveles de ruido percibido efectivo en función de la distancia hasta el avión durante el aterrizaje. Datos referidos a aviones de propulsión a chorro y turbohélice comerciales y a aviones de hélice ligera.

FIGURA 47.12.

se extenderá a los lados del itinerario de vuelo y menos en su mismo sentido. El tipo de aviones y la situación del aeropuerto en relación a la población potencialmente afectada determinarán cuál de estos dos procedimientos es el más apropiado. Para provocar las mínimas molestias posibles a la población, las operaciones de vuelo ruidosas deberían evitarse durante la noche y a horas tempranas del día. Estas son, sin embargo, menos molestas durante las horas punta generales, de 7:00 a 9:00 de la mañana y de 4:00 a 6:30 de la tarde. INDICADORES DEL RUIDO DE AVIONES: ESCALAS E INDICES* Con el fin de medir y comparar los efectos molestos del ruido de aviones se emplean varias escalas (para medir el grado de molestia de sucesos acústicos individuales) e índices (para medir el grado de molestia de sucesos múltiples sobre la población durante un determinado intervalo de tiempo )1,2. Estas escalas e índices tratan de cuantificar la reacción del receptor frente al ruido de aviones3 , y de relacionar las molestias causadas a un receptor con las de la comunidad. Una escala de ruido de aviones debería incluir los efectos del nivel de presión sonora, los espectros de frecuencia (incluyendo la presencia de tonos puros), la duración y la distribución espacial de la fuente del ruido. Un índice de ruido de aviones debería incluir también las consecuencias del número de operaciones y del momento del día de exposición al ruido. Además de las características físicas de exposición al ruido, para lograr una escala o

• La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), la lnternational Organization for Standardization (ISO), el American National Standards Institute (ANSI) y la Society of Automotive Engineers (SAE) publican normas relativas a la medición del ruido de aviones, el cálculo de correcciones de los niveles sonoros medidos y el cálculo de escalas e índices de ruido. Las cifras mostradas en esta sección siguen estas normas, pero se ofrecen con menor detalle.

47.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

índice válido de ruido de aviones deberían tenerse en cuenta la respuesta subjetiva y los significados cognitivos.

Las escalas de ruido de uso más común para especificar el ruido de un suceso acústico individual utilizan el nivel sonoro con ponderación A, LA, tratado en el Capítulo 11, y el nivel de ruido percibido efectivo, L pNE , empleado por la Federal Aviation Administration (FAA) en la certificación de ruido de las nuevas naves de transporte subsónicas. Dos índices de uso común en los EE. UU. para el cálculo de ruidos de aviones son el nivel sonoro corregido día-noche, L dn , Yla exposición sonora díanoche, como se explica en el Capítulo 54.

Nivel de ruido percibido efectivo

El siguiente cálculo de nivel de ruido percibido efectivo tiene en consideración la respuesta del observador al sonido de un avión, el efecto molesto de los tonos puros, tales como silbidos y chirridos, y la duración de los sucesos acústicos particulares 2.4. Este tipo de escala es susceptible de poseer las deficiencias descritas en el Capítulo 23. . . La Figura 47.13 muestra un ejemplo de nivel de presión sonora en función del tiempo (en un punto fijo) resultante del paso de un avión por encima del lugar de estudio. La Tabla 47.1 muestra los niveles del espectro correspondiente en bandas de tercio de octava (SPL¡) en un instante concreto (t = 4,5 segundos). El nivel de presión sonora en bandas de tercio de octava se muestra para 24 bandas con frecuencias centrales comprendidas entre 50 y 10.000 Hz. De acuerdo a estos datos, el nivel de ruido percibido efectivo se calcula del siguiente modo: Paso l. Se divide la curva de nivel de presión sonora en intervalos de 0,5 segundos. Consideremos una curva de nivel de presión sonora respecto al tiempo tal como la de la Figura 47.13. Para empezar, se selecciona un tiempo de origen, 10, que corresponda al momento en el que el ruido del avión comience a sobrepasar el nivel CIJ

o

¡¡¡ 110 CD

U w

o

zw < ce ~ 100 o CIJ z o

¡¡; w ce c.. w

~

W

--~SONIDO

AMBIENTAL ~ 9 4 d B - - - - -

900~~~~~~6~~8~~10~~lL2-L-14~~~~~~

~

I

z

O

I

4

8

12

TIEMPO EN SEGUNDOS I I I I I I I I

16

20

24

28

I

32

36

40

IN DICE k DE INCREMENTO DE TIEMPO

FIGURA 47.13. tiempo.

Ejemplo de medidas del nivel global de presión sonora respecto al

-

47.15

RUIDO DE AVIONES

TABLA 47.1. Valores en noys en bandas de tercio de octava del espectro correspondiente a k = 9 (t = 4,5 segundos)

SPLI , dB

Noys ni

;

Frecuencia central, Hz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1.000 1.250 1.600 2.000 2.500 3.150 4.000 5.000 6.300 8.000 10.000

79,5 78,5 82,9 89,6 92,3 83,0 90,7 82,1 90,6 89,8 90,2 89,8 88,8 88,5 87,8 87,3 88,0 88,8 86,6 88,7 78,3 70,3 61,8 58,3

4,7 5,6 9,8 19,2 24,7 27,8 27,4 32,3 31,1 31,6 32,4 31,6 29,5 28,8 31,6 39,5 47,8 47,0 53,4 61,7 30,0 15,0 6,8 4,3 24

~ni = 674,6 noys ;=1

sonoro ambiental. A continuación se determina el número de incrementos de 0,5 segundos durante los cuales el nivel sonoro supera al ambiental. En la Figura 47.13 son 40 intervalos. Estos intervalos se denominan mediante la letra k. Así, por ejemplo, para un tiempo t = 4,5 segundos, k = 9. Paso 2. Se calcula la «ruidosidad» total en noys. Primeramente, se transforma el nivel de presión sonora de cada banda de tercio de octava en su correspondiente valor de «ruidosidad» (abreviado como n) en noys (ni) empleando la Figura 47.14 o los valores de la tabla2 • Las valores de ruidosidad (ni) de cada una de las bandas de tercio de octava se sustituyen a continuación en la siguiente ecuación con el fin de obtener la ruidosidad total n¡:

n¡

= nmáx + 0,15 (~ni -

n máX )

noy

(47.1)

47.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

140 (Jl

g 130 w al

U 120 w

O

z

w

110

C!i 100

z

oC( al

90

W

O

oC(

80

a:

O

z

70

O

(Jl

z

60

iii w a: o.. w

50

w

30

Z

20

O

O -'

>

40

~OYS

~1~ ~H~

~l~

10 0,02 0,05 0,1 0,2

0,5

1

2

5

10 20

FRECUENCIAS EN KILOHERZIOS

FIGURA 47.14. Líneas de igual ruidosidad percibidas por el oído humano y empleadas para la medición del nivel de ruido percibido LpN , en bandas de tercio de octava.

en donde nmáx

valor máximo en noys

=

24

L n¡ = suma de valores noy de todas las bandas ¡~l

Por ejemplo, la Tabla 47.1 muestra el cálculo de la suma de los valores noy para cada una de las 24 bandas del espectro de ruido de la Figura 47.13, para un tiempo t = 4,5 segundos (k = 9). (Aunque los datos científicos en los que se fundamentan estos cálculos justifican a lo sumo solamente su exactitud en dos o tres lugares, con fines de regulación se emplea normalmente un número mayor de cifras significativas.) El valor nmáx = 61,7 noys (indicado en la tabla en negrita) se produce en la banda centrada en 4.000 Hz. Sustituyendo esta cifra y el valor de la suma de la Ecuación (47.1) se obtiene la ruidosidad total nI para las 24 bandas de la siguiente forma:

nI

= 61,7 + 0,15 (~n¡ - 61,7) noy = 153,6 noys

24

en donde

L n¡ =

674,6 noys.

¡~l

Se debe seguir un procedimiento similar para cada valor k, con el fin de obtener la ruidosidad en función del tiempo.

47.17

RUIDO DE AVIONES

Paso 3. Se calcula el nivel de ruido percibido, L pN , que viene dado por la siguiente fórmula:

L pN

= 40 + 33,22 log nt

(47.2)

dB

Por ejemplo, el nivel de ruido percibido correspondiente al valor de ruidosidad total calculado en el ejemplo del Paso 2 es

L pN

=

40

+ 33,22 log nlO 153,6 = 112 dB

(47.3)

El procedimiento anteriormente descrito se debe repetir para cada valor de k con el fin de obtener una curva de nivel de ruido percibido en función del tiempo como la mostrada en la Figura 47.15. La unidad de nivel de ruido percibido se expresa en decibelios, cuyo símbolo es dB. Aunque el símbolo unitario se muestra a veces como PNdB, tal empleo no es recomendado por el American National Standards lnstitute. Paso 4. Se calcula el nivel de ruido percibido corregido, L pNT • El cálculo del nivel LPNT precisa del estudio de los espectros en bandas de tercio de octava en intervalos de 0,5 segundos con el fin de detectar, según un complicado procedimiento de corrección tonal, cualquier banda cuyo nivel exceda a los de la banda o bandas adyacentes2 • La corrección tonal varía desde O dB hasta un máximo de 6,7 dB. Cuando se consigue una corrección distinta de cero en dos o más bandas de frecuencia, solamente se aplica la mayor corrección. El empleo de este procedimiento de corrección por tonos puros en el ejemplo mostrado en la Tabla 47.1 tiene como consecuencia una corrección de 1,9 dB asociada a la banda de frecuencias centrada en 4.000 Hz, de modo que L pNT = 112,6 + 1,9 = 114,5 dB para t = 4,5 (k = 9), como muestra la Figura 47.15. (En este ejemplo, solamente la banda de tercio de octava de 4.000 Hz precisó de una corrección de 1,9 dB.) oo

120 118,1 116,7

(3 ~ ~

u 0(/)114,5 Q gm,6

!!:!w

ffi ~

110

o..W

0

0

Q~ :::J [E:

w

o

...J

W

> Z

o

, , ,,, ,,

4

,

" " 20 24 28 32 8 12 16 IN DICE k DE INCREMENTO DE TIEMPO

,

36

,

40

RGURA 47.15. Distribución del nivel sonoro percibido corregido por tonos puros en función del tiempo, obtenido añadiendo al nivel de ruido percibido una corrección que corresponde al nivel en t = 4,5 segundos (k = 9) de la Figura 47.13.

47.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

El cálculo de la corrección por tonos puros debe repetirse para cada valor de k hasta obtener el nivel de ruido percibido corregido en función del tiempo que muestra la Figura 47.15. En este ejemplo, el nivel máximo de ruido percibido corregido es de 118 dB. Paso 5. Se calcula la corrección de duración D. La corrección D (expresada en decibelios) sirve para considerar la duración del ruido. D puede ser tanto positiva como, más frecuentemente, negativa. Se obtiene por medio de: D

= 10 10gIO ~ "" antilog LPNT(k»)

(

- 13 -

LPNTmáx

dB

(47.4)

10

k=O

donde LPNTmáx es el máximo valor de L pNT. La duración d es el tiempo (en segundos enteros) durante el cual el L pNT es mayor que (L pNT - 10 dB), o durante el cual L pNT supera los 90 dB si así se obtiene un valor menor de d. En el ejemplo que estamos considerando ahora, de acuerdo a la Ecuación (47.4), D = 10 10gIO (71,9 X 1011 ) - 13 - 118 = 2,4 dB. Paso 6. Se calcula el nivel de ruido percibido efectivo, L pNE , por medio de: dB

(47.5)

En el ejemplo en consideración, L pNE =

118 - 2,4

=

115,6 dB

Nivel sonoro continuo equivalente, ~

Véase la Ecuación (11.2).

Nivel sonoro corregido día-noche, l.Jn

Véase la Ecuación (11.5) y Capítulo 54.

Pronóstico de exposición al ruido, NEF

El pronóstico de exposición al ruido, NEF, se empleó en el pasado como un índice de respuesta de la población, con propósitos de planificación de zonas cercanas a aeropuertos. Sin embargo, ha sido reemplazado por el nivel sonoro corregido díanoche o la exposición sonora día-noche (véase el Capítulo 54). El pronóstico de exposición al ruido era una suma calculada durante un período de 24 horas basada en el nivel de ruido percibido efectivo, el número de operaciones ruidosas de aviones durante el día (de 7:00 a.m. a 10:00 p.m.) y durante la noche (10:00 p.m. a 7:00 a.m.), y finalmente la sustracción de una constante arbitraria de 88 al valor calculado. El

-

RUIDO DE AVIONES

47.19

pronóstico de exposición al ruido se calculaba sobre una malla de puntos receptores desde la que se trazaba un sistema de curvas de idéntica exposición al ruido (isolíneas) sobre un mapa del aeropuerto y sus áreas circundantes, como ilustra la Figura 47.16.

Los valores NEF pueden ser interpretados del siguiente modo: (1) menos de 20 NEF indica que no se producirán quejas; (2) entre 20 y 30 NEF, se pueden producir interferencias en las zonas afectadas; (3) entre 30 y 40 NEF, se pueden producir quejas e iniciativas en contra por parte de los habitantes de las áreas residenciales cercanas; (4) más de 40 NEF provocarán violentas quejas y posibles movimientos de oposición5• Se consideró que la exposición total al ruido de aviones en un punto dado era la suma de las distintas contribuciones por parte de varios aviones volando en distintas rutas de vuelo.

PREDICCION DEL RUIDO DE AVIONES Datos medidos de vuelo

El nivel sonoro en un lugar concreto en el terreno se puede calcular empleando los datos medidos de vuelo, consistentes en los niveles sonoros con ponderación A o los valores de niveles de ruido percibido efectivo correspondientes a distintos patrones de aceleración y a diversas distancias desde la aeronave en estudi06 . Si, además, se pueden conseguir datos del funcionamiento de los aviones para determinar (1) la

LIMITE DEL AEROPUERTO

FIGURA 47.16. Curvas isofónicas NEF sobre un mapa de un aeropuerto y de sus áreas colindantes.

47.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

distancia de rodaje en tierra desde el accionamiento del freno a una altura específica, y (2) la altitud conseguida respecto a la distancia, se podrá calcular el ruido producido por el avión en un punto determinado del suelo. Estos datos ya se encuentran disponibles por parte de la Federal A viation Administration (FAA) para aviones comerciales convencionales, entre los cuales están incluidos los Boeing B-707, B-737, B-727 Y B-747, los Douglas DC-B, DC-9 y DC-10, y el Lockheed L1011. La Environmental Protection Agency (EPA) proporciona datos similares de ruido de aviones, así como sus datos de funcionamiento, de los mismos aviones comerciales, para su uso por parte del personal de aeropuertos y gobiernos locales que deseen calcular los pronósticos de exposición al ruido, NEF, y los niveles sonoros corregidos día-noche correspondientes a distintos modelos actuales o en proyecto de actividades aeronáuticas. Tanto los datos de la F AA como los de la EPA pueden ser utilizados para calcular el ruido de cada vuelo por separado o el acumulado por las distintas actividades cercanas a un aeropuerto comercial.

Procedimiento de predicción de ruidos de vuelos individuales

Empleando los datos de la FAA para un avión Boeing B-707-3007 equipado con motores JT3D-3B se puede calcular a mano el ruido producido a lo largo de una línea recta sobre el terreno situada directamente por debajo de la trayectoria de vuelo del avión, tanto para operaciones de despegue como de aterrizaje. Los datos correspondientes a trayectorias en curva resultantes de los giros llevados a cabo por el avión justo después del despegue o al final de su aproximación pueden añadirse por medio de procedimientos de predicción calculados por ordenador.

Ejemplo durante el despegue. Los datos de aviones y aeropuertos utilizados para el ejemplo del cálculo en despegue son los siguientes: Avión: Boeing B-707-300. Motores: JT3D-3B. Posición de las alas: 0,24 rad (14°). Peso bruto de puesta en marcha del freno (BRGW): 117,934 kgm. Temperatura en el aeropuerto: 294,3 K (70°F). Altitud del aeropuerto: 305 m. Viento de frente: + 10 nudos. Velocidad de subida de despegue: guridad de despegue.

V2

+ 20 nudos, donde V2 es la velocidad de se-

Distancia desde el accionamiento del freno: 3,5 millas náuticas· sobre la pista directamente delante del avión. Paso 1. Se obtiene el BRGW equivalente

*

1 milla náutica = 1.849 m.

= 116,122 kg y la distancia desde la

47.21

RUIDO DE AVIONES

puesta en marcha del freno a una altura de 10,7 m (35 ft) igual a 1.631 m (5350 ft), empleando la Figura 7.3.8 de la Referencia 7 además de la información anterior. Paso 2. Se obtiene una cantidad equivalente al peso bruto de 117,936 kg a una altitud de 591 m en un punto situado a 3,5 millas náuticas desde la puesta en marcha del freno, utilizando la Figura 7.3.10 de la Referencia 7 y los datos de despegue seleccionados. Paso 3. (a) Se obtiene una velocidad de subida de despegue de todos los motores de 170 nudos utilizando la Figura 7.3.1 de la Referencia 7. (b) Se obtiene una velocidad relativa verdadera de 181 nudos a partir de la Figura 6.2 de la Referencia 7 utilizando la altitud real del avión (305 + 591 m). Paso 4. Se calcula la tracción neta de cada motor, FN = 59,158 N, empleando la Figura 7.3.12 de la Referencia 7. Se calcula la tracción neta corregida de cada motor, (FN /8) = 65,830 N utilizando la Figura 6.3 de la Referencia 7"". Paso 5. (a) Se obtiene un nivel de ruido percibido efectivo L pNE = 107,3 dB a partir de la Figura 7.1.12 de la Referencia 7, utilizando una tracción neta corregida de cada motor de FN /8 = 65,830 N a una distancia (altitud) de 591 m. (b) Se obtiene un nivel sonoro con ponderación A LA = 90,2 dB (A) utilizando la Figura 7.1.13 de la Referencia 7. Paso 6. Se obtiene una corrección de L pNE y de LA en función de la altitud del aeropuerto y a la temperatura de -0,1 dB, Y una corrección de L PNE solamente para la velocidad del avión de -0,5 dB utilizando respectivamente las Figuras 6.9 y 6.10 de la Referencia 7. Paso 7. (a) Se calcula el nivel de ruido percibido efectivo corregido sobre la pista a 3,5 millas náuticas de la puesta en marcha del freno, L pNE = 107,3 - 0,1 - 0,5 = 106,7 dB. (b) Se calcula el nivel sonoro con ponderación A corregido, LA = 90,2 0,1 = 90,1 dB(A). La Tabla 47.2 es un resumen tanto del nivel de ruido percibido efectivo como del nivel sonoro máximo calculados para los datos de este ejemplo empleando un programa de ordenador para cáluculo de los datos de la F AA. Ejemplo para el aterrizaje. El cálculo de ruido durante el aterrizaje se realiza para el mismo avión y aeropuerto del ejemplo de despegue anterior, añadiendo la si-

guiente información adicional: Posición de las alas:

0,70 rad (40°).

Guía de posición:

0,052 rad (30).

Peso bruto:

95.256 kg.

Velocidad de aproximación:

1,3 Vz + 20 nudos, donde pérdida de sustentación.

Distancia desde la cabecera de pista:

1,0 milla náutica por debajo del avión sobre la pista.

**

1) =

Vz

es la velocidad de

densidad de aire real respecto a la densidad de aire habitual al nivel del mar.

47.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 47.2. Ejemplos de cálculo de niveles sonoros directamente por debajo de la trayectoria de vuelo de un avión* durante el despegue Distancia desde la puesta en marcha de freno, m (ft)

Altitud,

LAma...

m (ft)

dB(A)

2.896 (9.502) 3.336 (10.945) 3.776 (12.388) 4.223 (13.854) 4.670 (15.321) 5.578 (18.302) 6.503 (21.334) 7.442 (24.416) 8.364 (27.441) 9.370 (30.740) 10.359 (33.985) 11.396 (37.387) 12.390 (40.649) 13.433 (44.072)

122 (400) 183 (600) 244 (800) 305 (1000) 366 (1200) 488 (1600) 610 (2000) 732 (2400) 853 (2800) 975 (3200) 1097(3600) 1219 (4000) 1341 (4400) 1463 (4800)

120,9 117,9 115,4 113,4 111,6 108,6 106,2 103,9 102,4 101,1 99,4 98,4 98,4 96,2

110,7 105,9 102,2 99,7 96,8 92,8 89,5 87,0 84,5 82,8 80,9 79,2 79,2 76,4

• Como media. el procedimiento gráfico utilizado en el ejemplo de cálculo de ruido de despegue arroja valores de LpNE y LA que no llegan a diferir en 1 dB del resultado compute rizado.

Paso 1. Se obtiene una velocidad de aproximación del avión de 128 nudos utilizando la Figura 7.3.3. de la Referencia 7. Paso 2. Se obtiene la altitud de 113 m. a 1 milla náutica desde la cabecera de pista utilizando la Figura 6.6 de la Referencia 7. Paso 3. Se obtiene una velocidad relativa verdadera de 152 nudos y una guía de posición corregida según el viento de 0,049 rad (2,8°) utilizando las Figuras 6.2 y 6.8 de la Referencia 7. Paso 4. Se obtiene una tracción neta de cada motor de F N = 21,158 N Yla tracción neta corregida de cada motor, FN/'O = 22,240 N utilizando las Figuras 7.3.6 y 6.3 de la Referencia 7. Paso 5. (a) Se calcula el nivel de ruido percibido efectivo, L pNE = 115,3 dB, utilizando la Figura 7.1.12 de la Referencia 7. (b) Se calcula el nivel sonoro con ponderación A, LA = 105,5 dB(A), utilizando la Figura 7.1.13 de la Referencia 7. Paso 6. Se obtiene una corrección en función de la altitud del aeropuerto y la temperatura, de -0,1 dB, de nuevo utilizando la Figura 6.9 de la Referencia 7. Se obtiene una corrección de velocidad de vuelo de +0,2 dB, empleando la Figura 6.10 de la Referencia 7. Paso 7. (a) Se calcula el nivel de ruido percibido efectivo corregido sobre la pista a 1,0 milla náutica desde la cabecera de pista, L pNE = 115,3 - 0,1 + 0,2 = 115,4 dB. (b) Se calcula el nivel A de potencia sonora corregido, LA = 105,5 - 0,1 = 105,4 dB(A).

La Tabla 47.3 es un resumen tanto del nivel de ruido percibido efectivo corno del nivel sonoro máximo calculados para los datos de este ejemplo, empleando las aplicaciones compute rizadas de los datos de las F AA.

47.23

RUIDO DE AVIONES

TABLA 47.3. Ejemplos de cálculo de niveles sonoros directamente por debajo de la trayectoria de vuelo de un avión* durante el aterrizaje

Distancia desde la puesta en marcha del freno, m (ft)

Altitud, m (ft)

L pNE,

LAma.",

dB

dB(A)

872 (2.862) 2.035 (6.678) 3.199 (10.494) 4.362 (14.310) 5.525 (18.127) 6.688 (21.943) 9.014 (29.575) 11.341 (37.208) 13.667 (44.840) 15.240 (50.000)

61 (200) 122 (400) 183 (600) 244 (800) 305 (1000) 366 (1200) 488 (1600) 610 (2000) 732 (2400) 814 (2670)

119,7 115,2 115,2 109,7 107,5 105,7 102,2 99,2 96,7 95,1

112,0 105,0 100,4 96,8 94,0 91,5 87,3 83,2 80,0 78,3

• Como media. el procedimiento gráfico utilizado en el ejemplo de cálculo de ruido de despegue arroja valores de LPNE y LA que no llegan a diferir en 1 dB del resultado computerizado.

Niveles sonoros laterales. El ruido producido en un punto arbitrario del terreno también puede ser calculado rápidamente para operaciones de despegue y de aterrizaje. Primeramente es necesario determinar la distancia real, o distancia en línea recta, hasta la aeronave en su punto de máxima aproximación, que a continuación se utiliza (en lugar de la altitud) junto con las Figuras 7.1.12 y 7.1.13 de la Referencia 7 para los procedimientos de cálculo citados anteriormente·. Modelización de las fuentes de ruido

Un modelo alternativo al de la medición de ruido de aeronaves en vuelo como fundamento de las previsiones de ruido es la modelización, o descripción, del ruido total de las distintas fuentes como suma de los espectros de presión sonora calculados para cada componente emisor de ruidos del avión. Por ejemplo, el programa de predicción de ruido de aviones de la National Aeronautics and Space Administration calcula espectros en bandas de tercio de octava para el ruido de propulsión a chorro, el de ventiladores y compresores, de combustión, de turbinas, el ruido aerodinámico, etcétera, en función del ángulo de directividad y el tiempo 9.10. Este procedimiento tiene como resultado la estimación de un espectro dividido en una serie de intervalos de tiempo por bandas de tercio de octava para cada una de las distintas posiciones de observación seleccionadas sobre el terreno durante un vuelo. Los niveles globales de presión sonora, los niveles de ruido percibido, los niveles de ruido percibido corregidos, y los niveles de ruido percibido efectivo se calculan posteriormente a partir de los espectros estimados. Una de las ventajas de

• Debido a un exceso de atenuación por «efecto suelo» (véase el Capítulo 3), este procedimiento no debería ser empleado en situaciones en las que el ángulo de visión del avión, o sea, el ángulo ljJ de la Figura 3.1, sea menor de unos 10".

47.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

este método de modelización de fuentes de ruido es que pueden realizarse las predicciones de ruido para aviones, incluyendo los estudios paramétricos, en la fase de proyecto preliminar, evaluando el impacto sonoro de las aeronaves estudiadas y, por tanto, minimizándolo con anterioridad a la puesta en marcha del proyecto.

Curvas de ruido de aviones

Para casos de vuelos aislados, tanto el personal de aeropuertos como los planificadores de áreas residenciales o las organizaciones gubernamentales emplean las curvas isófonas en términos de nivel sonoro con ponderación A, nivel de ruido percibido efectivo o algún otro tipo de escala. Para vuelos múltiples se utilizan índices tales como el nivel sonoro corregido día-noche, o el pronóstico de exposición al ruido NEF. Las curvas relativas a vuelos individuales sirven para comparar los aviones entre sí. Las correspondientes a grupos de aviones, como las que muestra la Figura 47.16, se emplean para determinar el impacto total del ruido de aviones sobre la comunidad de personas que se encuentra cerca del aeropuerto, para asesorar acerca de los cambios a realizar en los procedimientos de las operaciones de los aviones, para introducir nuevos modelos de aeronaves o para alterar la combinación de aparatos en un aeropuerto en concreto. El Departamento de Defensa, el Departamento de Transportes, incluyendo la Federal A viation Administration, la Environmental Protection Agency y la National Aeronautics and Space Administration utilizan programas de ordenador para predecir el ruido de aviones y modelizar el comportamiento acústico de los distintos tipos de aeropuertos, la mayoría de los cuales se encuentran a disposición en las redes informáticas comerciales.

REFERENCIAS 1. K. S. Pearsons y R. L. Bennett, Handbook of Noise Ratings, NASA CR-2376, abril 1974. 2. P. M. Edge Jr. y J. M. Cawthorn, Selected Methods for Quantification of Community Exposure to Aircraft Noise, NASA TN D-7977, febrero 1976. 3. K. D. Kryter, The Effects of Noise on Man, Academic Press, Nueva York, 1970. 4. Federal Aviation Administration Noise Standards, Title 14, Code of Federal Regulations, Chapo 1, Part 36, 34 Fed. Reg. 1864, 18 de noviembre de 1969, as amended. 5. Information on Levels of Environmental Noise Requisite to Protect Public Health and Welfare with an Adequate Margin of Safety, 550/9-74-004, U.S. Environmental Protection Agency, marzo 1974. 6. Community Noise Exposure Resulting from Aircraft Operations: Acquisition and Analysis of Aircraft Noise and Performance Data, AMRL-TR-73-107, Bolt Beranek and Newman, agosto 1975. 7. B. G. Williams y R. Yates, Aircraft Noise Definition: Individual Aircraft Technical Data-ModeI707, FAA-EQ-73-7, 2 de diciembre 1973.

RUIDO DE AVIONES

47.25

8. C. M. Harris (ed.), Handbook of Noise Control, La ed., McGraw-Hill, Nueva York,1957. 9. W. E. Zorumski, «Aircraft FIyover Noise Prediction», Proc. Noise Con-77, Hampton, Va., octubre 1977. 10. J. P. Raney, Noise Prediction Technology for CTOL Aircraft, erOL Transport Technology Conf., NASA CP-2036, 1978.

Capítulo

48

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS William Bowlby

INTRODUCCION El ruido del tráfico de las autopistas produce un impacto grave sobre más gente que cualquier otra fuente de ruido ambiental. Como resultado, muchas agencias gubernamentales nacionales, estatales y locales tienen reglamentaciones para evaluar los impactos de ruido existentes o potenciales de las autopistas y para reducir los niveles allí donde sea posible. En EE.UU., la ley exige que las agencias federales realicen estudios de impacto ambiental (descritos en el Capítulo 54) para nuevas carreteras o proyectos importantes de reconstrucción en los que se evalúan con anticipación los impactos sonoros y se utiliza dinero federal para financiar la totalidad o parte del proyecto. La Federal Highway Administration (FHW A) delega la responsabilidad de la realización de estos estudios a los departamentos de transporte estatales, cuando éstos poseen la jurisdicción sobre las infraestructuras estudiadas. La FHW A ha desarrollado procedimientos para analizar y reducir el ruido del tráfico de las autopistas y el ruido durante su construcción. Además, cuando el Department of H ousing and Urban Development de EE. UU. presta dinero (o avala préstamos para la construcción) a un promotor de una urbanización residencial, debe primero evaluar los impactos potenciales del ruido de los transportes en la urbanización. El Capítulo 50 incluye una técnica de «screening» simplificada de la evaluación inicial del impacto de ruido. Este filtrado inicial suele producir indicaciones moderadamente altas de impacto. Las metodologías descritas en este capítulo pueden emplearse para una modelización más precisa y para el diseño de medidas de reducción del impacto específico para cada localización. Este capítulo describe los pasos necesarios para evaluar el impacto de ruido de un proyecto de autopista y para evaluar y diseñar las medidas de reducción del ruido. Se presenta en detalle un método para predecir los niveles de ruido del tráfico de autopista. También se presenta información sobre las barreras acústicas, el mé48.1

48.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

todo más habitual para reducir el ruido del tráfico aparte del control del mismo en la propia fuente del vehículo.

DESCRIPTORES DEL RUIDO DEL TRAFICO La mayoría de las evaluaciones del ruido del tráfico se realizan en términos de niveles sonoros globales con ponderación A. Los niveles de banda de octava o de tercio de octava sólo suelen considerarse cuando se trabaja en el control del ruido sobre el vehículo, cuando se diseñan tratamientos de aislamiento acústico para edificios cercanos a autopistas o cuando se estudian tratamientos específicos de absorción del sonido para las superficies de las barreras contra el ruido. Debido a que el ruido del tráfico varía a lo largo del tiempo (tanto de minuto a minuto como de hora a hora), se precisan métodos que cuantifiquen esta variación y su consiguiente impacto sobre las personas.

Período de tiempo de referencia

El período de tiempo utilizado como base para la evaluación por la Federal Highway Administration (FHWA) es de 1 hora (la hora con tráfico más denso, es decir, la peor hora de ruido). El Department 01 Housing and Urban Development exige evaluaciones sobre períodos de 24 horas, al igual que algunos estados, como California. Puede exigirse una evaluación para varios de estos períodos de tiempo para el mismo proyecto, dependiendo de las instituciones implicadas en el estudio. Habitualmente se utilizan dos métodos para cuantificar la variación dentro de un período de tiempo determinado: mediante descriptores estadísticos y descriptores con promedio temporal.

Descriptores estadísticos

Una manera de describir tanto la magnitud de los sucesos acústicos individuales del tráfico, por ejemplo el paso de camiones, como el número de estos sucesos, es determinar el nivel percentil 10 L IO , que es el nivel excedido durante un 10 por 100 del período de tiempo considerado. Inicialmente, los criterios de reducción del ruido de la FHW A sólo se especificaron en términos del nivel percentil 10 de una hora. Sin embargo, este descriptor no es adecuado cuando: (1) las intensidades horarias de vehículos son bajas, (2) los vehículos no están espaciados por igual a lo largo de la carretera y (3) se necesita combinar matemáticamente los valores de LIO calculados por separado para distintas fuentes.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.3

Descriptores con promedio temporal"

Los descriptores con promedio temporal suelen utilizarse en el ruido del tráfico para superar los problemas de los descriptores estadísticos. El más frecuente es el nivel sonoro de 1 hora (abreviatura 1HL), que es el nivel sonoro continuo equivalente con ponderación A durante un período de 1 hora (véase Ecuación 11.3). El uso de este descriptor para la evaluación del ruido del tráfico tiene ventajas porque: (1) puede calcularse con facilidad, (2) no es necesario establecer suposiciones con respecto al espaciamiento entre vehículos y (3) los niveles calculados para categorías separadas de fuentes pueden combinarse fácilmente. Una desventaja es que es extremadamente sensible a sucesos aislados con niveles sonoros altos, que no necesariamente producen una respuesta humana consecuentemente alta. Para la mayoría de las situaciones que se producen cerca de las autopistas, el nivel sonoro de 1 hora Llh es de 2 a 4 dB inferior al nivel percentil 10 de 1 hora. En situaciones de intensidad de tráfico baja, el nivel equivalente tiende a igualar o superar al nivel de percentil 10, debido a su sensibilidad a los sucesos acústicos individuales. Cuando se utiliza un período de 24 horas, para análisis de ruido de zonas de uso residencial, se emplea el nivel sonoro corregido día-noche Ldn (véase Ecuación 11.4). En California, la ley estatal exige el uso del nivel equivalente de ruido comunitario, CNEL (véase Ecuación 11.11).

PROCEDIMIENTOS DE EVALUACION DEL RUIDO DE LA ADMINISTRACION FEDERAL DE AUTOPISTAS (EE.UU.)

La Federal Highway Administration (FHWA) estadounidense tiene normas para el análisis del ruido del tráfico l . Estas normas representan un marco útil que puede seguirse en cualquier estudio del ruido del tráfico.

Aplicabilidad

La FHW A divide los proyectos en dos categorías: Tipo 1 y Tipo 11. Un proyecto de Tipo 1 es una propuesta de proyecto federal o con ayuda federal para la construcción de una nueva autopista o alteración física importante en una autopista existente. Un proyecto de Tipo II es un proyecto para la implantación de medidas de reducción del ruido que se añaden a una autopista existente, sin cambios importantes en ella. Las normas de la FHW A se aplican a todos los proyectos de Tipo 1. Su desarrollo e implantación en los proyectos de Tipo 11 no son obligatorios, pero el análisis del ruido del tráfico es un requisito para que las medidas de reducción puedan acogerse a una financiación federal.

• N. del T.: En Europa es más habitual la denominación niveles continuos equivalentes.

48.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Procedimiento de análisis del ruido del tráfico

Las normas de la FHW A para el análisis del ruido del tráfico especifican el siguiente procedimiento: 1. Identificación de las actividades y usos del suelo que pueden verse afectados por el ruido del tráfico. Recopilación de fotografías aéreas, mapas de uso del suelo y planos de autopistas, así como resultados de reconocimiento de campo. Se determinan las áreas típicas en las que se producen actividades humanas. Se identifican las principales fuentes de ruido. 2. Predicción de los niveles futuros del ruido del tráfico. El método utilizado:

• Debe ser consistente con el modelo de previsión del ruido del tráfico de la FHWA 2 (que se describirá en la sección «Previsión del ruido del tráfico de autopista» ). • Hay que emplear niveles de emisión de ruido que estén: (a) publicados en las normas de la FHWA o (b) determinados por la propia agencia utilizando procedimientos especificados3 . 3. Determinación de los niveles de ruido existentes. Las normas exigen medidas (o previsiones) de los niveles ambientales en puntos representativos en las áreas identificadas como sensibles al ruido. Estos niveles ambientales aportan la base tanto para evaluar el impacto como para examinar la viabilidad de la reducción del ruido. Generalmente se realizan medidas para la determinación de los niveles estadísticos o'equivalentes de 1 hora: (a) durante horas diurnas para obtener los niveles de ruido más altos, (b) durante las horas más importantes para el uso concreto del suelo afectado o, a veces, (c) durante un período de 24 horas, en uno o más lugares, para determinar la variación del ruido con el tiempo. Hay que elegir los puntos de medida en el lugar afectado, de forma que sean representativos de los lugares donde la actividad humana suele producirse; deben estar lejos de las fuentes de ruido existentes, como acondicionadores de aire del edificio, perros que ladran o segadoras de césped. 4. Determinación de los impactos del ruido del tráfico. Hay que considerar dos tipos de impacto, sobre la base de:

• Una comparación entre los niveles previstos y los existentes. • Una comparación entre los niveles previstos y valores límite dependientes del uso del suelo. La política de la FHW A establece que cualquier impacto identificado de acuerdo con estas comparaciones es lo suficientemente importante como para necesitar una reducción si ésta es factible y práctica. Comparación con los niveles existentes. Las normas de la FHWA consideran que se producirá impacto cuando los niveles futuros previstos «superen sustancialmente» los niveles existentes (sin embargo, la FHWA no define «superen sustancialmente»). Distintas agencias de transporte estatales definen de forma diferente el término «superen sustancialmente», situando el aumento mínimo del nivel sonoro con ponderación A entre 5 y 15 dB; el valor más habitual es 10 dB. Comparación con valores límite. Las normas de la FHWA consideran que un se-

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.5

gundo tipo de impacto tendrá lugar cuando los niveles futuros previstos «se acercan o superan» a los valores límite (criterios de reducción del ruido), que se presentan en la Tabla 48.1. Los criterios se organizan por categorías de uso del suelo y están expresados en términos de niveles sonoros equivalentes de 1 hora (L 1h ) o niveles L/O de 1 hora. Una agencia de transporte estatal puede usar cualquiera de los descriptores, pero debe hacerlo consistente mente a lo largo del estudio. Las Categorías A, B YC son para actividades exteriores. La Categoría D corresponde a suelos sin desarrollar y no tiene niveles especificados. La Categoría E corresponde a actividades interiores en zonas sin actividades exteriores importantes cerca de la carretera. La mayoría de las zonas sensibles al ruido corresponden a la Categoría B, para la que los valores límite (criterios) son un nivel sonoro equivalente de 1 hora de 67 dB(A) o un nivel percentillO de 70 dB(A). Estos criterios identifican impactos lo suficientemente severos como para que sea precisa una reducción del ruido. Estos criterios no son objetivos de diseño o niveles finales; hay que diseñar las medidas correctoras de forma que se obtenga una reducción sustancial de los niveles previstos. La frase «se acercan o superan» no se define en las normas. Muchas agencias de transporte estatales consideran que niveles equivalentes de 1 hora de entre 65 y 67 dB(A) son lo suficientemente altos como para que se necesite una reducción del ruido en el caso de las actividades de la Categoría B. 5. Evaluación de las medidas de reducción del ruido. Si se identifican impactos severos, la agencia estatal de transporte tiene que examinar los medios para reducirlos sustancialmente o eliminarlos. Estas instituciones suelen tener objetivos de TABLA 48.1.

Categoría de la actividad A

Valores límite (criterios de reducción) del ruido

L/ h

57 (exterior)

B

C

D E

Nivel percentil lO de lhora 60 (exterior)

67

70

(exterior)

(exterior)

72 (exterior)

(exterior)

75

52

55

(interior)

(interior)

Descripción de la categoría de la actividad Terrenos en que la serenidad y el silencio son de extraordinaria importancia y se utilizan para una necesidad pública importante y donde la conservación de estas cualidades es esencial si el área tiene que continuar sirviendo para este propósito Areas de acampada, áreas de recreo, patios de juego, áreas de deportes activos, parques, residencias, moteles, hoteles, escuelas, iglesias, bibliotecas y hospitales Terrenos desarrollados, propiedades o actividades no incluidas en las Categorías A o B anteriores Areas no desarrolladas Residencias, moteles, hoteles, centros públicos de reunión, escuelas, iglesias, bibliotecas, hospitales y auditorios

48.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

reducción de niveles sonoros con ponderación A de 5 a 10 dB(A); estos valores pueden estar en función de los niveles existentes y finales y de las condiciones específicas del lugar. Las normas de la Federal Highway Administration establecen que debe darse una consideración especial a los impactos exteriores siempre que se produzca una actividad ciudadana frecuente o allí donde una reducción del nivel resulte beneficiosa. Las agencias de transporte estatales deben: (1) considerar las opiniones de los residentes que reciben el impacto; (2) identificar en la documentación ambiental las medidas de reducción de más probable incorporación en el proyecto, así como los impactos para los que no haya solución aparente, y (3) incluir las medidas de reducción en los planes y especificaciones del proyecto aprobado.

Medidas de reducción del ruido que pueden acogerse a financiación federal

La financiación federal puede utilizarse para medidas de reducción del ruido cuando: (1) los impactos han sido identificados, (2) las medidas reducirán los impactos y (3) los beneficios de la reducción superan los efectos negativos y los costes de las medidas. Para ser candidata a financiación de Tipo n, el área afectada ha tenido que ser calificada para el desarrollo de su uso actual antes del 14 de mayo de 1976. Sin embargo, si la autoridad local ha tomado medidas desde entonces para ejercer un control sobre el uso del suelo a lo largo de las áreas sin desarrollar restantes a lo largo de las autopistas, los usos sensibles designados después de esta fecha pueden acogerse a financiación de Tipo n. Hay que examinar los siguientes tipos de medidas de reducción del ruido que pueden ser seleccionadas para financiación federal: • • • •

Construcción de barreras contra el ruido, incluida la adquisición del suelo. Alteración de la alineación horizontal o vertical de la carretera. Adquisición de suelo para zonas de amortiguamiento. Medidas de control del tráfico para prohibir ciertos tipos de vehículos, limitar las horas de uso o modificando los límites de velocidad. • Aislamiento acústico de los edificios públicos o sin fines lucrativos. En situaciones con impactos severos en que las estrategias anteriores sean físicamente imposibles o poco razonables económicamente, pueden proponerse otras estrategias, como la insonorización de viviendas privadas.

Información para las administraciones locales

Un objetivo de las evaluaciones del ruido del tráfico en proyectos de nuevas autopistas es evitar los impactos futuros del ruido sobre áreas todavía sin desarrollar cercanas al proyecto. La Federal Highway Administration (FHW A) requiere que la agencia estatal de transporte aporte a las autoridades locales correspondientes: (1) los niveles futuros en función de la distancia a la carretera y (2) información sobre la compatibilidad de usos del suelo.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.7

Ruido de la construcción de autopistas

La FHWA no tiene criterios cuantitativos específicos para limitar el ruido durante la construcción de las autopistas. Algunas agencias estatales de transporte utilizan los valores límite (criterios de reducción) del ruido del tráfico (Tabla 48.1) como directrices para evaluar el impacto durante la construcción. En esta evaluación, hay que llevar a cabo los siguientes pasos: 1. Identificar las áreas que pueden verse afectadas por el ruido durante la cons-

trucción de autopistas. 2. Determinar las medidas para minimizar o eliminar los impactos adversos del ruido de la construcción, sopesando los beneficios frente a los efectos negativos y los costes. 3. Incorporar estas medidas en los planes y especificaciones del proyecto. La FHWA posee un modelo computarizado (HICNOM) utilizado para predecir el ruido de la construcción y evaluar las medidas para su reducción4 .

CARACTERISTlCAS DEL RUIDO DE VEHICULOS AISLADOS El tráfico de autopista consiste en un gran conjunto de vehículos de distintos tipos, clases, marcas y modelos, cuya proporción relativa (mezcla) depende del tipo de autopista y de la hora del día, entre otros factores. Al evaluar mediante cálculos el ruido de autopista, es aceptable y conveniente asumir que hay tres categorías principales de vehículos: automóviles, camiones medios y camiones pesados. Las características del ruido de estas tres clases de vehículos son necesarias para calcular los niveles de ruido de la autopista.

Camiones pesados

El ruido producido por un camión pesado en una autopista es una función de su régimen de funcionamiento. Por tanto, una descripción completa del ruido del camión requiere el conocimiento de su ciclo típico de funcionamiento y de los niveles que produce en cada una de las partes del ciclo. El ruido del camión puede considerarse como producido por dos fuentes principales, mutuamente independientes: el sistema de propulsión y las ruedas. El sistema de propulsión incluye el motor, escape, entrada, ventilador y otros equipamientos auxiliares en el compartimento del motor. El ruido del sistema de propulsión depende de la velocidad del motor seleccionada para el funcionamiento del camión en cada marcha. La Figura 48.1a muestra la relación entre el nivel sonoro con ponderación A y la velocidad del motor; esta relación es independiente de la velocidad del vehículo. La variación del nivel sonoro a lo largo de la aceleración en una marcha determinada puede ser 20 dB o más, pero bajo las típicas condiciones de carretera, el intervalo de variación será muy inferior a éste, del orden de

48.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO (/)

.Q

.2 Qj .o

Qj

5·ü9or---------~~----,

<>~ c:

eo

CI>

~~

Qj

:2

.~ ~

z

~

80

-1 1 021 631 041

marcha marcha marcha marcha

~70L---~~--~--~--~

c: 1000 2000 3000 4000 g, Velocidad del motor en rpm

c:

:e

S¡¡¡

90 .-:-r-T'í-'T----"i'---'=;:---=r:~ríñ ~--,f'--

e~

¿~~l'. ,d' , g CI> .. ~: / 0<80 '/~~ en e

!O'

Qj:2

V'

z

~G

rt ~~ :¡; 70 LL-______J------li---J.__..,-L----..I

.~ ¡ij

-g g,

10

20 30 40 60 80 Velocidad del vehrculo en km/h

FIGURA 48.1. (a) Ruido de camión diesel en función de la velocidad del motor del vehículo en revoluciones por minuto. (b) Nivel de ruido de camión diesel en función de la velocidad del vehículo. Todas las mediciones a una distancia de 7,5 m (25 ft)5.

10 dB. El nivel sonoro máximo en cada caso está asociado con las máximas revoluciones por minuto del motor. La Figura 48.1b muestra la variación del nivel sonoro con ponderación A producida por un vehículo acelerando en función de su velocidad. No hay relación entre el nivel sonoro y la velocidad del vehículo, salvo indirectamente, a través de la transmisión de marchas, con el resultado de que el nivel sonoro producido por el sistema de propulsión es efectivamente independiente de la velocidad del vehículo. El ruido de rodadura se origina por la interacción entre las ruedas y la superficie de la carretera. Es debido a una combinación de la vibración de la carcasa y del mecanismo de atrapar y posteriormente liberar aire entre las huellas del neumático. Por tanto, los niveles sonoros están relacionados con la velocidad del vehículo. La relación de aumento del nivel sonoro con ponderación A con la velocidad del vehículo es aproximadamente la misma para la mayoría de los tipos y diseños de neumáticos, y es de aproximadamente 10 a 12 dB(A) por cada duplicación de la velocidad. Dado que el nivel máximo de ruido producido por el sistema de propulsión es constante con la velocidad del vehículo, pero el ruido de rodadura aumenta con la velocidad, existe una velocidad por encima de la cual el ruido de rodadura se hace predominante. El nivel sonoro producido por la rodadura a una velocidad determinada es función del tipo de neumáticos; esta velocidad crítica varía por lo tanto entre las diferentes clases de camiones, de acuerdo con el tipo y número de ruedas en el vehículo, incluido el remolque. Habitualmente, sin embargo, esta velocidad crítica está por encima de aproximadamente 48 kmlh (30 mph), de manera que a velocidades inferiores el nivel sonoro global del ruido del camión está dominado por la contribución del sistema de propulsión. Además de parámetros tales como la velocidad del vehículo y revoluciones por minuto del motor, el ruido producido por un camión también depende de la carga estimada que puede remolcar. Un camión diseñado para remolcar grandes cargas requiere un motor más potente que otro diseñado para cargas menores, si ha de mantener una adecuada flexibilidad en su funcionamiento sobre la carretera. No hay una relación exacta entre los caballos de potencia máximos del motor y el nivel sonoro asociado, debido a la relación compleja de ambas cantidades con el tamaño y velocidad del motor y los efectos de añadir turbocargadores, etcétera. Por ejemplo, un motor más potente puede (bajo determinadas circunstancias) producir me-

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.9

nos ruido que otro menos potente. El nivel sonoro producido por un camión también depende, en cierta medida, de su mantenimiento, sobre todo por lo que respecta al sistema de escape, lo cual complica más aún su relación con los caballos de potencia. Al aumentar la capacidad de carga, existe una tendencia general de cambio de los motores de gasolina, más silenciosos, por los motores diesel, más ruidosos, de manera que el efecto global es la tendencia hacia niveles de ruido más altos para cargas más altas. Para un camión determinado, el efecto de las distintas cargas sobre el ruido producido depende del régimen de funcionamiento. A plena aceleración, el motor funciona en carga; un aumento de la carga simplemente alarga el tiempo que tarda el camión en alcanzar determinada velocidad, pero no afecta significativamente al nivel sonoro máximo. A velocidad constante en carretera, el nivel sonoro varía ligeramente con la carga, debido a que, bajo estas condiciones, la carga sobre el motor viene determinada (en gran medida) por la resistencia a la rodadura, que depende de la carga sobre el eje. La única condición en que puede esperarse un cambio importante en el nivel sonoro debido al aumento de carga es en una rampa cuesta arriba, donde es preciso un aumento de torque para compensar el componente aumentado del peso del camión. Sin embargo, es habitual que los conductores de camión operen a potencia máxima, es decir, a la velocidad calibrada para el motor, siempre que sea posible, de manera que el aumento de carga suele dar como resultado una reducción en la velocidad del vehículo y no necesariamente un nivel sonoro más alto. Esta característica típica de la conducción reduce así significativamente el efecto de la carga sobre los niveles sonoros de los camiones.

Niveles de ruido de los camiones pesados

La norma J366b 6 de la Society of Automotive Engineers (SAE) se utiliza en EE.UU. para medir los niveles de emisión de ruido de los camiones. Los niveles sonoros medidos durante el funcionamiento típico en una autopista suelen ser ligeramente inferiores a los obtenidos por este procedimiento normalizado de ensayo, debido a que la norma SAE mide la emisión de ruido a plena aceleración [la Ecuación (48.9) muestra los niveles sonoros medidos durante el funcionamiento típico en autopista]. Los resultados de muchas mediciones del ruid0 7,8 muestran las siguientes relaciones aproximadas para el nivel sonoro medio con ponderación A (promediado sobre la potencia del parque de camiones) en función de la velocidad del camión:

Ruido del sistema de propulsión de camiones v < 56 kmlh (35 mph)

LA = 82,4 dB(A) LA

= 83,6 + 6 10glO(v/88)

db(A) v

donde v es la velocidad del camión.

~

56 kmlh (35 mph)

(48.1a) (48.1b)

48.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Ruido de rodadura de camiones LA

= 85,2 + 40Iog10(v/88)

(48.2)

donde v es la velocidad del camión en km/h. Ruido combinado del sistema de propulsión y rodadura

v < 48 kmlh (30 mph)

(48.3a)

db(A) v ~ 48 kmlh (30 mph)

(48.3b)

LA = 83,6 dB(A) LA

=

87,5 + 20IoglO (v/88)

donde v es la velocidad del camión. La Tabla 48.2 muestra los espectros de sonido de camiones para circulación en autopista para dos velocidades.

Automóviles

El ruido producido por los automóviles es distinto al producido por los camiones, tanto en magnitud como en espectro. Es conveniente considerar el ruido como si fuera producido por dos fuentes independientes: el sistema de propulsión y la rodadura. Las distintas fuentes de ruido asociadas con el sistema de propulsión incluyen motor, escape, entrada, ventilador y la bomba de aire precisa para el cumplimiento de las normas de emisión del motor. Su combinación produce un nivel sonoro que es función de la velocidad del motor, como ilustra la Figura 48.2a. Estos datos muestran que el nivel sonoro con ponderación A es relativamente independiente de la velocidad del vehículo, pero varía aproximadamente según el factor 50 log (velocidad del motor). De una manera algo distinta, la Figura 48.2b muestra aproximadamente la misma relación, en una gráfica del nivel sonoro con ponderación A producido por el mismo automóvil en función de la velocidad del vehículo. En este caso, el parámetro es la marcha en que el vehículo está funcionando. Los datos se muestran como un conjunto de curvas que ilustran una dependencia primaria entre el nivel sonoro y la velocidad del motor, en lugar de la velocidad del vehículo. Durante el funcionamiento real, el nivel sonoro aumenta al aumentar la veTABLA 48.2. Niveles de presión sonora de banda de octava típicos en decibelios para camiones pesados, correspondientes a dos velocidades de circulación, medidos a 1,2 m por encima del suelo a una distancia de 15 m

Frecuencia central de banda de octava, Hz Velocidad del vehículo 56kmlh (35 mph) 88 kmlh (55 mph)

Nivel sonoro con ponderación A db(A)

U5

250

500

1000

2000

4000

87

84,5

81,5

78

74,5

70,5

83,5

87,5

85

87,5

82,5

77

73,5

87,5

-

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

3000

4000

48.11

6000

Velocidad del vehículo en rpm

FIGURA 48.2. (a) Niveles de ruido de automóvil en función de la velocidad del motor para un vehículo de transmisión manual. (b) Niveles de ruido de automóvil en función de la velocidad del vehículo. Todas las mediciones realizadas a una distancia de 7,5 m (25 ft)s.

locidad del vehículo, según un patrón de dientes de sierra característico, a medida que la relación de transmisión de las marchas cambia progresivamente, desde la inferior hasta la superior. La interacción entre las ruedas y la carretera (sobre la que circula el vehículo) produce ruido de la misma manera que las ruedas de camión. El nivel sonoro resultante es función de la velocidad del vehículo. El aumento en los niveles de ruido de las rodadura al hacerlo la velocidad del vehículo es la razón para la expansión de los niveles sonoros con ponderación A que muestra la Figura 48.2a, en función de la velocidad del motor. En esta ilustración, la diferencia entre los niveles sonoros medidos a 48 kmlh Y a 128 kmlh (30 mph y 80 mph, respectivamente) es de forma consistente unos 2 o 3 dB de cada velocidad del motor; en parte, esto puede atribuirse a la contribución de la rodadura.

Niveles de ruido de los automóviles

La norma J366b9 de la Society o[Automotive Engineers (SAE) se utiliza en EE.UU. para medir los niveles de emisión de ruido de los automóviles. Aunque estos procedimientos de ensayo miden el nivel sonoro máximo o próximo al máximo, no son representativos del ruido real en autopista, porque los automóviles no suelen funcionar a plena aceleración. Por ello, otros procedimientos de ensayo representarían mejor el ruido típico circulando en autopista. [La Ecuación (48.7) predice los niveles de ruidos de automóviles circulando sobre autopistas reales.] Las dos fuentes principales del ruido de un automóvil, descritas anteriormente, se combinan de la siguiente manera: a velocidades del vehículo bajas, el sistema de propulsión determina la contribución principal al nivel global de ruido, sobre todo en aceleración rápida. A velocidades del vehículo altas, la interacción entre los neumáticos y la calzada es la principal contribución. Si el vehículo circula a una velocidad suficientemente constante, o si se mueve a una tasa baja de aceleración, los ni-

48.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

veles sonoros típicos con ponderación A (promediados sobre la base de la potencia sonora del parque de automóviles) son los siguientes: Ruido del sistema de propulsión de automóviles

= 67,4 + 23log (v/88)

LA

dB(A)

(48.4)

dB(A)

(48.5)

Ruido de rodadura de automóviles

= 71,4 + 32log (v/88)

LA

Ruido combinado del sistema de propulsión y rodadura LA

= 71.4 + 32log (v/88)

dB(A)

(48.6)

donde v es la velocidad del vehículo en km/h. Los espectros de ruido de automóviles, para una circulación habitual en autopista para dos velocidades, se presentan en la Tabla 48.3.

PREVISION DEL RUIDO DEL TRAFICO DE AUTOPISTAS La Federal Highway Administration (FHWA) ha desarrollado un modelo de previsión del ruido del tráfico de autopista2 • Este modelo combina las características de otros métodos anteriores, como el método del Informe 117 del Transportation Research Board's National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) (revisado por el Informe NCHRP 144), la guía de diseño revisada en el Informe NCHRP 174 y el programa USDOT del Centro de Sistemas de Transporte. Existen varios procedimientos para usar el modelo FHW A, incluidos un manual de método de cálculo, gráficos y programas de ordenadores. Además, los algoritmos del modelo pueden adaptarse para la programación en hojas de cálculo de microordenadores. TABLA 48.3.

Niveles de presión sonora de banda de octava típicos en decibelios para automóviles, correspondientes a dos velocidades de circulación, medidos a 1,2 m por encima del suelo a una distancia de 15 m Frecuencia central de banda de octava, Hz

Velocidad del vehículo 56 km/h (35 mph) 88 kmlh (55 mph)

Nivel sonoro con ponderación A db(A)

U5

250

500

1000

2000

4000

65

61

62

61

57

53

65

71

68

66

68

66

60

72

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.13

Características y limitaciones del modelo de la FHWA

El modelo FHWA predice el nivel sonoro equivalente de 1 hora para un flujo de vehículos circulando a lo largo de una línea infinitamente larga. Los algoritmos se basan en la determinación de una serie de correcciones con respecto a un nivel sonoro de referencia. Este nivel de referencia se sitúa a una distancia de 15,2 m (50 ft) de un vehículo aislado que circula a lo largo de una carretera recta infinitamente larga, sin apantallamiento de la fuente. A continuación se realizan correcciones en función del flujo total de tráfico, la distancia real del punto receptor a la carretera, la extensión del segmento de carretera que se está considerando, el tipo de cubierta del suelo entre la fuente y el receptor, cualquier pantalla en la fuente y, si es aplicable, la pendiente de la carretera. Las correcciones tienen un formato ligeramente distinto a las presentadas en el Capítulo 3, pero son equivalentes. El modelo FHWA se basa en un tráfico que fluye libremente, circulando a velocidad constante entre 50 y 100 km/h (30 Y60 mph). Se ha desarrollado por separado un procedimiento para tráfico a velocidad no constante. El parque de vehículos se divide en tres tipos: (1) automóviles (vehículos de dos ejes y cuatro ruedas), (2) camiones medios (vehículos de dos ejes y seis ruedas) y (3) camiones pesados (tres o más ejes). Para usar el modelo FHWA, se necesitan: (1) las intensidades de circulación de cada tipo de vehículo por hora (para la hora que se está considerando), (2) la velocidad media de circulación de cada tipo de vehículo y (3) la(s) distancia(s) entre la carretera y el (los) punto(s) receptor(es). Habitualmente, se elige un año horizonte correspondiente a 20 años después de la finalización del proyecto, y los planificadores de transporte proyectan el tráfico futuro. Si se trata de una infraestructura con carriles múltiples, puede modelizarse como una serie de carreteras paralelas, cada una de ellas representando uno o más carriles. Por lo general, como mínimo, el conjunto de carriles para cada sentido de circulación se modeliza como una carretera separada, sobre todo si la autopista tiene pendientes o si los carriles están separados por una mediana.

Niveles medios de emisión de referencia (media energética)

El valor inicial que hay que calcular para cada tipo de vehículo (i) es el nivel medio de emisión de referencia [(Lo)E];. Este nivel es una función dependiente de la velocidad de la media energética de los niveles máximos al paso medidos a una distancia de referencia de 15,2 m (50 ft) para un tipo de vehículo determinado. Los niveles nacionales medios de emisión de referencia en EE. UU. son2: (48.7)

• Automóviles

(Lo)E = 38,llog (v) - 2,4 db(A)

• Camiones medios

(Lo)E

=

33,9log (v) + 16,4 db(A)

(48.8)

• Camiones pesados

(Lo)E

=

24,610g (v) + 38,5 db(A)

(48.9)

donde v es la velocidad media de circulación en km/h. Si una agencia estatal de transporte quiere determinar mediante mediciones sus propios niveles medios de emisión de referencia, tiene que seguir el procedimiento prescrit03 •

48.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Corrección por intensidad de tráfico

Con el fin de tener en cuenta la intensidad total horaria del tipo de vehículo y el nivel equivalente en el período de tiempo de una hora, se realiza un ajuste (Lltráfico)i en el nivel medio de emisión de referencia: dB(A) donde Ni do

= = Vi =

(48.10)

intensidad horaria de vehículos de tipo i, vehículoslhora distancia de referencia de 15,2 m velocidad del tipo de vehículo i, kmlh

En el sistema inglés de unidades, la distancia de referencia es 50 ft, la velocidad es en mph y el término constante es -32,2 db(A).

Corrección por distancia

Por lo general, las previsiones del ruido del tráfico se realizan en puntos en los que suele existir algún tipo de actividad. Por ello es necesario un ajuste de los niveles medios de emisión de referencia obtenidos en las Ecuaciones (48.1), (48.2) Y(48.3), estimados para una distancia de referencia de 15,2 m. Al calcular el ajuste, se considera el tipo de cubierta del suelo. En espacios abiertos o sobre una superficie dura como la de un aparcamiento pavimentado, el nivel sonoro equivalente de 1 hora para una serie de fuentes puntuales que se mueven a lo largo de una línea decrece 3 dB(A) por cada duplicación de la distancia desde la línea de tráfico. Sobre una superficie acústicamente blanda, el nivel sonoro medio decrece a una tasa más rápida que sobre una superficie dura; la diferencia es el exceso de atenuación del suelo. Los datos de campo muestran que la tasa media sobre superficies de hierba es de aproximadamente 4,5 dB(A) por cada duplicación de la distancia. La Federal Highway Administration ha utilizado estos dos valores, 3 y 4,5 dB(A), para desarrollar un parámetro de tipo de suelo denominado factor alfa (a). Para suelos duros, el factor alfa tiene un valor de 0,0; para suelos blandos es 0,5. Una expresión general de la corrección por distancia es Lldistancia = 10 (1 + a) log (dcld)

(48.11)

donde d es la distancia perpendicular desde el receptor hasta el centro del carril (o la prolongación de este carril, si todo el segmento de carretera analizado está localizado a un lado del receptor). Si una agencia estatal de transporte tiene datos para justificar otros valores de atenuación por el efecto suelo, pueden calcularse otros factores alfa a partir de la Ecuación (48.11). Los factores alfa se utilizan en los programas de ordenador de la FHW A para especificar los factores de propagación. La Tabla 48.4 aporta directrices sobre cuándo utilizar los valores de propagación de 3,0 y 4,5 dB. La Situación 1 corresponde a una fuente o un receptor elevados, en que el ángulo entre el rayo directo y la imagen del rayo reflejado sobre el suelo es demasiado agudo para producir el exceso de atenuación del suelo. La Si-

48.15

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

TABLA 48.4.

Directrices para la elección de las tasas de propagación del sonido

Tasa de propagación dB(A)

Situación 1. Todas las situaciones en que la fuente o el receptor están

localizados 3 m por encima del suelo, o siempre que, de media, la línea de visión* esté a más de 3 m por encima del suelo 2. Todas las situaciones que implican propagación sobre la parte superior de una barrera de 3 m o más altura. 3. Donde la altura de la línea de visión sea inferior a 3 m y a) Hay una visión clara (no obstruida) de la autopista, el suelo es duro y no hay estructuras intervinientes b) La vista de la carretera está interrumpida por edificios aislados, grupos de arbustos o árboles esparcidos, o el suelo es blando o está cubierto de vegetación

3

(a = O)

3 (a = O)

3 (a = O)

4,5 (a = 112)

• La línea de visión (US) es una línea directa entre la fuente de ruido y el receptor.

tuación 2 corresponde a barreras acústicas. Simplificando, el modelo asume que, al igual que en la Situación 1, la fuente se eleva hacia la parte superior de la barrera y entonces está demasiado alta como para producir el exceso de atenuación del suelo mediante el rayo reflejado en el suelo. Las Situaciones 3a y 3b representan casos reales de suelos duros y blandos.

Corrección por segmento finito de carretera

La metodología considerada anteriormente asume que la carretera es infinitamente larga. En la práctica, para los análisis, las autopistas se dividen en una serie de segmentos rectos de longitud finita. Los niveles sonoros de 1 hora para todos los segmentos se calculan por separado y combinan al final del cálculo. Hay varias situaciones en que una carretera debe subdividirse para su análisis: 1. Cuando cambia la intensidad de tráfico o la velocidad (entre la carretera principal y una rampa de entrada o salida).

2. Cuando el tipo de cubierta del suelo cambia significativamente. 3. Cuando se ha modelizado una carretera con curvas mediante segmentos rectos. 4. Cuando cambia la pendiente de la carretera. La corrección por segmento finito de carretera depende del tipo de suelo y se define como 4>2

.lsegmento =

10 log

I

4>1

(lhr)(cos <1»" d

(48.12)

48.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

donde <1>1 y <1>2 son ángulos en radianes con vértice en el receptor, como ilustra la Figura 48.3; <1>1 es el ángulo en el extremo de la «izquierda» y <1>2 es el ángulo en el extremo de la «derecha». Si los ángulos se miden en la dirección contraria a las agujas del reloj desde la línea normal, se les asigna valores negativos; si se miden en dirección a las agujas del reloj, valores positivos. Para un suelo duro, la Ecuación (48.12) se reduce a: radianes

(48.13)

Para un suelo blando, la Ecuación (48.12) debe resolverse mediante integración numérica. Para el caso general de un suelo blando y una carretera «infinitamente» larga (donde <1>1 es -7r/2 radianes y <1>2 es 7T/2 radianes), este ajuste es -1,2 dB(A).

Corrección por rampa

La Federal Highway Administration recomienda que los niveles equivalentes de 1 hora para camiones pesados se aumenten en función de la pendiente de la carretera de la siguiente manera: 1. O a 2 por 100: Agr

-----

A

= OdB(A) Segmento de carretera

B

,-----

-----~-----

Receptor (a)

A

Segmento de carretera

B

r:;:::::=========t:-- - - - - - :. ==:

Receptor (b)

FIGURA 48.3. Angulas en el receptor en función de los extremos de la carretera. (a) En sentido contrario a las agujas del reloj son negativos, en sentido de las agujas del reloj son positivos; (b) medidos desde la línea normal a la prolongación del segmento.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.17

2. 3 a 4 por 100: fl gr = +2 dB(A) 3. 5 a 6 por 100: fl gr = +3 dB(A) 4. Más del 7 por 100: fl gr = +5 dB(A)

Apantallamiento mediante edificios

La reducción del nivel sonoro debida a la presencia de una o más filas de casas entre el punto de estudio y una carretera (flap) puede estimarse mediante la siguiente regla empírica2 : Si entre el 40 y el 65 por 100 de la longitud de la primera fila está ocupado por edificios, se restan 3 dB(A) del nivel sonoro medio. Si entre el 65 y el 90 por 100 de la longitud de la primera fila está ocupado por edificios, se restan 5 dB(A) del nivel sonoro medio; si el porcentaje supera el 90 por 100, los edificios pueden modelizarse como barreras acústicas. Cada fila sucesiva de edificios añade 1,5 dB(A) a este ajuste, hasta una reducción máxima de 10 dB(A). Cualquier influencia de la atenuación del suelo termina en la primera fila.

Apantallamiento mediante un área arbolada

Un segundo tipo de apantallamiento (también denominado flap) puede originarse por una zona de árboles situada entre la carretera y el receptor, lo suficientemente densa como para no permitir una visión directa de la carretera. Para un cinturón de 30 m (100 ft) de anchura, la Federal Highway Administration recomienda una corrección de -5 dB(A); para 30 m (100 ft) adicionales en la anchura del cinturón, otra corrección adicional de -5 dB(A), hasta un total de -10 dB(A). Cuando se utiliza este ajuste, las correcciones correspondientes a distancia y segmento finito deben basarse en un factor de propagación de 3 dB(A) por cada duplicación de la distancia desde la línea fuente.

Atenuación de barreras

En el modelo de la Federal Highway Administration (FHW A), la atenuación de barrera (flbarrera) se calcula mediante el uso separado de un modelo incoherente de la fuente línea para cada tipo de vehícul02 • Se calculan las atenuaciones para una serie de vías de propagación, definidas mediante los ángulos sobre la línea perpendicular entre la fuente y el receptor, y los resultados se combinan mediante integración numérica. Habitualmente, este cálculo se realiza mediante un programa de ordenador como el FHWA STAMINA. Para situaciones relativamente sencillas, se utiliza un gráfico, como se comenta en la sección «Gráfico de atenuación de barreras para suelos blandos». Para los cálculos de diferencia de longitud de la vía de propagación, se asumen las siguientes alturas de la fuente por encima de la carretera: (1) automóviles, O m (o ft); (2) camiones medios, 0,7 m (2 ft), y (3) camiones pesados, 2,44 m (8 ft); la altura que suele utilizarse para los receptores en exteriores es 1,5 m (5 ft). El número de Fresnel para fuentes de ruido de tráfico puede calcularse para una

48.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

longitud de onda de 0,62 m (2,0 ft), que corresponde a una frecuencia de 550 Hz. Mientras el ruido del tráfico tiene un espectro ancho, las mediciones y cálculos de campo han demostrado que el uso de esta longitud de onda para el cálculo del número de Fresnel determina atenuaciones dentro de un margen de error de 1 dB de la atenuación medida o calculada, basada sobre el espectro global con ponderación A 2.

Niveles sonoros totales

El nivel equivalente total de 1 hora correspondiente a cada tipo de vehículo [(L eq );] se calcula sumando aritméticamente al valor de referencia las distintas correcciones: (48.14)

+ (áapantaUamiento)¡ + (ábarrera)¡ Los niveles de 1 hora correspondientes a automóviles, camiones medios y camiones pesados pueden combinarse para obtener el nivel total utilizando la Figura 1.14. Cuando se consideran varias carreteras o segmentos de ellas en el mismo receptor, se combinan los niveles equivalentes de 1 hora para cada carretera, utilizando la Figura 1.14. También hay que destacar que no existe una correspondencia de uno a uno entre los términos de atenuación de la Ecuación (48.14) para una fuente puntual y los descritos en el Capítulo 3 para una fuente lineal. Esto se debe a que los distintos mecanismos de atenuación se conjugan de forma distinta en los dos capítulos; sin embargo, son equivalentes.

Pérdida por inserción

La pérdida por inserción IL de una barrera se define como IL

= Lantes -

Ldespués

donde Lantes es el nivel sonoro equivalente de 1 hora sin la barrera y Ldespués es el mismo descriptor una vez colocada la barrera. Para suelos blandos (o: = 0,5), se utiliza un factor alfa de 0,0 [véase Ecuación (48.5)] para calcular Ldespués para el segmento de carretera apantallado respecto del receptor mediante la barrera. Así, una barrera no aportará pérdida por inserción hasta que su atenuación supere la pérdida de atenuación del suelo debida a la colocación de la barrera. El Capítulo 3 considera en detalle el cálculo de la pérdida por inserción de una barrera para una fuente puntual.

Gráfico de atenuación de una barrera para suelos blandos

La Figura 48.4 es un gráfico que puede utilizarse para determinar la pérdida por inserción de una barrera contra el ruido del tráfico, para un lugar acústicamente blando. Se asume que los vehículos circulan sobre una carretera en una línea infinita-

us

¡

.

-'

~

l-t'!J:j

~-

kt

200

111- tt1 .. -60

m-~

g

o:

300

400

500

600

~

Proyecto:

L'5

~

I

,

~

I f

I • "

~

"''',,'1.'

fOI"'ltl

FIGURA 48.4.

,

ª

~

I

,

! !

~ ~~!E ~§~~elros

M

Metros

1, I , l . I

I

~ ~

I

I

,3.4.5.6

I

I

,7

I

superior de la barrer. son

Fecha:

Ingeniero:

l•• barrer•• finit •• , ... cual ••• su posición, • -s/2. t.• . !l/2

3. El gráfico convierte toda.

son 4.5 dS/DD.

alrededor d. loa extremos

2. Las pérdida. da lo. ese.pes

3 dS/DD.

I

I. I I. II

I

•

,

•

Angula - --- ~ subtendido

m§]

Grados

I dBA

8'8;;'8r'_<=._-::::::::::::;::--_=

infinita

11111111111111111111 111111 11 nllllllll

!

1. Las pérdida. sobre la parte

Supuestos;

~~9uro-subtendidoJ

GE1

I

I Atenu89ón de la barrera. , 2 3 4 56789'011'2'314'5'617'8'920

Gráfico de pérdida por inserción de barrera para un lugar blando 2 •

g~~g~ª

1, I

I Posiclon de fa barrera I

lIS

Metros

'0

EffHW~

ctff:,q,~IJII,IJII,II.l.II.l.II,I.I.l.I,I~

F-.¡;¡"

..

,.'

e

0

u

Gráfico de barreras

...

f--.

":~.. -

O

~rlm -- - . ,-

~l

t=::GIITl·

o

.!::

~I '~"

-

10

D

~

Descripción de la barrera:

Metros

'0

20

30

40

50

60

80

'00

200

300

400

500

600

-o ::ti

m

...

CD

~

Ul

>

-o üi

-i O

e

l>

O

O

o

e

::ti

r O m r

O

::ti

Z -i

O

n

-<

z

(5

üi

<

m

48.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROl. DEL RUIDO

mente larga; la barrera es paralela a la carretera. El gráfico se basa sobre un factor alfa de 0,5 para el sonido que se propaga más allá de los extremos de la barrera y un factor alfa de 0,0 para el sonido que se propaga sobre la parte superior de la barrera. Se asume que las barreras finitas se extienden indefinidamente en una dirección. Los esquemas denominados como «Secciones» en la Figura 48.4 son útiles para identificar las variables importantes. La pérdida por inserción puede determinarse de la siguiente manera: Paso 1. Se localizan los puntos de situación de la fuente, el receptor y la parte superior de la barrera sobre un corte transversal del lugar; se dibuja una línea de la fuente al receptor; se mide la longitud de esta línea, denominada «LIS», en metros. Paso 2. Se dibuja una línea perpendicular desde la parte superior de la barrera hasta la línea LIS. Se mide la longitud de esta línea, denominada «Altura eficaz de la barrera», en metros. Paso 3. Se mide, en metros, el más corto de los dos segmentos sobre la línea LIS creada por la intersección con la línea «Altura eficaz de la barrera». Se denomina «Posición de la barrera» a esta longitud. Paso 4. En el lado izquierdo del gráfico, se marca la longitud LIS sobre la escala del mismo nombre y se dibuja una línea desde este punto, a través del punto adecuado en la escala «Altura eficaz de la barrera «, hasta la línea «Giro B». Paso 5. Sobre la parte inferior del gráfico, se dibuja una línea desde el punto adecuado en la escala LIS, a través del punto adecuado en la escala «Posición de la barrera», hasta la línea «Giro A». Paso 6. A partir de los puntos determinados en los Pasos 4 y 5, se traza una línea horizontal desde la línea «Giro B» y otra vertical desde la línea «Giro A» hasta determinar el punto de intersección. Paso 7. Desde el punto de intersección, se siguen las líneas curvas hasta la línea «Giro C». Paso 8. Se dibuja una línea desde Giro C hasta el punto adecuado sobre la escala LIS cortando la línea «Pivot». Paso 9. Se procede horizontalmente desde la línea «Pivot» hasta la línea curva adecuada que representa el ángulo en el receptor ocultado por la barrera (en planta) Paso 10. Para la obtención del valor final, se procede verticalmente desde la línea curva hasta la línea «Atenuación de la barrera». Este valor es realmente la pérdida por inserción, asumiendo un suelo blando, correspondiente al tipo de vehículo que se está considerando.

Por ejemplo, consideremos una barrera infinitamente larga, a 4,0 m (13,1 ft) de altura, localizada a 13,5 m (44,4 ft) del centro de un carril único por el que sólo circulan automóviles (altura de la fuente, m), para un receptor localizado a 48,2 m

°

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.21

(158,1 ft) de una barrera a una altura de 1,5 m (4,9 ft) sobre la carretera. De acuerdo con la Figura 48.4, la pérdida por inserción resultante es de aproximadamente 13 dB(A). Para predecir el nivel sonoro medio resultante para este tipo de vehículo, se usa esta pérdida por inserción el término (ábarrera) en la Ecuación (48.14), con el término (á segmento) fijado en -1,2 dB (suelo blando).

PROGRAMAS DE ORDENADOR El método para previsión de ruido de la Federal Highway Administration se ha incorporado dentro de los siguientes programas de ordenador:

SNAP 1.1 10

El modelo informático SNAP 1.1 es para geometrías relativamente sencillas, hasta un total de doce carreteras y una barrera. Las carreteras y la barrera han de tener cotas de elevación constantes (pero no necesariamente igual). Una ventaja de este programa es su salida detallada. Se presentan los resultados totales, con y sin barrera, así como los niveles sonoros de las contribuciones separadas de los segmentos de la(s) carretera(s) protegidos y desprotegidos (en planta) por la barrera. Los resultados también están desglosados por tipo de vehículo.

STAMINA2.0 11

La mayoría de las agencias estatales de transporte utilizan el STAMINA 2.0 o algún derivado de este programa, junto con un programa de diseño de barreras contra el ruido denominado OPTIMA; en conjunto, estos dos programas son útiles para cualquier análisis detallado de un lugar que requiera un diseño de barreras. Este programa puede utilizarse para analizar zonas complejas de autopistas, con muchas carreteras, barreras y receptores. Cada carretera y barrera puede dividirse en muchos segmentos de línea recta. No es necesario que las carreteras y las barreras tengan altura constante, ni que sean paralelas entre sí. Las correcciones por rampa para camiones pesados se calculan automáticamente. El rango de velocidad permisible está entre 50 y 100 kmlh (30 a 65 mph si se trabaja con unidades inglesas). El usuario puede definir cinco tipos de vehículos adicionales además de los predefinidos: automóviles, camiones medios y camiones pesados. Las barreras contra el ruido pueden especificarse como absorbentes, reflectantes (sólo se calcula una reflexión), o colocadas sobre una estructura de la autopista (que permite que el sonido de otras carreteras pase bajo la barrera). Los resultados del programa ofrecen: (1) el nivel sonoro equivalente de 1 hora y el nivel percentil 10 correspondientes a cada receptor para la altura del segmento inicial de barrera, (2) los niveles sonoros para segmentos individuales de la carre-

48.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tera y (3) matrices de las contribuciones de la energía sonora de cada segmento de la barrera, en cada altura, para cada receptor.

Programa OPTIMA para diseño de barreras acústicas

El programa OPTIMA se utiliza para diseñar barreras contra el ruido sobre la base de la información que aporta el usuario, como el tipo de material de cada barrera. Los tipos de material,-,> incluyen hormigón, madera, acero, bloques de mampostería y diques de tierra. Asociados a éstos están los costes de la unidad en función de la altura. Este programa calcula las relaciones entre eficacia y coste que puede usar el analista para elegir un diseño que proporcione: (1) la mayor reducción del ruido (acumulada sobre todos los receptores) para un coste determinado o (2) el coste mínimo para una reducción del ruido determinada. Para cada conjunto de alturas de barrera elegido por el usuario, se calcula el nivel sonoro medio y la pérdida por inserción en cada receptor, y la contribución al nivel medio en cada receptor del ruido que pasa por encima de la barrera.

VELOCIDAD VARIABLE DEL TRAFICO

El modelo FHWA y los algoritmos incluidos en STAMINA se basan en la hipótesis de una velocidad constante del tráfico entre 50 y 100 km/h (30 y 65 mph, si se trabaja con unidades inglesas). Cuando la velocidad desciende por debajo del límite inferior, como puede suceder en rampas, cerca de las señales en autopistas arteriales, o cerca de las señales de stop, la aceleración y deceleración afectan al nivel sonoro medio. Los datos de campo han mostrado, por ejemplo, que los niveles sonoros de exposición medidos para camiones pesados acelerando eran aproximadamente 2 dB(A) inferiores a los niveles de exposición sonora a una velocidad de crucero constante de 96 kmlh (60 mph). para los primeros 275 m (900 ft) de aceleración12 . Los niveles medidos de exposición sonora de camiones pesados desacelerando, a 84 m (275 ft) del punto de parada, arrojaban un promedio de 8 dB(A) por debajo del nivel de crucero, y estaban 12 dB(A) por debajo del nivel de crucero a 44 m (145 ft) del punto de parada. La Referencia 12 incluye un procedimiento para utilizar el modelo de la FHW A y el STAMINA 2.0 en estas situaciones. El usuario define zonas de influencia en las áreas de cambio de velocidad. que son carreteras que van a modelizarse teniendo en cuenta que su nivel sonoro de emisión se ve afectado por la deceleración y/o aceleración del tráfico. El número de zonas que hay que modelizar y sus longitudes son una función del modo (aceleración o deceleración) y las velocidades antes y después del área del cambio de velocidad. También se presentan las velocidades equivalentes contantes para cada tipo de vehículo, que son velocidades derivadas que producirán el efecto deseado sobre el nivel sonoro equivalente de 1 hora en un punto cercano a la (s) zona (s) de influencia. También han de incluirse las longitudes de las colas de los vehículos en las señales de tráfico y de stop.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.23

Los resultados previstos muestran que a una distancia de 15,2 m (50 ft) desde la línea central del carril, el nivel sonoro medio en una zona de deceleración descenderá en aproximadamente 2 dB(A) por debajo del nivel en una zona de crucero, para una velocidad de aproximación de 48 kmlh (30 mph), y en aproximadamente 6 dB para una velocidad de aproximación de 96 kmlh (60 mph). En las zonas de aceleración, el nivel sonoro medio está aproximadamente 2 dB por encima del nivel de crucero, si la velocidad de crucero es de 48 km/h (30 mph), y 2 dB por debajo del nivel de crucero para una velocidad de crucero de 96 kmlh (50 mph). Las diferencias relativas con respecto a los niveles de crucero disminuyen cuando se introduce tráfico en dos direcciones y cuando aumenta la distancia entre el receptor y la carretera.

REFLEXIONES MUL TIPLES ENTRE BARRERAS PARALELAS Cuando las barreras del ruido se construyen a ambos lados de la carretera, o cuando la carretera está deprimida con muros de contención verticales, las reflexiones múltiples de las ondas sonoras entre los dos muros pueden reducir seriamente la pérdida por inserción que aportaría cada uno de ellos aisladamente. Esta reducción en la pérdida por inserción producida por las reflexiones múltiples se denomina degradación de la pérdida par inserción.

Teoría del rayo imagen

Consideremos dos muros paralelos con rayos sonoros desde: (1) la fuente real, (2) la primera imagen y (3) la segunda imagen de esta fuente. De acuerdo con la teoría del rayo imagen, estas fuentes imágenes están localizadas más allá del muro, en el lado opuesto de la carretera respecto al receptor que se estudia, asumiendo una reflexión especular. En efecto, se genera una serie de carriles imagen de tráfico paralelos a los carriles reales. En cada punto de reflexión sobre cada muro, para cada carretera imagen, la intensidad del sonido se reduce según los coeficientes de reflexión (la cantidad 1 menos los coeficientes de absorción) que describen desde el punto de vista de la absorción la superficie de los muros. La solución a este problema se facilita mediante un gráfico desarrollado por la Federal Highway Administratian (FHWA)13, que se basa sobre los siguientes supuestos: (1) la fuente es una línea de camiones pesados localizados a medio camino entre los muros paralelos, 2,44 m (8,0 ft) por encima de la carretera; (2) los muros tienen la misma altura; (3) los muros tienen el mismo coeficiente de reducción del ruido [el coeficiente de reducción del ruido (NRC) es la media aritmética de los coeficientes de absorción correspondientes a las bandas de octava de 250, 500,1000 Y 2000 Hz], Y (4) el coeficiente de reducción del ruido se aplica a la altura completa de cada muro. Para casos a nivel del suelo y elevados, la degradación de la pérdida por inserción es relativamente insensible a la altura de la barrera. Para el caso de carretera deprimida, la degradación tiende a aumentar al hacerlo la profundidad de la carretera, debido a que el receptor permanece a una altura constante por encima del bor-

48.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

de superior del muro de contención, que es distinto de los dos primeros casos. En todos los casos, el uso de material absorbente es muy efectivo para controlar el problema. La degradación tiende a aumentar a medida que se reduce la separación entre los muros y a medida que aumenta la distancia del receptor.

Reducción de la degradación de pérdida por inserción

El siguiente método puede utilizarse para reducir o eliminar la degradación de la pérdida por inserción producida por las reflexiones múltiples entre barreras acústicas paralelas.

Muros inclinados. Si un muro está inclinado hacia fuera (rotado desde la base), la localización de la primera imagen puede modificarse lo suficiente como para que las ondas sonoras de esta fuente no se reflejen hacia la carretera y se difracten sobre el muro próximo. Las imágenes posteriores podrían incluso no estar presentes, dependiendo de los ángulos de inclinación. Una inclinación de 5° a 15° suele ser efectiva para resolver este problema, pero puede plantear dificultades en la fabricación, instalación, construcción y mantenimiento.

EFECTOS ATMOSFERICOS EN LA PROPAGACION DEL RUIDO DEL TRAFICO

Las influencias del clima sobre la propagación del sonido en exteriores se describen en el Capítulo 3, aunque la mayoría de los modelos de predicción del ruido del tráfico ignoran estos efectos. Por ejemplo, una variación de 7 dB(A) en el nivel sonoro medio del tráfico puede producirse a distancias tan pequeñas como 38 m (125 ft) de la línea central de una carretera con tráfico denso 14 . A las distancias típicas de las viviendas en primera o segunda fila, los factores que afectan a la propagación del sonido incluyen: (1) velocidad del viento, (2) temperatura, (3) gradiente térmico, (4) gradiente de viento y (5) desviaciones típicas de los componentes del vector de la velocidad del viento 14 • Puede haber estratificación del viento y la temperatura y turbulencia en la atmósfera. Como resultado, las ondas sonoras pueden refractarse hacia arriba o hacia abajo, a medida que las ondas pasan a través de los distintos cambios de velocidad y temperatura. La consideración de los efectos atmosféricos es importante: (1) cuando se hacen mediciones que se van a usar para calibrar el impacto, (2) cuando se consideran los niveles para el peor caso en función de la hora del día (efectos de una inversión nocturna de temperatura) y (3) cuando se diseña una barrera contra el ruido en un lugar en que los vientos predominantes son de una sola dirección.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.25

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO FISICO DE BARRERAS CONTRA EL RUIDO DEL TRAFICO La medida de reducción del ruido del tráfico más frecuentemente utilizada son las barreras acústicas. Además del diseño acústico de localización, altura, longitud y características absorbentes del sonido de la barrera, son importantes las siguientes consideraciones: (1) el tipo de material y su coste; (2) el diseño estructural y los requisitos de construcción, incluyendo los cimientos y el drenaje para el agua de lluvia; (3) seguridad del tráfico; (4) necesidades de mantenimiento a corto y largo plazo, y (5) factores visuales, como apariencia o intrusión visual.

Materiales

Los materiales más frecuentemente utilizados para las barreras contra el ruido son bloques de mampostería, paneles de hormigón prefabricados u hormigón in situ, postes y tablas de madera, paneles de madera, diques de tierra y paneles de metal 15 • Algunas barreras son combinaciones de dos o más de estos tipos de materiales. Las barreras absorbentes del sonido pueden construirse de • Tableros compuestos de virutas de madera cementosa con un respaldo de hormigón. • Paneles de acero con un frente perforado y en su interior listones o una plancha de fibra de vidrio, lana mineral o lana de roca. • Paneles de plástico parecidos a los paneles de acero anteriores. • Hormigón poroso que cubre la superficie de un panel de hormigón convencional. El valor mínimo del coeficiente de reducción del ruido (NRC) para una barrera absorbente del sonido en una autopista es 0,65, aunque es muy deseable un valor entre 0,80 y 0,85.

Consideraciones de diseño estructural

Las especificaciones para el diseño estructural de las barreras están disponibles en las agencias estatales de transporte y la American Association of Sta te Highway and Transportation Officials16 • Estas especificaciones cubren tipos de material, diseño de los cimientos y los distintos tipos de carga que deben considerarse (como peso propio, carga de viento y carga sísmica); también incluyen especificaciones de los detalles de construcción para las paredes de bloques de mampostería. Los detalles estructurales importantes para impedir que el diseño acústico se vea afectado son: • Eliminación de huecos de aire entre los paneles de la barrera o entre los postes y los paneles; las técnicas típicas incluyen el uso de paneles con ensambladura de ranura y lengüeta y el uso de juntas selladas.

48.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

• Provisión para el mantenimiento al acceso de la toma de agua para incendios detrás del muro; los métodos típicos incluyen el uso de puertas peatonales con juntas, secciones de barrera solapadas y escotillas para las mangueras de incendios. • Provisión para que el agua de drenaje pase la barrera; los métodos típicos incluyen el uso de rejillas para el agua de lluvia con cañerías bajo la barrera, el uso de una sub-base de gravilla a lo largo de la parte baja del muro y el uso de barreras acústicas pequeñas detrás de las aberturas para drenaje. Seguridad

Las barreras acústicas situadas cerca del borde de la calzada representan un peligro para la seguridad vial, y se necesita un tratamiento adecuado. Si no se puede dejar una zona despejada de 10 m (30 ft) entre la carretera y la barrera, de acuerdo con la práctica de la agencia estatal de transporte, es necesario un instrumento de seguridad, como un contracarril de acero o barrera de hormigón de seguridad. Los extremos de la barrera, sobre todo entre los carriles principales y la rampa de salida, necesitan protección mediante aparatos de atenuación de la colisión. Otros problemas de seguridad incluyen: (1) la distancia de seguridad para parada de los vehículos cuando las barreras están a lo largo del interior de una curva en la carretera, y (2) la distancia de seguridad de incorporación para vehículos que entran en la autopista desde una rampa, cuando la barrera está entre la rampa y los carriles principales 17• El mantenimiento de la seguridad del tráfico también es esencial durante la construcción de la barrera a lo largo de las carreteras existentes. Consideraciones de mantenimiento

Una vez que la barrera se ha instalado, ésta y el área que le rodea precisarán mantenimiento. En algunas regiones, los graffitis sobre su superficie son un problema. Hay disponibles coberturas que permiten retirar la pintura con disolventes. Las superficies no tratadas tendrán que volver a pintarse o recibir chorros de arena. De ser así, la superficie podría dañarse y el color original sería difícil de igualar. A menudo se usan técnicas de paisaje para mejorar la apariencia de la barrera. Las plantas deben ser adecuadas para el ambiente de autopista, donde prevalecen la suciedad de la carretera, los escapes de los vehículos y la posibilidad de riego con sal en el invierno, en tanto que el aporte de agua o la financiación para el mantenimiento y siega pueden ser escasos. Las áreas creadas entre la pared de la barrera y la verja a la derecha de cualquier instalación de seguridad pueden permitir que se acumule la basura. De ser así, habrá que incluir un acceso a estas áreas. Apariencia visual

A menudo, la apariencia de una pared tiene mucho que ver con su aceptación por la comunidad y la percepción de su efectividad. Hay que considerar tanto la vista desde la carretera como desde la comunidad.

PREVISION y CONTROL DEL RUIDO DE AUTOPISTAS

48.27

Algunas agencias estatales de transporte tienen sus propias políticas sobre materiales, tratamientos de la superficie y paisaje. Algunas intentan mantener una sensación de continuidad y consistencia cuando hay varias barreras en la misma autopista, mientras otras buscan dar a cada barrera una sensación de individualidad. Durante el diseño estructural, hay que suavizar cualquier indentación en el perfil superior de la barrera, resultante del diseño acústico. Las barreras a lo largo del borde de la carretera no siempre tienen que acabar abruptamente, sino que pueden escalonarse en altura a lo largo de la longitud de dos o tres paneles. Los extremos del muro pueden esconderse enterrándolos en un montículo de tierra o un rasgo natural del terreno. Curvar los extremos de la barrera, alejándolos de la carretera, suaviza el impacto visual, a la vez que habitualmente reduce el ruido generado al pasar el final de la barrera. A menudo, el enfoque más efectivo para considerar adecuadamente todos estos problemas es establecer un equipo de personas, cada una de ellas especialista en un tema determinado.

REFERENCIAS 1. Federal Highway Administration, «Proeedures for abatement of highway traffie noise and eonstruetion noise», 23 C.F.R., Part 772, Federal Register, vol. 47, pp. 29653-29657,8

julio 1982. 2. T. M. Barry y J. A. Reagan, FHWA highway traffic noise prediction model, Report FHW A-RD-77-108, Federal Highway Administration, Washington, DC 20590,1978. 3. W. Bowlby (Ed.), Sound procedures for measuring highway noise: Final report, Report FHW A-DP-45-1, Federal Highway Administration, Washington, DC 20590,1981. 4. W. Bowlby y L. F. Cohn, Highway construction noise: Environmental assessment and abatement, vol. 4: User's manual for FHWA highway construction noise computer program, HICNOM, Vanderbilt University Report VTR 81-2, Federal Highway Administration, Washington, DC 20590,1982. 5. «Motor vehicle noise», Organization for Eeonomic Cooperation and Development, París, noviembre 1971. 6. Exterior sound level for heavy trucks and buses, SAE Norma J366b, Soeiety of Automotive Engineers, Warrandale, Pa., 1973. 7. N. Olson, Statistical study oftraffic noise, Report APS-476, National Researeh Couneil of Canada, Division of Physics, 1970. 8. B. H. Sharp, A survey of truck noise levels and the effect of regulations, Wyle Researeh Report WR74-8, Wyle Laboratories, Arlington, Va. 9. Sound level for passenger cars and light trucks, SAE Norma J986, Soeiety of Automotive Engineers, Warrandale, Pa., 1981. 10. W. Bowlby, SNAP 1.1 - A revised program and user's manual for the FHWA levelI highway traffic noise prediction computer program, Report FHW A-DP-45-5, Federal Highway Administration, Arlington, VA 22201,1980. 11. W. Bowlby, J. Higgins y J. Reagan (Eds.), Noise barrier cost reduction procedure, STAMINA 2.010PTIMA: User's manual, Informe FHWA-DP-58-1, Federal Highway Administration, Washington, DC 20590, 1982 (basado en C. W. Menge, User's manual: Barrier cost reduction procedure, STAMINA 2.0 and OPTIMA, Informe 4686, Bolt Beranek and Newman, Cambridge, MA 02238,1981).

48.28

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

12. W. Bowlby, R. L. Wayson y R. E. Stammer, Jr., Predicting stop-and-go traffic noise levels, NCHRP Informe 311, Transportation Research Board, Washington, D.C., 1989. 13. M. A. Simpson, Noise barrier design handbook, Federal Highway Administration, informe FHWA-RD-76-58, Washington, DC 20590,1976. 14. R. L. Wayson y W. Bowlby, «Atmospheric effects on traffic noise propagation», Transportation Research Record 1255, Transportation Research Board, Washington, DC 20418, 1990. 15. M. Weiss, «Summary of highway noise barrier construction in the United States», Transportation Research Record 1176, Transportation Research Board, Washington, DC 20418, 1989. 16. Guide specifications for structural design ofnoise barriers, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC 20001,1989. 17. A policy for the geometric design of highways and streets, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC 20001,1984.

Capítulo

49

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION George E. Winzer

INTRODUCCION Una evaluación de ruido en una zona de edificación es la determinación del ambiente acústico existente (o potencial) al que están sometidas las personas que utilizan (o utilizarán) este área y sus edificios, debido a las fuentes de ruido que no pueden controlar. Es un elemento esencial de cualquier análisis integral de ordenación de la zona. Es además una factor importante al planificar cualquier inversión de cierta cuantía que pueda mejorar una zona determinada o causar impacto en los lugares vecinos. En este capítulo se describen: (1) las razones para evaluar el ambiente acústico de las zonas de edificación con diversas finalidades, (2) los procedimientos para llevar a cabo una evaluación preliminar del ruido utilizando la información y los documentos disponibles, (3) las técnicas de evaluación y medidas del ruido in situ y (4) los métodos de utilización de los resultados de la evaluación del ruido en las zonas de edificación. La evaluación del ruido de una zona de edificación puede utilizarse para: 1. Constatar el cumplimiento de normas, requisitos, directrices y recomendaciones federales, estatales y locales.

2. Aportar la base para elegir una ubicación alternativa para un uso particularmente sensible al ruido, si se determina que el lugar inicialmente previsto no es adecuado por estar expuesto a ruido excesivo. Los resultados pueden utilizarse entonces para apoyar la aplicación de una excepción especial o una recalificación de la parcela para un uso más compatible con el entorno acústico. 3. Aportar datos esenciales para el diseño final del área, con el fin de minimizar el impacto del ruido, mediante la selección adecuada de la ubicación de los edificios, su forma y orientación, instalación de bermas y otras barreras para proteger a 49.1

49.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

las personas de las fuentes de ruido. Estos datos pueden ser útiles en el diseño arquitectónico y la selección de los materiales de construcción con el fin de conseguir la suficiente atenuación del ruido ambiental y crear un ambiente acústico adecuado al uso previsto en el interior de los edificios.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION Una condición necesaria para el éxito de un proyecto de edificación es que pueda realizarse sin restricciones o condiciones impuestas por un factor ambiental que puede haber sido considerado inadecuadamente en las fases de planificación y construcción de los edificios. El ruido ambiental suele ser uno de estos factores reconocido como problema sólo después de que el edificio está terminado, cuando su solución es difícil y costosa. Planificadores, promotores, arquitectos y constructores bien informados han reconocido el valor de la consideración temprana de los posibles impactos del ruido ambiental y la incorporación rutinaria de evaluaciones de ruido de las zonas de edificación en sus análisis de viabilidad económica para el desarrollo potencial de nuevas edificaciones y reutilización de las estructuras existentes. Las evaluaciones del ruido de las zonas de edificación suelen aplicarse a construcciones residenciales nuevas, edificios existentes en un ambiente cambiante y otros lugares de edificación no residenciales, comerciales y de industria ligera.

Edificios residenciales

La mayoría de las personas están de acuerdo con que la propia vivienda debe ser un lugar donde sea posible dormir, conversar y relajarse sin intrusiones serias del ruido de fuentes que no pueden ser controladas por los residentes. La mayoría de las personas también suelen ser tolerantes con ciertos sonidos típicamente compatibles con el ambiente residencial general, cuando los sonidos se producen a niveles y horas considerados razonables. Sin embargo, muchas jurisdicciones estatales y locales se han encontrado con la necesidad de implantar leyes y ordenanzas para definir los ambientes acústicos aceptables para áreas residenciales y limitar los ruidos innecesarios y no deseados dentro de ellas. Nuevas construcciones. Los lugares elegidos para la construcción de nuevas unidades residenciales suelen requerir evaluaciones del ruido con distintos niveles de sofisticación y complejidad, por ejemplo para demostrar la conformidad con la calificación existente del uso del suelo. Como parte de su análisis de viabilidad económica, algunos promotores y constructores hacen que se lleve a cabo una evaluación rutinaria del ruido de una parcela determinada antes de llegar a un acuerdo final de compra. Las personas que dejan la ciudad y compran una parcela no incluida en un área residencial para la construcción de sus viviendas se encuentran a menudo sometidas

-

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION

49.3

a ruidos intrusivos molestos de fuentes desconocidas o no percibidas como tales. Algunos ejemplos los constituyen quienes compran uno o varios acres de tierra rural para sus viviendas, sólo para darse cuenta de que el ruido de los animales y las actividades agrícolas rutinarias pueden ser molestos. Otras actividades productoras de ruido, habitualmente consideradas aceptables en áreas rurales, se convierten a menudo en el objetivo de las quejas de estos residentes, porque se producen en momentos en que ellos quieren disfrutar de «la paz y la tranquilidad» que se presume existe en una localidad rural: tardes, fines de semana y vacaciones. Estas actividades generadoras de ruido incluyen las relacionadas con los aeropuertos generales de aviación deportiva, pistas de carreras automovilísticas, clubs de tiro, instalaciones de recreo de aeromodelismo y otras. Los conflictos surgen debido a que la mayor actividad suele producirse cuando la luz, el clima y otros factores permiten a los residentes disfrutar del ambiente de exteriores y el aislamiento contra el sonido de los edificios residenciales es entonces irrelevante. Una evaluación del ruido previa a la compra y la construcción de una urbanización de residencias individuales puede identificar estos tipos de actividades y su potencial de ruido, de manera que el futuro residente esté informado de ello, en vez de verse sorprendido. Una evaluación del ruido también incluye otras fuentes evidentes del ruido ambiental.

Edificios existentes en un entorno cambiante. La ampliación de las urbanizaciones y las áreas comerciales suele dar como resultado un ambiente acústico que cambia en intensidad y carácter. Esto es sobre todo cierto en áreas residenciales que están siendo sometidas a la transición hacia usos comerciales y de industria ligera. Los problemas de ruido suelen surgir debido a que la insonorización típica de una casa suburbana resulta ahora inadecuada para reducir el aumento del ruido ambiental hasta un nivel sonoro aceptable en su interior. Las asociaciones de ciudadanos y de propietarios, así como los particulares, pueden encontrar valiosa la evaluación y medida del ruido como parte de la base para alegar contra un cambio en el uso propuesto de una propiedad, o si se permite el cambio, para ayudar a asegurarse de que hay una compensación adecuada que permita modificaciones en sus edificios consiguiendo una insonorización adecuada. Las autoridades de planificación local pueden necesitar evaluaciones del ruido para fortalecer su justificación al permitir el cambio de uso. Frecuentemente, la transición del uso residencial al comercial y de industria ligera tiene como consecuencia un aumento significativo en el ruido de fondo ambiental, debido a que la existencia de calles nuevas o ampliadas supone un aumento del volumen de tráfico y un aumento de la visibilidad para los clientes potenciales, o debido a instalaciones de transporte aéreo nuevas o ampliadas. En los casos de carreteras nuevas o ampliadas, que pueden producir un impacto sobre las áreas residenciales existentes, la evaluación del ruido y la predicción suelen ser requisitos obligados para las instituciones patrocinadoras federales, estatales o locales, como parte de la evaluación y análisis de impacto ambiental (véase Capítulo 54). Las asociaciones locales de ciudadanos y propietarios y los particulares pueden patrocinar evaluaciones y medidas de ruido independientes con el fin de: (1) llegar a conocer la magnitud del cambio en el ambiente acústico residencial

49.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

y (2) documentar el ambiente acústico existente antes de comenzar las actividades de construcción. Las nuevas instalaciones de transporte aéreo son relativamente pocas e infrecuentes, pero, al igual que en el caso anterior, requieren análisis amplios de impactos de ruido de la exposición prevista como parte del proceso de evaluación ambiental y declaración de impacto. Más frecuentemente, las instalaciones pequeñas de aviación se amplían o sufren cambios significativos en su carácter funcional, lo cual da como resultado un aumento de las intrusiones de ruido en los edificios residenciales existentes. Estas actividades incluyen, entre otros efectos: (1) un aumento en el volumen de tráfico; (2) la ampliación de las horas de funcionamiento; (3) la prolongación de las pistas para acomodar reactores, además de aviones con motores de gasolina de combustión interna; (4) la instauración de un horario regular del tráfico aéreo, y (5) un cambio de actividades de aviación de recreo generalmente diurnas a operaciones significativas de transporte nocturno de carga. La legislación o las directrices no siempre requieren evaluaciones del ruido de estas actividades (que pueden producirse en una instalación de aviación de propiedad y funcionamiento privado). Sin embargo, los residentes pueden iniciar actuaciones para documentar su entorno acústico antes y después de que se produzcan las condiciones modificadas. Edificios comerciales, de industria ligera y otros no residenciales

Los edificios comerciales, de industria ligera y otros no residenciales no se consideran sensibles al ruido, pero para algunos usos la evaluación del ruido de estas zonas de edificación puede ser importante. A menudo, el suelo destinado a estos usos sufre el impacto del ruido del funcionamiento de un aeropuerto o del tráfico de las principales carreteras y vías de ferrocarril. Una evaluación del ruido puede aportar infonnación cuantitativa para ayudar en el diseño y construcción de edificios, de manera que se les dote de una insonorización adecuada. Por ejemplo, la evaluación del ruido y la vibración en una zona de edificación puede resultar esencial si existen usos sensibles al ruido, como por ejemplo si un laboratorio biomédico debe ser instalado cerca de una actividad ruidosa, como puede ser un taller de chapa de automóviles. De la misma manera, si hay que construir un nuevo edificio destinado a un uso que produce ruido y vibración en sí mismo, pueden evitarse conflictos futuros mediante una ubicación apropiada y un adecuado diseño y construcción del edificio. Muchas ordenanzas locales contienen límites sobre la emisión de ruido más allá de los límites de una propiedad a partir de fuentes en áreas clasificadas, sobre todo si lindan con suelo para uso residencial. Las evaluaciones del ruido pueden ser necesarias para demostrar la conformidad con estas ordenanzas. Zonas para edificios con finalidad especial

Las escuelas medias y secundarias suelen tener frecuentemente auditorios y otros espacios sensibles al ruido, en los que es deseable evitar ruidos ambientales intrusivos. Los teatros son un ejemplo de edificios con una finalidad especial, para los

-

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION

49.5

cuales es importante la evaluación del ruido para su localización. A menudo, se ubican cerca de carreteras importantes y otros servicios de transporte. Un análisis del lugar de ubicación puede aportar información útil con respecto al diseño del edificio, orientación y materiales necesarios para minimizar las intrusiones potenciales de ruido durante las representaciones.

PROCEDIMIENTOS DE EVALUACION DEL RUIDO UTILIZANDO LA INFORMACION DISPONIBLE Una evaluación preliminar del ruido puede realizarse en muchos casos sin una inspección física de la zona de estudio. Sin embargo, una evaluación completa final del ruido de un zona de edificación siempre debe incluir una inspección in situ.

Ordenanzas de usos del suelo

En los casos en los que existen regulaciones zonales de usos del suelo, éstas pueden incluir directrices para realizar evaluaciones rudimentarias de ruido, aunque la «compatibilidad acústica» de los diversos usos rara vez se incluye como una finalidad explícita de estas ordenanzas. Por lo general, la intención de las normativas es: (1) guiar y dirigir el ordenamiento y localización de los usos del suelo de acuerdo con el plan general de desarrollo para una jurisdicción determinada; (2) organizar las concentraciones de poblaciones; (3) relacionar la densidad de usos con las localizaciones adecuadas; (4) facilitar la provisión adecuada de transportes, agua, alcantarillado, escuelas, parques y otras infraestructuras públicas, y (5) velar por la salud pública, seguridad y bienestar general para los ciudadanos de la jurisdicción. Para implantar estas normas, el área regulada se divide en diferentes tipos de zonas, que definen y agrupan las actividades que se piensa que son compatibles. Por ejemplo, un suelo de uso residencial puede dividirse en muchos distritos o zonas, como zonas residenciales rurales y zonas residenciales unifamiliares y multifamiliares de distintas densidades. De la misma manera, pueden crearse distritos comerciales, industriales y especiales para definir el «carácter» de un área de suelo específica mediante los tipos de usos que se permiten siempre, excepcionalmente o bien que están prohibidos. La principal ventaja de este procedimiento de evaluación preliminar del ruido es que la conformidad de los usos previstos para los edificios con los distritos adecuados para ello implica compatibilidad acústica. La principal limitación surge de los usos permitidos en situaciones especiales, que a menudo son acústicamente incompatibles con los usos permitidos directamente. Por ejemplo, algunas ordenanzas de zonas definidas como residenciales rurales, que habitualmente no presentan problemas de ruido, permiten, mediante la aplicación de medidas excepcionales, la instalación de aeropuertos (pistas aéreas), helipuertos (pistas para helicópteros), hospitales de animales (clínicas veterinarias), clínicas, instalaciones de recreo, tiro con rifle, pistola y arco, patios de arena y gravilla e instalaciones sanitarias. Por otra parte, todos los usos permitidos en un distrito residencial rural también se permiten

49.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

en un distrito residencial unifamiliar, salvo algunas excepciones. Al permitirse la existencia de fuentes de ruido no compatibles, existe un conflicto acústico potencial. La solución del conflicto reside en la «opinión de la autoridad en audición», que decide si el uso propuesto será contestado por los residentes cercanos a causa del ruido, la vibración, la luz y los humos. A menudo, la decisión resultante parece arbitraria y caprichosa, o se basa sobre la conveniencia política. Mapas y otras fuentes de información

Los mapas (planos) que muestran aeropuertos, carreteras principales, hospitales, escuelas, centros comerciales, parques e instalaciones de recreo son instrumentos útiles en el proceso de evaluación del ruido de zonas de edificación. Constituyen una fuente fundamental de obtención de datos necesarios para el uso de los métodos de evaluación del ruido y los modelos de previsión. 1. Los mapas de autopistas estatales y callejeros detallados permiten la identificación y localización de muchas fuentes de ruido específicas en relación con el área de estudio. Hay que localizar todas las fuentes dentro de un radio de 8 km (5 mi) de la zona estudiada. Dentro de estas fuentes se incluyen todas las pistas aéreas, las principales autopistas interestatales y carreteras arteriales, las vías de ferrocarril, los centros de almacenamiento y distribución y fuentes no tan evidentes como patios de colegio, centros de respuesta en emergencia e instalaciones de recreo.

2. Los mapas geológicos de EE. Uu. contienen información describiendo las características topográficas que pueden afectar a las vías de propagación y. por lo tanto, a la exposición al ruido de la zona estudiada l. 3. Las autoridades de aviación como los directores de aeropuerto, personal de la oficina regional de la Federal A viation Administration y encargados de bases militares pueden aportar información sobre cómo obtener los contornos del DNL (nivel sonoro medio día-noche) actual, contenidos en los planes directores del aeropuerto o en estudios de control del ruido y planificación de compatibilidad de usos del suelo. Los estudios del programa «Zonas de uso compatibles con instalaciones aéreas» (AICUZ) se aplican a las bases aéreas militares y al uso de algunos aeropuertos conjuntos civiles y militares. 4. Las administraciones de autopistas estatales y departamentos de transporte pueden proporcionar información sobre cómo obtener aforos recientes de tráfico de las principales carreteras existentes y las intensidades de tráfico previstas para las nuevas carreteras proyectadas y ampliaciones de las existentes. 5. Las autoridades ferroviarias. como por ejemplo el personal de relaciones con los clientes de las distintas compañías ferroviarias (p. ej .• CX Transportation Inc., Norfolk Southern y Union Pacific) proporcionan información acerca del personal técnico adecuado que puede dar información con respecto al volumen de tráfico y los tipos de vías, equipamiento de locomoción y velocidades de los trenes, que son factores que afectan a la generación del ruido. 6. Las autoridades portuarias. operadores de la marinai/y compañías de ferrys

-

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION

49.7

pueden proporcionar información con respecto a las operaciones de navíos de transporte marítimo que puedan actuar corno fuentes de ruido que afecten a las zonas de edificación próximas a las vías navegables. Los barcos motorizados y aparatos de señalización acústica son fuentes de ruido frecuentes en las aguas de recreo. Previsión de la exposición al ruido en zonas de edificación. Uso de modelos y directrices establecidos en EE.UU.

Una vez identificadas y localizadas la zona de edificación y las fuentes de ruido significativas, es posible estimar los niveles sonoros que se producirán en el lugar mediante cualquiera de los diversos métodos desarrollados con este fin o mediante las Noise Assessment Guidelines publicadas por el Department of Housing and Urban Deve/opment de EE. UU?

Modelo de ruido integrado (INM) del Department 01 Transportation-Federal Aviation Administration de EE.UU. La Parte 150 de la Federal Aviation Regulation (FAR) y el Acta de 1979 de la Aviation Safety and Noise Abatement marcan las pautas sobre el control del ruido y la compatibilidad del uso del suelo en la planificación de aeropuertos. La Parte 150 de la F AR, que se comenta en el Capítulo 53, establece específicamente un sistema único para la medición del ruido de un aeropuerto y un sistema único para determinar la exposición de las personas al ruido del aeropuert03 • El modelo integrado de ruido (INM) de la Federal Aviation Administration es el «instrumento normalizado de análisis de predicción que sirve de referencia al comparar todos los modelos de ordenador de exposición al ruido de aeropuertos»4. Fue desarrollado originalmente para dar a los planificadores de aeropuertos y especialistas de aviación un instrumento analítico para la evaluación del impacto del ruido de la aviación en las proximidades de los aeropuertos y «se ha convertido en el instrumento recomendado de análisis en los estudios de planificación de control del ruido de aeropuertos y compatibilidad de uso del suelo (ANCLUC»>5. Modelo de previsión del ruido del tráfico de autopistas del Department 01 Transportation-Federal Highway Administration (FHWA) de EE. UV. 6 La previsión y control del ruido de las autopistas se trata ampliamente en el Capítulo 48. Department 01 Housing and Vrban Development de EE. VV. Directrices para la evaluación del ruido. Aunque la preocupación de la Federal Housing Administration (FHA), una agencia dentro del Department of Housing and Urban Development (HUD) de EE.UU., en relación al impacto del ruido del tráfico aéreo sobre el valor económico y la venta de las propiedades residenciales cerca de los aeropuertos, data al menos de 1951, las directrices específicas para juzgar la aceptabilidad para la obtención de ayudas financieras en las propiedades cerca de los aeropuertos se estableció por primera vez a mediados de la década de los sesenta7 • La actual política departamental se define en la regulación 24 CFR (Code of Federal Regulations) Parte 51-B, «Control y reducción del ruido». Contiene «normas de aceptabilidad de la zona» y requisitos para la ayuda federal al desarrollo residencial. La

49.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

implantación se facilita mediante el uso de las Noise Assessment Guidelinet. Estas directrices para la evaluación del ruido fueron desarrolladas para las condiciones de uso «mínimamente aceptables» por técnicos no especialistas y se basan en: (1) la utilización de los resultados de estudios amplios de las fuentes de ruido ambiental, (2) la propagación del sonido en la atmósfera y (3) las propiedades de los materiales y estructuras de construcción para impedir la transmisión del sonido. Las directrices para la evaluación del ruido utilizan tablas, gráficos, nomogramas y formas con términos y cantidades sencillas que permiten hacer una estimación razonable del ambiente acústico previsto de la zona propuesta para edificación. Los resultados se presentan en términos de niveles sonoros corregidos día-noche (DNL) en decibelios y se relacionan con las normas de aceptabilidad de la zona incluidas en la reglamentación federal 9 . Mientras el principal criterio de «aceptabilidad del lugar» para una ubicación residencial con implicación de financiación federal es un nivel sonoro corregido día-noche de 65 dB, puede elegirse un criterio más bajo (o más alto) para evaluar la adecuación del ambiente acústico de una zona edificable con un propósito específico, o por preferencia personal. La evaluación de la zona con respecto a la exposición al ruido aéreo en los alrededores de un aeropuerto se basa en las líneas isofónicas DNL actuales, disponibles en la dirección del aeropuerto, la oficina zonal de la Federal A viation Administration, la administración de aviación de los departamentos estatales para las instalaciones de aviación civil, y en la comandancia de la base u oficial técnico jefe, en los informes de zona de uso compatible con instalación aérea (AICUZ) para instalaciones de aviación militar. Si las curvas isofónicas no están disponibles, como suele suceder en aeropuertos pequeños de aviación general, las directrices8 contienen métodos que pueden ser utilizados para su cálculo aproximado. Como el lugar también puede estar expuesto al ruido de vehículos de las carreteras vecinas, debe determinarse esta exposición y combinarse con la exposición al ruido aéreo. La Referencia 8 incluye las hojas de trabajo para registrar la información necesaria y realizar los cálculos aritméticos sencillos para determinar la exposición al ruido de camiones y automóviles. La información necesaria incluye: (1) el valor de la intensidad media diaria (IMD), (2) las distancias efectivas entre las carreteras y los edificios relevantes de la zona [distancia a los límites de la propiedad o a puntos situados a un mínimo de 2 m (6,6 ft) de la fachada reflectante del sonido de los edificios existentes o proyectados], (3) la proximidad de cualquier control del tráfico que produzca paradas y arranques, (4) las pendientes de la carretera que produzcan cambios significativos de marchas o velocidad de los vehículos, (5) la velocidad media en las secciones relevantes de la carretera y (6) el número de camiones pesados, así como la distribución del tráfico nocturno. Se incluyen tablas con los factores de corrección que hay que aplicar a los valores de la intensidad de tráfico para explicar los efectos acústicos estimados. La zona de estudio también puede estar expuesta al ruido de las operaciones ferroviarias. La información necesaria para predecir la exposición resultante incluye: (1) la distancia entre el lugar de la evaluación del ruido y el centro de la vía con más tráfico; (2) el número, tipo (pasajeros/carga) y longitud (número de vagones) de los trenes; (3) el número y tipo de locomotoras (diesel o eléctricas); (4) la velocidad media; (5) el número de trenes nocturnos; (6) la proximidad de cruces ferroviarios,

-

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION

49.9

y (7) si la sección relevante de las vías ferroviarias está compuesta de secciones soldadas continuamente o de secciones de vías atornilladas. El nivel de ruido previsto puede determinarse a partir de ábacos diferentes para las locomotoras diesel, vagones y trenes de alta velocidad (que se supone tienen locomotoras eléctricas) de forma análoga a la que se determina el ruido de automóviles y camiones en las carreteras. Los niveles sonoros previstos pueden combinarse adecuadamente para obtener el nivel sonoro corregido día-noche previsto atribuible al ruido ferroviario. Dado que determinadas características topográficas y algunos edificios pueden apantallar la vía directa del sonido entre la fuente y el receptor, se incluyen hojas y gráficos de trabajo para realizar los cálculos que permitan estimar el efecto probable de estas barreras. Por último, el nivel sonoro corregido día-noche de una determinada zona que pueda estar afectada por diversas fuentes de ruido puede predecirse combinando los valores previstos, determinados por separado para cada una de las fuentes, mediante la Figura 1.14. Por ejemplo, consideremos una zona propuesta para la construcción de un complejo residencial situado a una distancia de entre 6,4 y 8 km (4 a 5 mi) de un aeropuerto, relativamente cerca de una autopista interestatal importante y a unos 3,2 km (2 mi) de una vía de tren. La zona está fuera de la isófona de 65 dB del nivel sonoro corregido día-noche (DNL), pero se ve afectada por el ruido de aviación; el DNL previsto es 60 dB. El nivel sonoro corregido día-noche combinado para camiones y automóviles es 63 dB. La vía de ferrocarril es transitada por trenes de cercanías con locomotoras eléctricas durante el día y varios trenes de carga con locomotoras diesel durante la noche; el nivel sonoro combinado previsto para las operaciones ferroviarias es 62 dB. Así, el nivel previsto para la zona es: Aviación Tráfico rodado Tráfico ferroviario

60dB 63dB 62dB

El nivel combinado que resulta de más de una fuente de ruido puede obtenerse mediante la Figura 1.14. La aplicación de este procedimiento da un nivel sonoro corregido día-noche previsto para la zona de aproximadamente 67 dB.

EVALUACION DEL RUIDO ,l/N SITU" Las directrices citadas anteriormente son herramientas valiosas para predecir la exposición potencial al ruido de las zonas de edificación, sobre todo en situaciones en que las actividades que producen el ruido no están todavía completamente establecidas; p. ej., en la planificación de ampliación o construcción de nuevas carreteras. Una evaluación in situ es valiosa por las siguientes razones: (1) verificar o modificar los datos de entrada para la evaluación del ruido, p. ej., determinar las características de la variación temporal de los niveles sonoros y verificar las intensidades de vehículos ligeros y pesados; (2) identificar los condicionantes topográficos y es-

49.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

tructurales singulares, de manera que puedan describirse, calcularse o medirse los efectos acústicos correspondientes; p. ej., estos condicionantes pueden actuar como barreras para atenuar el sonido si se interponen en la vía entre la fuente y el receptor (véase Capítulo 3) o algunos rasgos estructurales que pueden causar un impacto negativo sobre el lugar, concentrando el sonido reflejado sobre la zona, y (3) para obtener las medidas de los niveles de presión sonora con un sonómetro portátil en determinados puntos de la zona. Estos datos son útiles para establecer un grado mayor de confianza en los resultados de los modelos de previsión del ruido. Pueden identificarse las fuentes de ruido estacionarias y medirse los niveles sonoros para establecer su contribución a la exposición al ruido de la zona. Las previsiones de la evaluación del ruido pueden refinarse y mejorarse sobre la base de los resultados de la observación de campo.

MEDIDAS DEL RUIDO EN LAS ZONAS DE EDIFICACION Una evaluación completa de la zona puede incluir alguna medición y seguimiento in situ del ambiente acústico. La finalidad específica con que se lleva a cabo la evaluación del ruido suele definir el tipo de instrumentación, las localizaciones de los micrófonos y la duración de las medidas. Suele elegirse un período de 24 horas, que puede describirse como razonablemente típico de la exposición al ruido esperada a largo plazo. La localización de las mediciones suele establecerse en el límite de la propiedad o en un lugar que esté al menos a una distancia de 2 m de una fachada reflectante existente (o proyectada) de los edificios estudiados. Suele ser preciso obtener la distribución estadística de los niveles sonoros con ponderación A, el nivel sonoro continuo equivalente (con ponderación A) o el nivel sonoro corregido día-noche. En algunos casos, el análisis de frecuencias en bandas de octava puede resultar útil para algunos propósitos, como ayudar al diseño de las barreras acústicas y la insonorización de los edificios.

REFERENCIAS 1. Quadrangle maps, de venta en U.S. Geological Survey, Reston, VA 22092. 2. T. J. Schultz y N. M. McMahon, HUD noise assessment guidelines, BBN Report 2176, U.S. Oepartment of Housing and Urban Development, Washington, O.e. 20410, agosto 1971 (reemplazado por Noise assessment guide/ines, HUD-PDR-735, junio 1983; véase Referencia 8, a continuación). 3. Noise control and compatibility planning for airports, Advisory Circular AC150/5020-1, Federal Aviation Administration, U.S. Oepartment of Transportation, Washington, O.e. 20591, 5 de agosto de 1983. 4. lntegrated noise model, FAA-EE-81-17, Federal Aviation Administration, U.S. Oepartment ofTransportation, Washington, O.e. 20591. octubre 1982. 5. Noise control and compatibility planning for airports, Advisory Circular AC150/5020-1, capítulo 2, sección 3, parte 231. p. 18, Federal Aviation Administration, U.S. Department of Transportation, Washington. O.e. 20591, 5 de agosto de 1983.

EVALUACION DEL RUIDO EN ZONAS DE EDIFICACION

49.11

6. T. M. Barry y J. A. Reagan, FHWA highway traffic noise prediction model, PB82-194227, National Technical Information Service, Springfield, VA 22161, diciembre 1978. 7. J. F. Miller, «HUD policy: Noise assessment of building sites», Capítulo 44, en C. M. Harris (Ed.), Handbook ofnoise control, 2. 8 ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1979. 8. Noise assessment guidelines, HUD-PDR-735, Office of Policy Development and Research, U.S. Department of Housing and Urban Development, junio 1983. 9. «Noise abatement and control», 24 CFR (Code of Federal Regulations) Part 51, Subpart B, Federal Register, vol. 44, n. 0235, 12 julio 1979.

Capítulo

50

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO Dwight E. Bishop Paul D. Schomer

INTRODUCCION Las zonas residenciales están expuestas a ruidos procedentes de muchas fuentes. La mayoría del ruido suele proceder de los sistemas de transporte: automóviles, camiones, motos, trenes, aviones, etcétera. Es probable que las áreas más ruidosas de una comunidad estén localizadas cerca de los principales aeropuertos o cerca de las principales carreteras, autovías o autopistas. Algunos vecindarios están expuestos al ruido de fuentes industriales (refinerías, fábricas, etcétera) o ruido de fuentes comerciales (equipamiento de aire acondicionado, etcétera). En áreas silenciosas, los ruidos de las «personas» (gritos y llantos de niños, portazos, etcétera) y los ruidos «naturales» (ladridos, grillos, etcétera) pueden ser contribuciones importantes al ruido comunitario. En general, el término ruido comunitario o ruido de la comunidad hace referencia al ruido exterior en la vecindad de las áreas habitadas. El ruido ambiental es el ruido envolvente asociado con una ubicación determinada de una comunidad, habitualmente compuesto por los sonidos de muchas fuentes, próximas y lejanas, sin un sonido dominante particular. Las encuestas sobre ruido comunitario suelen incluir descripciones de las variaciones espaciales y temporales de los niveles de ruido. Tales descripciones son relevantes para conocer los efectos del ruido sobre personas que se encuentran en interiores y exteriores. Dada la amplia gama de finalidades con que se realizan las medidas del ruido de la comunidad, éstas varían notablemente en profundidad y detalle. Debido a la preocupación acerca de los efectos del ruido sobre las personas, muchos estudios se han concentrado sobre medidas exteriores en áreas residenciales, con muy pocas medidas en otros lugares. A menudo, los ambientes de ruido interiores se infieren a partir de las medidas de exteriores, pero este procedimiento puede dar como resultado errores notables al ignorar el ruido generado por las ac50.1

50.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tividades en interiores o por la falta de información precisa acerca de la reducción de ruido que aporta la estructura del edificio. El ruido de la comunidad varía notablemente en magnitud y carácter entre distintas ubicaciones, desde las áreas suburbanas silenciosas que bordean zonas rurales a las calles del centro de la ciudad, expuestas al estrépito del tráfico denso. Este suele cambiar con la hora del día, siendo relativamente silencioso durante la noche, cuando las actividades alcanzan un mínimo, y más ruidoso durante la mañana y la tarde, durante los períodos punta del tráfico. Incluso dentro de un área pequeña, el ruido ambiental cambia significativamente en función de la posición seleccionada respecto de las fuentes de ruido local. Por ejemplo, en un área residencial, puede haber una diferencia notable en la magnitud y variación temporal de los niveles de ruido medidos en el bordillo de una calle y en el jardín trasero de una vivienda, protegido por los edificios adyacentes. En las áreas metropolitanas, puede haber diferencias considerables entre los niveles sonoros existentes a nivel de suelo y en el exterior de una vivienda que esté muchas plantas por encima del suelo. Gran parte del esfuerzo de planificación de las encuestas sobre ruido comunitario está relacionado con el desarrollo de métodos para contemplar estas variaciones temporales y espaciales del nivel sonoro. Para lograr descripciones concisas que expliquen las variaciones temporales se han empleado varias medidas especializadas. Con menor frecuencia se utiliza una descripción de las variaciones mediante el espectro de frecuencias (resultante de las características de las fuentes de ruido diferentes y de las distintas condiciones de propagación del sonido implicadas). Además, pueden ser importantes las variaciones espaciales y temporales a largo plazo del ambiente sonoro. Los cambios temporales pueden ir desde las consideraciones de la variabilidad día a día, hasta los cambios estacionales y a largo plazo. La finalidad de los estudios sobre el ruido comunitario influye notablemente sobre el tipo y número de medidas que se deben realizar. Los fines más habituales suelen ser los siguientes: 1. Determinar la adecuación del suelo para distintos usos y actividades (incluyendo la comparación del ruido ambiental existente o futuro con los valores límite según criterios de uso del suelo). Por ejemplo, varias agencias federales y estatales especifican límites en términos del nivel sonoro corregido día-noche, L dm Ynivel sonoro continuo equivalente (con ponderación A), L eq 1.2. La Tabla 50.1 muestra usos aceptables del suelo y mínimo aislamiento de edificios contra el ruido preciso para los distintos valores de Ldn o Leq en exteriores!. A modo de ejemplo, si un apartamento, hotel o motel propuesto tiene que ubicarse allí donde el valor de Ldn (promediado para un año) supere 60 dB, el estado de California requiere un análisis especial del ruido que muestre que el edificio tendrá un aislamiento tal que el nivel de ruido en cualquier habitación habitable no superará un L dn de 45 dB 3• 2. Comparar los niveles sonoros con los valores especificados en las regulaciones u ordenanzas sobre ruido. 3. Obtener descripciones ambientales para evaluar impactos de ruido presentes o futuros como parte de los estudios de impacto ambiental (véase Capítulo 54).

50.3

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

TABLA 50.1. Compatibilidad* de uso del suelo con los niveles sonoros medios anuales día-noche NlvellODOro corregido anual día-nocbe (L dn ), dB Uso del suelo

Inferior. 6S

65-70

70-75

75.so

lIo-8S Superior. SS

Residencial: Residencial, excepto casas móviles y alojamientos temporales Parques de casas móviles Alojamientos temporales

S S S

N(l) N N(l)

N(I) N N(l)

N N N(I)

N N N

N N N

Uso público: Escuelas Hospitales y residencias Iglesias, auditorios y salas de conciertos Servicios gubernamentales Transportes Aparcamiento

S S S S S S

N(l) 25 25 S S S

N(l) 30 30 25 S(2) S(2)

N N N 30 S(3) S(3)

N N N N S(4) S(4)

N N N N S(4) N

S

S

25

30

N

N

S S S S

S S S S

S(2) 25 S(2) 25

S(3) 30 S(3) 30

S(4) N S(4) N

N N N N

S S S S

S S S(6) S(6)

S(2) 25 S(7) S(7)

S(3) 30 S(8) N

S(4) N S(8) N

N N S(8) N

S

S

S

S

S

S

S S S

S(5) N S

S(5) N N

N N N

N N N

N N N

S

S

S

N

N

N

S

S

25

30

N

N

Uso comercial: Oficinas, negocios y profesional Mayoristas y minoristas materiales de edificación, ferretería y equipamiento agrícola Minoristas general Arúculos Comunicación Fabricación y producción: Fabricación general Fotografía y óptica Agricultura (excepto ganadería) y forestal Granjas y cría ganadera Minería y pesca, producción y extracción de recursos Ocio: Campos para deportes al aire libre y espectadores Kioscos de música al aire übre, anfiteatros Exhibiciones sobre naturaleza y zoos Diversiones, parques, colonias y campamentos Campos de golf, establos de monta y parques acuáticos

Los números entre paréntesis hacen referencia a las notas. • Las designaciones contenidas en esta tabla no constituyen una determinación federal de que cualquier uso del suelo cubierto por un programa sea aceptable o inaceptable bajo la ley federal, estatal o local. La responsabiüdad de la determinación de la aceptabilidad y permisibiüdad de los usos del suelo y la relación entre las isófonas especfficas corresponde a las autoridades lo· cales. Lo establecido por la FAA Parte 150 no pretende que la determinación federal de los usos del suelo sustituya a lo deter· minado por las autoridades locales adecuadas, en respuesta a necesidades y valores definidos localmente para lograr usos del suelo compatibles con el ruido. Clave: S (sí), el uso del suelo y las estructuras relacionadas son compatibles sin restricciones. N (no), el uso del suelo y las estructuras relacionadas no son compatibles y deben prohibirse. NLR, el nivel de reducción del ruido (interior y exterior) que hay que lograr mediante la incorporación de la atenuación del ruido en el diseilo y construcción de la estructura. 24, 30 o 35, el uso del suelo y las estructuras relacionadas suelen ser compatibles; medidas para lograr un NLR de 25, 30 o 35 deben incorporarse al diseilo y construcción de la estructura. Notas: (1) Si la comunidad determina que hay que permitir los USOS residenciales o escolares, las medidas para lograr un nivel de reducción del ruido (NLR) de exteriores a interiores de, al menos, 25 dB Y30 dB deben incorporarse en los códigos de construcción y considerarse en las aprobaciones individuales. Se espera que una construcción residencial normal aporte un NLR de 20 dB; así, es frecuente plantear los requisitos de reducción como 5, 10 o 15 dB sobre la construcción normal y se asume ventilación mecánica y ventanas permanentemente cerradas. Sin embargo, el uso de criterios NLR no elimina los problemas de ruido exteriores. (2) Hay que incorporar medidas para lograr un NLR de 25 dB en el diseilo y construcción de las partes de los edificios que reciben púbüco, áreas de oficina, áreas sensibles al ruido y donde el nivel habitual de ruido sea bajo. (3) Hay que incorporar medidas para lograr un NLR de 30 dB en el diseilo y construcción de las partes de los edificios que reciben público, áreas de oficina, áreas sensibles al ruido y donde el nivel habitual de ruido sea bajo. (4) Hay que incorporar medidas para lograr un NLR de 35 dB en el diseilo y construcción de las partes de los edificios que reciben público, áreas de oficina, áreas sensibles al ruido y donde el nivel habitual de ruido sea bajo. (5) Compatibilidad de uso del suelo siempre que se instalen sistemas especiales de aislamiento del sonido. (6) Los edificios residenciales requieren un NLR de 25. (7) Los edificios residenciales requieren un NLR de 30. (8) No se permiten edificios residenciales. Fuente: Referencia 1.

50.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

4. Determinar la necesidad y/o extensión del control del ruido existente o las fuentes futuras de ruido. 5. Identificar fuentes de ruido exteriores y determinar la extensión de su influencia. 6. Obtener una descripción del ruido en la comunidad para correlacionarlo con la respuesta de ésta frente a él (véase Capítulo 23). 7. Estimar la exposición al ruido de las personas (véase Capítulo 12).

METODOS PARA DESCRIBIR EL RUIDO COMUNITARIO Los estudios sobre el ruido en la comunidad suelen dar como resultado una gran acumulación de cantidades de datos que son difíciles de manejar, asimilar o comparar. Para obtener descripciones significativas y concisas del ruido de la comunidad, suelen usarse índices de número único que son descriptores simplificados, a menudo derivados de análisis o supuestos estadísticos. Sin embargo, estas medidas sencillas son necesariamente representaciones incompletas de las condiciones reales y, a veces, pueden resultar engañosas. Se han desarrollado varias medidas especiales del ruido ambiental, cada una de ellas haciendo énfasis sobre ciertas características estadísticas de variaciones en el tiempo; todas intentan lograr una medida más significativa del modo en que el ruido afecta a la respuesta de las personas expuestas a él.

Variación en el contenido del espectro

Dada la variedad de fuentes de ruido existentes, hay amplias variaciones en el contenido espectral del ruido de la comunidad. Sin embargo, si el ruido es en gran medida resultado del tráfico de superficie, su espectro suele seguir las tendencias que muestran las Figuras 50.1 y 50.2. La Figura 50.1 ilustra los niveles medios de presión sonora en bandas de octava correspondientes al ruido ambiental medido en gran número de áreas residenciales en Chicago hace algunos años4 • Estas mediciones fueron realizadas en ausencia de ruido de fuentes cercanas, como niños jugando o perros ladrando. La Figura 50.2 muestra el resultado del análisis estadístico de tres muestras de 10 minutos de ruido ambiental en un área residencial en Portland, Oregón5 , en que se incluyó el ruido de todo tipo de sucesos. Se muestran los niveles sonoros con ponderación A, así como los niveles de presión sonora de banda de octava. Los subíndices se refieren al porcentaje de tiempo en que los niveles fueron superados. Por ejemplo, el nivel sonoro superado durante ellO por 100 del tiempo es LIO' El nivel excedido el 50 por 100 del tiempo, L 50 , se denomina a veces como el nivel sonoro mediana. El rango entre las curvas L ¡ YL90 aporta una buena indicación de la variabilidad en el contenido del espectro durante el período de medición. La mayoría de las medidas en la comunidad muestran espectros de banda de octava con pendientes parecidas a las de las Figuras 50.1 y 50.2, con niveles sonoros casi iguales o irregulares en las bandas de octava centradas en las frecuencias de

50.5

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

70 ~~~~~~~~----------------------------~

'"ca Q) ~

60

.o

e (J

'E N

o o o 50

o

~

'" Qi

,2 .o '¡:; Q)

"C

40

.......

eQ) ca > ca

........

....

........

(J

o

Q)

"C

.......

30

ca

"C

e

ca

.o Q)

"'-

Niveles mínimos correspondientes a ~ condiciones nocturnas " en áreas residenciales

"C

Qi

20 >

"-

"-

Z

10L-----~-----L----~----~L-----~----~--~~

63

125

250

8000

Frecuencia en herzios

FIGURA 50.1. Espectro medio en bandas de octava del ruido ambiental medido en áreas residenciales. (De acuerdo con Bonvaller.)

31,5,63 Y125 Hz. A frecuencias más altas, los niveles de presión sonora de banda de octava decrecen con la frecuencia a tasas de 3 a 6 dB por octava. Muchas fuentes de ruido locales o intermitentes producen espectros que son marcadamente distintos a las tendencias que muestran las Figuras 50.1 y 50.2. Por ejemplo, las Figuras 50.3 y 50.4 ilustran algunos ruidos de personas y animales que producen niveles sonoros relativamente altos a frecuencias por encima de 1000 Hz6 • Para la mayoría de los casos, con excepción de los estudios detallados de control del ruido, y para situaciones que implican fuentes productoras de niveles altos de ruido a frecuencias extremadamente bajas, el nivel sonoro con ponderación A sirve como descriptor adecuado, Más aún, es el descriptor más frecuentemente utilizado en las normas sobre ruido en la comunidad. Por ello, el resto de este capítulo inclu-

50.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO 4000

16000

~ 50

ca

~

e 40 .!.!

lso

.Q

E

o'" 30 o

~20

l!? 80 L, L,o L50

lso

L,

20~~~~--~~~~--~

31,5

125

500

2000

8000

Nivel sonoro compuesto con ponderación A en dB(A) Frecuencia en herzios

FIGURA 50.2. Espectro en bandas de octava del ruido ambiental en un área residencial de Portland, Oregón,

ye fundamentalmente descripciones del ruido de la comunidad basadas en mediciones del nivel sonoro con ponderación A. En los estudios detallados de control del ruido, las medidas del nivel sonoro con ponderación A deben complementarse o reemplazarse por análisis espectrales de banda de octava o de banda de tercio de octava. Rara vez es necesario emplear análisis espectrales más minuciosos. En general, las variaciones espaciales y temporales en el ambiente exterior son tan grandes que hay que evitar descripciones prolijas de variaciones espectrales mínimas. Variaciones temporales de los niveles sonoros

El patrón temporal de los niveles sonoros en una posición determinada puede observarse sobre un gráfico continuo de registro de nivel, como las dos muestras de 8

....

50.7

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

~ ~

u

o

w

RECOGIDA DE BASURA

o

g

70

a: w

f-

wE Oz «:1~~

«00

60

1Il0

~¡¡j «!!:! a:u ~~ 50 Oz

C1)w

z

O

¡ji

~

a.. w

40

O

...J

W

> Z 100

2000

200

5000

10.000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 50.3. Espectro en bandas de tercio de octava del ruido medido en una playa.

minutos de la Figura 50.5. Estas muestras ilustran algunas de las características importantes que se encuentran en la mayoría de los estudios sobre el ruido en la comunidad: • Los niveles sonoros con ponderación A cambian significativamente con el tiempo (en este caso, sobre un rango de 33 dB). • El ruido de la comunidad parece estar caracterizado por un nivel sonoro inferior bastante estable, sobre el cual se imponen los niveles sonoros aumentados asociados a sucesos particulares discretos. El ruido ambiental que muestra la Figura 50.5 incluye las contribuciones de fuentes distantes no identificadas y fuentes locales que producen sucesos acústicos discretos. Los episodios únicos de ruido suelen clasificarse como ruido intrusivo. El nivel sonoro inferior estable al que se superponen los episodios discretos se denomina a veces nivel sonoro residual, como indica la Figura 50.5. • Existe una marcada diferencia en el nivel sonoro con respecto a los patrones temporales para los distintos sucesos discretos de ruido. Los niveles sonoros producidos por aviones se elevan por encima del nivel de ruido ambiental durante aproximadamente 80 segundos, en tanto que los niveles sonoros de los coches tienen una duración mucho más corta. Descriptores que eliminan los detalles temporales Niveles excedidos. El registro continuo del ruido aporta mucha información para

50.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

~ ~

u

O

w

O

70

O Ü

a: ~

wE Oz « 60 :::t

ow za:

«(/)

alO

~~

;i

a

ow

50

ZO

LADRIDO

Oz

(/)w

Z

O

~

a:

40

CL

w

o ..J

~

Z

3~0

100

200

500

1000

2000

5000

10.000

FRECUENCIA EN HERZIOS

FIGURA 50.4. y aullando.

Espectro en bandas de tercio de octava del ruido de un perro ladrando

comprender la naturaleza del ambiente exterior de una localización determinada. Sin embargo, para una comparación cómoda con el ruido en otras localizaciones, es necesario simplificar las descripciones, eliminando muchos de los detalles temporales. Un método para lograrlo es medir el porcentaje del tiempo total de la muestra que el ruido se sitúa entre dos niveles sonoros, L¡ y L¡ + Ld (donde d es el tamaño de la «ventana» que determina el valor de L d ). A partir de esta información, puede construirse un histograma del nivel sonoro, además de la distribución acumulativa de los niveles sonoros. Para esta última, se determinan los niveles sonoros excedidos para varios porcentajes. A partir de estos datos, pueden calcularse el nivel sonoro equivalente continuo (con ponderación A) Leq Yotros descriptores especiales del nivel sonoro. Las Figuras 50.6, 50.7 Y 50.8 ilustran varias maneras de presentar los resultados de estos datos estadísticos. La Figura 50.6 muestra los niveles sonoros de los percentiles 1, 10, 50 Y90, calculados a partir de muestras horarias, para un día de 24 horas, medidos en el interior y exterior de un edificio de oficinas en el centro de Los Angeles 7 . También se muestra el nivel sonoro horario continuo equivalente Leq (con ponderación A) (también denominado nivel horario) calculado para cada muestra horaria. En la mayoría de los casos, las descripciones del ruido en términos de los valores de L¡, LIQ, L 50 , L90 Y Leq son más que suficiente. El nivel sonoro continuo equivalente Leq es el índice de número único más útil para describir el ruido ambiental correspondiente a un período corto de tiempo determinado. A menudo, el nivel sonoro estadístico L90 se toma como medida del nivel residual de ruido, poco influida por los sucesos discretos próximos. Los niveles

50.9

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO 80~A~P~RI~M~E~R~A~H~O~R~A~D~E~LA~TA~R~D~E~__________________________~

70

COCHES EN UN BULEVAR CERCANO

<

~60 z

~ 50

z

Q 40

~

~ 30~----~----~----~----~----~----~~----~---J 2 3 4 5 6 7 O

~

z

TIEMPO EN MINUTOS

~

z

8 80~~~~~~-------------------------------------, o

~ 70

LADRIDO ESTABLE DE DOS PERROS

Z O (/)60 ..J

w

~ 50 40 O

2

3 4 5 TIEMPO EN MINUTOS

6

7

FIGURA 50.5.

Dos muestras que ilustran los niveles sonoros con ponderación A del ruido en exteriores con respecto al tiempo, en una zona residencial suburbana, con el micrófono situado a 6,1 m (20 ft) del bordillo de la calle.

sonoros L¡ y, en menor medida, el LIO están muy influidos por los acontecimientos discretos ruidosos que puedan producirse. Las Figuras 50.7 y 50.8 muestran la distribución del nivel sonoro para los períodos diurno y nocturno, calculada a partir de los datos horarios de la Figura 50.6. En la Figura 50.7, los datos del ruido se presentan en un histograma. Las distribuciones son asimétricas, con una pendiente mayor para niveles altos. La Figura 50.8 muestra los mismos datos presentados como distribuciones acumulativas sobre papel gráfico de probabilidad normal. Si las distribuciones medidas fueran normales o gaussianas, formarían líneas rectas. Pero en la Figura 50.8 se observa una clara curvatura, como consecuencia de las formas de los histogramas de la Figura 50.7. Descriptores de nivel sonoro diario (24 horas). Los niveles sonoros continuos equivalentes para períodos diurnos y nocturnos (o períodos diurnos, vespertinos y nocturnos) se calculan para una descripción más concisa del ambiente sonoro durante 24 horas. El nivel sonoro corregido día-noche L dn (definido en el Capítulo 11) se recomienda para una descripción de número único. [Otra medida parecida al nivel sonoro corregido día-noche, el nivel equivalente de ruido en la comunidad (CNEL), definido en el Capítulo 11, se usa en el Estado de California.] El nivel sonoro corregido día-noche puede calcularse fácilmente a partir de los niveles sonoros equivalentes horarios o a partir de los niveles sonoros equivalentes correspondientes a los períodos diurno (7:00 a.m. a 10:00 p.m.) y nocturno (10 p.m. a 7:00 a.m.).

50.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

3

6

9

12

15

Hora del día

18

21

24

FIGURA 50.6. Niveles sonoros en función del tiempo para el ruido medido en el interior y exterior de un edificio de oficinas del centro urbano de Los Angeles.

Nivel de contaminación del ruido (NPL). Una medida del ruido que a veces se usa para describir el ruido comunitario es el nivel de contaminación del ruid08 , que emplea el nivel sonoro continuo equivalente Leq (con ponderación A) y la magnitud de las fluctuaciones del tiempo en los niveles. Intenta explicar el aumento de la molestia debido a las fluctuaciones temporales del ruido. El nivel de contaminación del ruido se define como

L NP

=

Leq + 2,560"

dB

(50.1)

donde L NP es el nivel de contaminación del ruido y O" es la desviación típica de los niveles sonoros instantáneos de los que se han tomado muestras durante el período de medición. In dice de ruido del tráfico (TNI). El índice de ruido del tráfico se utiliza a veces para describir el ruido en la comunidad. Tiene en cuenta la variabilidad de los niveles sonoros observados, en un intento para mejorar la correlación entre las medidas del ruido del tráfico y la respuesta subjetiva frente al ruido. El índice de ruido del tráfico se define como

TNI

=

4 (L to

- L~o)

+ L9Q - 30

dB

(50.2)

Lto YL9Q han sido descritos en la sección anterior «Variaciones temporales en los niveles sonoros». El primer término representa la diferencia entre los niveles sonoros del percentillO y del percentil90 (L to - L9Q) Yel segundo término representa el nivel de ruido ambiental. Tanto el índice de ruido del tráfico como el nivel de contaminación del ruido tienen limitaciones aparentes o muestran inconsistencias cuando se aplican a tipos muy distintos de ruido de la comunidad9•

Variaciones con la hora del día. Los niveles de ruido comunitario muestran variaciones con la hora del día que se correlacionan con los patrones de las actividades

50.11

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

15r---------,---------r---------,---------,---------, OlA

~

~ 10~--------+---~r_--+-~------+---~~~~~~----1

w ¡:: w O

w

2 z

tl 5 r_------+-a:

~

o L..-_ _ _--L._ ~

~

~

00

80

M

NIVEL SONORO CON PONOERACION A EN dB(A)

15,---------,---------,---------r---------r--------, NOCHE

~

~ 10

¡:: w O w

2z

tl

a:

5

~

~

00

70

80

NIVEL SONORO CON PONOERACION A EN dB(A)

AGURA 50.7. Histograma que muestra la distribución de los niveles sonoros con ponderación A medidos en el interior y exterior de un edificio de oficinas del centro urbano de Los Angeles.

humanas y el uso de las fuentes dominantes de ruido. Para áreas expuestas fundamentalmente al tráfico de vehículos a motor, el ruido ambiental muestra patrones claramente relacionados con el flujo del tráfico y con modificaciones producidas por otras fuentes. Por ejemplo, la Figura 50.6 muestra una variación moderada de los niveles sonoros dependiendo de la hora del día en un área concurrida del centro de la ciudad. Con un patrón horario más típico de lugares que no están cerca de aeropuertos o autopistas 10, la Figura 50.9 muestra la diferencia entre los valores horarios del nivel sonoro continuo equivalente Leq Yel nivel sonoro corregido día-noche L dm presentados para todas las horas del día. Estos datos representan una

50.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO 99r-r-Mrr-r-~Tn~~~

98~~~~~~~'~~DT'A~~ I I I I

99 96

95 1--1~4\ EXTERIOR

95

~--+---+--l

101 PLANTA-

90

90~~~~~~~~-4-4

rJl

~

80~~~"~~+-+-~+-~

ffi

70~~~H\-+-+-+~~-+-1

U

rJl W

...J

80 1--

Z

70

¡::: w

~ 50~~~~~\-+-+-+~-+~

U

rJl

rJl

w

~

30 Z 20

3" r~ INTERIOR,---: PLANTA' 10~· PLANTA

1\' \

5~~~~~+++-+-~~

\

2~~~~~~~+-~~

1'--.L.-.L.-.l-.l-.L-.JJ.-..L-..L-.L....I

30

40

50

60

w a.. 50 w ...J w 30

\ EXTERIOR

1\

a::

70

80

NIVEL SONORO CON PONDERACION AEN dB(A)

NOCHE

I ¡"'EXTERIOR 101 PLANTA

r-

INTERIOR

~"PLANT~_

,

\

'\

1\

1

\

> Z 20 10

\

1\

5 2 1

30

,

\

40

EXTERIOR_

3' PLANTA -

\1 "

,

I

50

60

,

~", -

,

70

80

NIVEL SONORO CON PONDERACION AEN dB(A)

FIGURA 50.8. Distribución acumulativa de los niveles sonoros con ponderación A, correspondientes a períodos diurnqs y nocturnos, para el ruido medido en el interior y exterior de un edificio de oficinas del centro urbano de Los Angeles.

combinación (valores de la mediana) de patrones medidos en 100 lugares, cubriendo un rango amplio de densidades de población. Aunque la desviación típica de los niveles sonoros dentro de cada hora tuvo un rango de 2,5 a 4,0 dB, con considerables variaciones entre lugares, se observó un patrón bien definido, con una diferencia de aproximadamente 11 dB entre la hora más silenciosa (3:00 a 4:00 a.m.) y la más ruidosa (4:00 a 5:00 p.m.). Habitualmente, hay diferencias entre los patrones de áreas periféricas (densidad de población baja) y urbanas (densidad de población alta). Las áreas periféricas muestran niveles sonoros máximos en horas vespertinas, en tanto que los lugares con densidad de población alta muestran menos variaciones entre las horas diurnas y nocturnas, y niveles sonoros máximos durante las horas punta de la mañana, en lugar de por la tarde. Para las 100 muestras de la Figura 50.9, la diferencia de la mediana entre los valores del nivel sonoro equivalente continuo Leq para períodos diurnos y nocturnos es de aproximadamente 6 dB; la diferencia aumenta a 8 y 10 dB para los valores bajos del nivel sonoro corregido día-noche en áreas periféricas y desciende a 4 ó 5 dB para los valores más altos del nivel sonoro corregido día-noche observado en las áreas urbanas de mayor"densidad. La Figura 50.10 ilustra los cambios típicos en los niveles correspondientes a distintos flujos de tráfico clasificados de la siguiente manera: • Tráfico ligero, generalmente ocho vehículos o menos por minuto durante el período punta diurno • Tráfico pesado, más de ocho vehículos por minuto durante el flujo de tráfico • Autovías o autopistas de acceso limitado

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

CJ)

o

o

:J w

~

w

A

-2

O Z w -4

/'

CJ)

,J

1\

O

a:

~

50.13

-6

O

:L o

~" -8

\ \

-J'i

~-10

1Z w

~-12

zw

a:: tf-14

iS

\V/

O

6

12 18 HORA DEL DIA

24

FIGURA 50.9. Diferencia entre Leq Y Ldn horarios con respecto a la hora del día.

La Figura 50.10 está basada en medidas realizadas a una distancia de 10,7 m (35 ft) de la carretera más cercana en 41 localizaciones diferentes en áreas urbanas y periféricas de 5 ciudadesO ll . Muestra los aumentos del nivel de ruido con el volumen de tráfico y la reducción de la diferencia entre los niveles diurnos y nocturnos cuando se compara el tráfico típico de autopista con el tráfico ligero.

Patrones de distribución estadística. La distribución estadística de los niveles sonoros de un lugar muestra a menudo patrones bien definidos que pueden relacionarse con las fuentes de ruido principales. Las distribuciones de los niveles sonoros correspondientes a lugares expuestos a ruido de tráfico de vehículos a motor con intensidades de tráfico moderadas o altas, donde no hay otras fuentes «fuertes», tienen una forma que se aproxima a la distribución gaussiana. Si hay otras fuentes de ruido que producen niveles sonoros altos durante períodos de tiempo cortos, los patrones resultantes de la distribución se apartan manifiestamente de la distribución gaussiana. Por ejemplo, las Figuras 50.11 y 50.12 muestran los histogramas y patrones de distribución acumulativa medidos en el interior y exterior de una vivienda localizada bajo la vía de aproximación de un aeropuerto importante ll . Los datos del ruido medidos en áreas residenciales, expuestas sobre todo al tráfico de vehículos, muestran patrones con una curvatura característica en la distribución acumulativa. Muchos patrones muestran una clara ruptura en las curvas, indicando que el ambiente de ruido está compuesto por dos clases distintas de ruido, cada uno de los cuales tiene una distribución casi gaussiana. Cambios a largo plazo (muchos años) en el ruido comunitario. Las comparaciones de las encuestas sobre ruido llevadas a cabo desde 1937 muestran que donde no

50.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80,-----.........,

rn

r-:;N~PL----.l L1

O :i

~ 70 U w

a

z w

<1: Z

O

U <1: a:: w

a

z

~

z

O

U

..J

~

30

Z PERIODO 20 L..-_ _ _---' TEMPORAL D V N TRAFICO LIGERO

D

V PESADO

N

D

V

N

AUTOPISTA

FIGURA 50.10. Niveles sonoros mediana con ponderación A para distintas exposiciones al tráfico.

ha cambiando el uso del suelo no hay una tendencia marcada hacia el aumento del nivel L 50 en las zonas periféricas, residenciales urbanas o del centro metropolitano, a lo largo de los años6 . Sin embargo, donde se ha producido un gran aumento de las fuentes que generan niveles sonoros altos, ha habido grandes aumentos de las áreas expuestas a niveles sonoros relativamente altos. Así, desde 1955, se ha producido un gran aumento de las áreas de suelo cerca de aeropuertos y autopistas urbanas que están expuestas a niveles sonoros corregidos día-noche de 65 dB o superiores6 .

Variabilidad día a día en el ruido de la comunidad. Los valores del nivel sonoro corregido día-noche L dn para los distintos tipos de comunidades muestran desviaciones típicas dentro de un rango de 2 a 5 dB; esta variación limita la concordancia entre medidas repetidas. La variabilidad en el uso o la actividad de las principales fuentes productoras de ruido aumenta este rango de variación. Por ejemplo, cerca de las carreteras principales, suele haber diferencias significativas en los patrones de exposición al ruido de días laborables y festivos, porque hay grandes diferencias entre las intensidades de tráfico de ambos tipos de día. En muchos aeropuertos, se usan distintas pistas, dependiendo de las condiciones del viento. Por tanto, puede haber grandes cambios en la exposición al ruido de un área determinada, dependiendo de las condiciones climáticas. Para aquellos aeropuertos que funcionan con grandes volúmenes de tráfico aéreo, el número total de operaciones no suele variar significativamente de un día a otro. De ahí que la exposición al ruido (si no hay cambios en el uso de pistas) no muestre grandes variaciones diarias. Por otra parte, en muchos aeropuertos militares puede haber un marcado descenso de las operaciones durante las fiestas y los fines de semana; de ahí que los niveles de ruido en la comunidad sean marcadamente inferiores durante estos períodos. Puede suceder lo contrario si el aeropuerto militar es una reserva,

50.15

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

~10~----~------r------r------r------r------r-----~ ~

w ¡:: w

o

w

~

OlA

5t---+-

zw

U

~ ~

o

30

~

~

00

ro

00

90

100

NIVEL SONORO CON PONDERACION A EN dB(A)

~10~-----r------r------r------r------r------r------' ~ OlA

w ¡:: w

o

w 5~----~--~~~r----r------r------r------~----~

~

zw

U

~

oL-____ ~~~~~~~~~~~~~~~~~__~~__J 30 40 00 70 80 90 100 ~

NIVEL SONORO CON PONOERACION A EN dB(A)

FIGURA 50.11. Distribución del nivel sonoro con ponderación A en el exterior e interior de una residencia bajo la vía de aterrizaje del aeropuerto internacional de Los Angeles.

una unidad de guardia, o está cerca de aeropuertos de aviación general, ya que la actividad punta podrían entonces producirse durante los fines de semana en lugar de en días laborables.

Variabilidad estacional del ruido comunitario. La variabilidad en el ambiente sonoro de una semana a otra en distintos tipos de comunidades surge fundamentalmente debido a los cambios estacionales en las condiciones climáticas y/o en el funcionamiento o condiciones de las fuentes de ruido. En muchos lugares, la dirección y velocidad del viento y la frecuencia de las inversiones térmicas cambian con las estaciones. Esto puede producir cambios en el nivel sonoro corregido día-noche Ldn de 10 dB o más. Los cambios estacionales también pueden afectar a la fuente. Las ventanas de las fábricas pueden abrirse en verano y cerrarse en invierno o, como se mencionó anteriormente, el uso de las pistas en los aeropuertos se produce en función de los cambios de los vientos predominantes. Estas variaciones semanales se combinan con las variaciones diarias para aumentar la desviación típica de los valores del nivel sonoro corregido día-noche L dn por encima del rango de 2 a 5 dB mencionado anteriormente. Variaciones en lugares que no están próximos a autovías o autopistas. Se puede obtener cierta información sobre la repetición de medidas en áreas no expuestas al ruido de autopistas ni aeropuertos de dos conjuntos de mediciones de 24 horas, realizadas en 24 lugares residenciales, con un año de separación entre ellas 12 • Los lu-

50.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

, ,,

99 98

I

, , \ , ,,

I

95

---

ÓlA NOCHE--

I

\

90

1\

80 (/)

w

....J

~

f=

zw

\ \ \\

U

re 50

w c..

(/)

....J

W

20

\

\

\

5

IN ERIOR ....

1

30

' ~,./ ~TERIOR

1\\

\

lO

2

\

~I\\

W

Z

\,

\

70

> 30

\

I

,,

?< -:l..

0"- , ,

~ r-.... 50

" 1' ...

"

...

N~

i'-.. 40

AEXTERIOR

60

\

70

"" . .........

r---....

80

90

NIVEL SONORO CON PONDERACION A EN dB(A)

FIGURA 50.12. Distribución acumulativa de los niveles sonoros con ponderación A, correspondientes a períodos diurnos y nocturnos, para el exterior e interior de una residencia bajo vía de aterrizaje del aeropuerto internacional de Los Angeles.

gares se extendían sobre un rango amplio de densidades de población, aproximadamente de 3100 a 142.000 personas por kilómetro cuadrado (1200 a 55.000 personas por milla cuadrada). La diferencia media en los valores de Ldn Yen los L lO , L 50 YLeq diurnos y nocturnos variaba desde -0,2 hasta 1,1 dB (el L dn mostraba un cambio medio de 0,1 dB). Sin embargo, las desviaciones típicas de las diferencias variaban desde 2,6 hasta 5,2 dB (3,2 dB para L dn ), indicando que se observaron cambios relativamente grandes en algunos lugares concretos. Variaciones en lugares próximos a aeropuertos. La Figura 50.13 muestra las desviaciones típicas de algunas medidas del nivel equivalente de ruido comunitario (CNEL) tomadas en posiciones cerca de aeropuertos. Los datos corresponden a 16 localizaciones en 4 aeropuertos (tres civiles y uno militar) operando en su mayoría con reactores 13 • Las medidas cubren períodos que van desde los 13 hasta los 139 días por posición. En la Figura 50.13 figuran las desviaciones típicas de los niveles sonoros diarios en función de la distancia de la ruta de vuelo de los aviones. La línea continua es una línea de regresión ajustada para todos los datos; la línea a trazos

50.17

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

DISTANCIA EN METROS

200

5 100

400

700

1000

2000

O (/)

O

:::;

w

!!!4

U

w

el

O O

CIVILA CIVIL B CIVILC 'i} MILITAR (OlAS LABORABLES)

<>

'i}

Z

w

53 ¡¡: ¡::

............

z

O

~2

............

:>

(/)

'i}

"'(j ......

<>

<>

w

el

;,'

O DESPEGUE •

1 300

400

700

1000

2000

ATERRIZAJE

4000

7000

DISTANCIA APROXIMADA DE LOS AVIONES EN PIES

FIGURA 50.13. Variaciones del nivel diario equivalente de ruido en la comunidad (CNEL) medido a varias distancias de las rutas de los aviones en cuatro aeropuertos.

s6lo está ajustada para los datos de despegue. Estos datos indican un aumento moderado de la desviación típica con la distancia. Para la línea a trazos, existe aproximadamente un aumento de 0,5 dB en la desviación típica por cada duplicación de la distancia; la desviación típica es aproximadamente 2 dB a 304,8 m (1000 ft), aumentando hasta aproximadamente 3 dB a una distancia de 1219 m (4000 ft). La Figura 50.14 muestra niveles diarios Ldn en dos aeropuertos donde los cambios climáticos estacionales son un factor importante. Aquí, la desviación típica del L dn es del orden de 3 dB. Dada la notable variabilidad que indican los datos anteriores, y si las variaciones estacionales son pequeñas, hay que realizar las mediciones durante varios días para obtener resultados precisos. La Figura 9.7 muestra una guía aproximada para determinar el número mínimo de medidas necesarias para determinar una media con un 90 por 100 de confianza, para distintos intervalos. Por ejemplo, para una desviación típica de aproximadamente 2 dB en los niveles diarios, hay que realizar mediciones durante 5 días para determinar los niveles con un error de ± 2 dB. Con una desviación típica de 3 dB, un intervalo de error de ± 2 dB requiere 8 días de mediciones. Si los cambios estacionales no son pequeños, hay que tomar muestras de las medidas de Ldn a lo largo de un año. Se ha demostrado que una estrategia que conduce a un intervalo de confianza del 95 por 100, entre +2 y -3 dB de error, es tomar muestras durante cuatro períodos de una semana, eligiendo una semana al azar en cada estación. .

50.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

80.-------------------------------------------________ 78

76

~

.. Despegue pista 24 a Despegue pista 06

ID

.., 74 o

_J' ., 72

.s:::.

g c: ,!l! .., .g

70 68 66

.~ 64

8e 62 g

60

-i

58

o

>

Z 56 54

52 50;-rl-r,-TlIT-r.-rT-r.-rl-r,-Tl~_r._rT_r,_~_T_r._~

Días del mes

FIGURA 50.14. Muestra de los niveles sonoros corregidos día-noche, medidos en dos posiciones distintas cerca de un aeropuerto donde se producen cambios frecuentes de viento.

Variaciones espaciales

Para describir las variaciones espaciales en los niveles sonoros pueden aplicarse descripciones estadísticas, parecidas a las descritas anteriormente para las variaciones temporales, a una medida determinada del nivel sonoro (valores de L so , Leq o L dn , por ejemplo) tomado en distintas localizaciones. Si es importante mostrar las diferencias de nivel sonoro entre distintas posiciones se utiliza una presentación de líneas isofónicas. Las líneas isofónicas se dibujan sobre un mapa, algo parecido a los mapas topográficos. Existen programas de ordenador para dibujar estas isófonas del ruido del tráfico en autopistas, de aviones y algunos tipos de ruido industrial. (Véanse Capítulos 47 y 48.) Variaciones de los niveles de ruido con la localizaci6n. Para ilustrar el rango amplio de ambientes de ruido que pueden encontrarse, las Figuras 50.15 y 50.16 muestran los resultados de las medidas de ruido exterior realizadas en 18 lugares, que van desde zonas salvajes hasta centros metropolitanos6 • La Figura 50.15 muestra el rango de niveles diurnos con ponderación A en exteriores (niveles sonoros diurnos). La Figura 50.16 presenta los niveles sonoros nocturnos correspondientes. Las localizaciones se presentan en orden descendiente respecto a sus valores diurnos de Loo. Los valores de los niveles sonoros del percentil 50 L 50 diurno correspondientes a los 18 lugares varían desde 20 a 80 dB.

50.19

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Localización Apartamento 3" planta, cerca de la autopista - - - - - - - - - - - j i im 3' planta elevada, centro urbano, Los Angeles Piso de la 2' planta, Nueva York - - - - - - - - - - Centro comercial urbano - - - - - - i Playa popular en el océano P a c i f i c o o - - - - - - - - - i ! i Atsrrizaje de avión Residencia urbana cerca de aeropuerto principal Wi2*W Residencia urbana cerca del océano - - - - - - - j , • • Residencia urbana a 6 millas de aeropuerto principal, i • , R hit 4 Residencia en la periferia cerca de las vias del tren Residencia urbana - - - - - - - - - Residencia urbana cerca de aeropuerto pequeño ! e • Despegue de avión Residencia antigua cerca del centro de la ciudad • Residencia en la periferia de la ciudad j e • ¿ ¿& Sobrevuelo de avión Residencia en calle sin salida de ciudad pequeña • Tráfico de calle principal Residencia en calle principal de ciudad pequeña - , Residencia en colina de un cañón de las afueras • • Tráfico en el cañón Granja en valle • vn. Leyenda Gran Cañón (borde norte) i Avión en el horizonte ----J 80% de jlos datos I

• •

•

L.-

10 20 30 40 50 60 70 Nivel sonoro exterior con ponderación A en dB(A)

80

90

FIGURA 50.15. Niveles sonoros con ponderación A medidos durante el día en 1810calizaciones exteriores, tal y como se indican. Los datos son las medias aritméticas de los 12 valores horarios del período diurno, desde las 7:00 a.m. hasta las 7:00 p.m. (éstos son niveles sonoros diurnos medios).

Variaciones de los niveles de ruido con la altura. En áreas metropolitanas con densidad de población alta, el ambiente sonoro puede considerarse como una función de la altura y de la horizontalidad. Las variaciones del nivel sonoro en el exterior de los edificios de viviendas de varias plantas son de particular interés, Un estudio l4 indica que el nivel de ruido ambiental (excluyendo fuentes locales fuertes), por encima de una distribución continua de fuentes de ruido aleatorias en el plano horizontal, desciende lentamente con la altura; esta tasa de descenso se reduce a medida que aumenta la densidad de las fuentes de ruido, Para los edificios de plantas múltiples aislados, las contribuciones de las fuentes locales fuertes al ruido descienden de forma parecida a las condiciones en campo libre. Sin embargo, si hay muchos edificios, hasta el ruido de las fuentes locales decrece más lentamente (o incluso aumenta) debido a las reflexiones sobre los edificios adyacentes, Dada esta diferencia en el descenso del ruido de las fuentes distantes en comparación con las locales, los valores del nivel sonoro del percentil 90 descienden lentamente con la altura, en tanto que los niveles sonoros del menor percentil excedido (L 1 o L IO ), que suelen venir dictados por las fuentes locales más fuertes, descienden más rápidamente. Esto da como resultado pequeñas fluctuaciones de los niveles de ruido al aumentar la altura. Esta circunstancia se refleja en los datos que muestra la Figura 50.17, que se basan sobre medidas en el exterior de cuatro plantas distintas de un edificio de apartamentos de 39 alturas en la ciudad de Nueva York l5 • Para los datos del nivel sonoro con ponderación A obtenidos en varias plantas, el rango de variación del nivel sonoro L 50 es aproximadamente 5 dB; el rango de variación del nivel Ll es aproximadamente 20 dB. La comparación de las medidas de las plantas ter-

50.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lO

20

30

40

50

70

60

80

90

Localización

la:;u:to~p;ist~a~~~ -~~-~;f~~~~~f~~:::::~

31 planta elevada, centro urbano. Los Angeles Mi Piso de la 2' planta. Nueva York -----KI4&-_ Apartamento 3' planta. cerca de - - - - -__ Centro comercial urbano - - I . , . • &fM Playa popular en el océano Pacífico ' M i W& Residencia urbana cerca de aeropuerto principal Residencia urbana cerca del océano ~ Residencia urbana a 6 millas de aeropuerto principale ma&&M Residencia en la periferia cerca de las vías del tren ., Residencia urbana - - _ - - - iti • Residencia urbana cerca de aeropuerto pequeño i G¿:z+2ié&e •C • Residencia antigua cerca del centro de la ciudad Residencia en la periferia de la ciudad • • ---

Aterrizaje de avión ¡

Avión lejano Tren en punto muerto

Sin aviones Sin aviones

Residencia en calle sin salida de ciudad pequeña ~;.;=~~~= Residencia en calle principal de ciudad pequeña -, i2' • '*?AI Residencia en colina de un cañón de las afueras • I - - - Tráfico y grillos Granja en valle 'e • Leyenda Gran Cañón (borde norte) - - - - , --l 80% de [los datos [

1---

I

Lgg

"".mm L.., L.., LlO

lO 20 30 40 50 70 60 Nivel sonoro exterior con ponderación A en dB(A)

80

i

L,

90

FIGURA 50.16. Niveles sonoros con ponderación A medidos durante la noche en 18 localizaciones exteriores, tal y como se indican. Los datos son las medias aritméticas de los 9 valores horarios del período nocturno, desde las 10:00 p.m. hasta las 7:00 a.m.

cera y décima que aparecen en la Figura 50.8 muestra un cambio menos pronunciado de los niveles con la altura. Nótese que los niveles L 50 son esencialmente iguales, en tanto que L JO sólo descendió 2 dB con la altura. Mediciones de ruido en interiores y exteriores. La mayoría de los estudios sobre el ruido comunitario se basan sobre medidas en exteriores; por lo general, su realización resulta más cómoda y pueden relacionarse con las fuentes de ruido exteriores. Sin embargo, desde el punto de vista de la definición del ambiente de ruido a que las personas están realmente expuestas durante su vida cotidiana, las mediciones en exteriores resultan inadecuadas y engañosas, porque ignoran las contribuciones de muchas fuentes interiores de ruido y los ruidos que producen las actividades de las «personas» . La comparación de los ambientes de ruido exteriores e interiores ilustra claramente estas discrepancias. La Figura 15.18 muestra la diferencia entre los niveles sonoros horarios (con ponderación A) en interiores y exteriores de la Figura 50.7, correspondientes a una oficina de un centro urbano. Hay que destacar el cambio agudo en las diferencias entre los niveles sonoros interiores y exteriores para las horas de actividad en la oficina, aproximadamente de 8:00 a.m. a 4:00 p.m. La Figura 50.19 muestra los niveles sonoros horarios (con ponderación A) medidos en dos lugares residenciales; en ambos, se compararon los niveles sonoros en el salón con los exteriores. Nótense las diferencias en los patrones de exposición al ruido.

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

50.21

98 95 cncn

90

N

00 ...JO

wi5 80 ::::>w OU ...JX 70 WW Zz 60

~~

\

\

50

~\

~cn

WW 40 30

¡::2 wa:: 0 0

Wz 20 PLANTA 26_ ;!cn Zcn 10 Ww PLANTA U...J 37 ___ a::w O> 5 ""'0

c..z

2 0.5 50

~~ '\,~\\ l\ \

PLANTA 3

1\

~LANTA

\

14

r\.

'\

60

70

......... 80

90

FIGURA 50.17. Distribuciones acumulativas de los niveles sonoros con ponderación A medidos en el exterior de un edificio de apartamentos de 39 plantas en la ciudad de Nueva York.

PREDICCION DEL RUIDO DE LA COMUNIDAD Los métodos para predecir el ruido comunitario dependen de la información o de las hipótesis respecto a las principales fuentes de ruido exteriores. Si una comunidad está expuesta al ruido de una sola fuente «fuerte», el ruido puede predecirse considerando únicamente esta fuente. Así, para comunidades cercanas a aeropuertos o autopistas importantes, los modelos adecuados de predicción del ruido de aviones y autopistas estiman también el ruido comunitario. Si el ruido se debe a varias fuentes locales, pueden calcularse las contribuciones de cada una de ellas y luego combinarse 16•• Sin embargo, en muchas comunidades, el ambiente sonoro es resultante de muchas fuentes, tanto distantes como cercanas. Las predicciones que sólo se basan en las fuentes locales (p. ej., el tráfico de una calle residencial) suelen llevar a subestimar el ruido ambiental. Las predicciones del ruido comunitario suelen basarse en fuentes de ruido indefinidas, más o menos distantes. Para hacerlo, hay que añadir las contribuciones de las fuentes de ruido locales si son significativas.

* Resulta tedioso calcular la distribución combinada del nivel de ruido a partir de las distribuciones de los niveles de ruido de las fuentes individuales. Sin embargo, si se conocen los valores del nivel sonoro equivalente continuo L.q de cada fuente, el nivel sonoro combinado equivalente continuo puede calcularse mediante la Figura 1.14.

50.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

- - - - l, - - l,o _ _ leq - - - l50

_ •• - 19o

HORA DEL OlA

FIGURA 50.18. Diferencias entre los niveles sonoros horarios medios con ponderación A del interior y el exterior de un edificio de oficinas del centro urbano de Los Angeles.

Previsión general del ruido comunitario a partir de la densidad de población

Un método para predecir el ruido comunitario asume que el tráfico de vehículos es la contribución aislada más importante al ruido ambiental en comunidades que no están cerca de autopistas o aeropuertos lO • Este considera que, para un rango amplio de densidades de población y poblaciones urbanas totales, el número de automóviles por persona es casi constante, que la relación entre camiones y automóviles en servicio es casi constante, y que el uso de los vehículos es directamente proporcional a la densidad de población. También considera que si se omite el tráfico en las autopistas de acceso limitado, la velocidad media de los vehículos en áreas urbanas es fundamentalmente constante. De acuerdo con este modelo predictivo, el nivel sonoro corregido día-noche Ldn para la densidad de población en la vecindad de la zona residencial viene dado por Ldn =

10 10glO P + A dB

(50.3)

donde p es la densidad de población. Si p se expresa en personas por milla cuadrada, A = 22 dB; si p se expresa en personas por kilómetro cuadrado, A = 26 dB. Esta ecuación se aplica a áreas que no están localizadas cerca de ninguna fuente fuerte de ruido significativa. A este valor hay que añadirle las contribuciones de fuentes de ruido como autopistas, vías de tren, plantas industriales o aviones. Por ejemplo, supongamos que la densidad de población en un área de la periferia es de 772 habitantes por kilómetro cuadrado (2000 habitantes por milla cuadrada). Entonces, de acuerdo con la Ecuación (50.3), el nivel sonoro corregido día-noche es 55 dB.

50.23

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

o ~

0

~

170,r-r-~~~~""'E""'xt""'erTioTr'T"T""""""'T'"1...,...,;-r-""""'T"T""1 ~ - - Interior -8

70

"'O

o

~~

c::

_ _ Exterior - - - Interior

o Sal6n, lugar 1211, San Luis

~o~

c::

Sal6n, lugar 1608,

Los Angeles 51 51 ~2~~~3~~6~~9~~12~~15~~18~~2~1~24 ~ 2%~~3~~6~~9~~12~~15~~18~~2~1~24 Z

Hora del día

Z

Hora del dla

FIGURA 50.19. Comparación de los niveles sonoros medios horarios con ponderación A en interiores (salón) y exteriores de dos lugares residenciales.

Estimaciones de la distribución del ruido de exteriores en función de la población

La Tabla 50.2 muestra una estimación del número de personas expuestas en EE.UU. a distintos niveles exteriores día-noche 17 , Estos datos incluyen poblaciones muy afectadas por el ruido de autopista y de aeropuerto.

CONSIDERACIONES PARA LLEVAR A CABO UN ESTUDIO DE RUIDO COMUNITARIO Los fmes del estudio, su amplitud y la precisión deseada en las medidas influirán sobre su complejidad, duración y costes. Así, hay que establecer claramente los principales requisitos del estudio. Cuando se han definido, los problemas de la medida del ruido comunitario se reducen a dos: 1. Asegurar que se recogen datos suficientes y estadísticamente independientes, de manera que se pueda obtener la precisión y significación deseadas, 2, Si el objetivo es medir el ruido en la comunidad producido por una fuente concreta, asegurar que las medidas recogen todo el sonido producido por ésta sin la contribución de otras fuentes extrañas.

A veces, el objetivo de las mediciones del ruido comunitario es la determinación del nivel de ruido ambiental. Estas medidas pueden utilizarse para verificar que el lugar satisface los requisitos de ruido para un determinado uso de suelo propuesto, o pueden utilizarse para hacer un seguimiento de las tendencias del ruido a largo plazo, etcétera. La medida del ruido ambiental es el tipo más sencillo de medición del ruido comunitario, ya que, en este caso, todos los ruidos del lugar se incluyen en la medición. Al realizarla, es importante asegurarse de que la medición continua es

50.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

TABLA 50.2. Número de personas en Estados Unidos que viven en residencias expuestas a diferentes niveles sonoros corregidos exteriores día-noche Número de penonas, millones

Nivel dfa.noc:he,

dO' >80 >75 >70 >65 >60 >58

Sólo tr8fIw

Tráflw y aviones

Tráfico

Tráfiw

y wnstrucdón'

y frenes

Tráflw e industria

~,I

0,1 0,5 2,2 7,6 16,1 24,3

0,2 0,8 2,8 6,0

0,1 1,0 3,0 4,4 6,0

0,2 1,2 3,7 6,9

OC ~,5

15,2 36,6 49,2

Total 0,2 1,5 8,1 2713 63,6 92,4

• Dado que el análisis implica combinar distribuciones de población a 55 dB Y superiores, la distribución comienza en 58dB. t Sólo incluye exposición residencial al ruido de construcción. Fuente: De acuerdo con la Referencia 17.

suficientemente larga, o de que el número de muestras tomadas es suficiente para lograr la precisión deseada. La precisión estadística de las medidas sólo puede aumentarse mediante información adicional independiente, ya sea a partir de datos acústicos independientes o de datos no acústicos, como puede ser información con respecto al funcionamiento de las distintas fuentes de ruido. Las muestras de datos que están demasiado próximos en el tiempo no son independientes. Consideremos los datos acústicos correspondientes a ciertas mediciones de un día de los niveles sonoros corregidos día-noche; la fuente de ruido dominante es una autopista cercana y la dirección del viento es desde ésta hacia el lugar de medición en el día elegido. Es probable que en muchos lugares de la dirección del viento sea ésta al día siguiente. Los patrones climáticos típicos pueden ser tales que sólo el muestreo durante varios días, o más, sea auténticamente independiente. Los patrones climáticos también pueden afectar al funcionamiento de la fuente, así como a la propagación acústica del sonido. La dirección del viento afecta al uso de las pistas en los aeropuertos y esto, a su vez, afecta al ruido recibido en la comunidad. Además, la fuente en sí puede tener un patrón temporal. La autopista puede estar más concurrida en días laborables, la carretera a la playa durante el fin de semana, la fábrica puede cerrar los fines de semana y el aeropuerto puede tener vuelos chárter adicionales los sábados. La situación más difícil es la medición en la comunidad del ruido producido por una fuente específica, como un aeropuerto, autopista o fábrica. En este caso, no sólo hay que resolver las cuestiones relacionadas con la precisión temporal de las mediciones, sino asegurarse de que las medidas acústicas incluyen virtualmente todo el ruido producido por la fuente que se estudia, sin incluir cantidades significativas de ruido producido por otras fuentes. Por ejemplo, podríamos tomar muestras de ruido cerca de un aeropuerto para comparar los datos medios con los niveles predichos por ordenador. En este caso, las mediciones tendrán que ser tales que todas las demás fuentes de ruido (p. ej., fábricas, carreteras y autopistas) tengan un nivel suficientemente bajo como para no aumentar apreciablemente los niveles medidos. Por lo general, la medida del ruido en lalcomunidad producido por una fuente específica sólo puede lograrse mediante una cuidadosa selección y seguimiento de

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

50.25

los lugares de medición. En ocasiones, esto dicta la necesidad de observadores in situ o de un complejo procesamiento acústico y no acústico de la señal. En un ae-

ropuerto, la obtención de datos válidos puede necesitar de dos monitores que midan (acústicamente) en línea secuencial los niveles apropiados, en la secuencia correcta y con el espaciamiento temporal adecuado al funcionamiento que presenta el listado de las autoridades de aviación del aeropuerto. Así, en este ejemplo, se aplicarían tres pruebas a los datos: (1) la fuente debe estar funcionando, hay un avión en vuelo; (2) la secuencia temporal de los monitores adyacentes se ajusta al funcionamiento de la fuente, y (3) los niveles acústicos están dentro de los límites esperados para la operación aérea que se está realizando. Requisitos del muestreo temporal a largo plazo

El problema del muestreo temporal a largo plazo puede descomponerse en dos variables predominantes. En primer lugar, las condiciones climáticas afectan a la propagación del sonido entre la fuente y el receptor. La dirección del viento, su perfil de altitud y la presencia (o ausencia) y perfil de altitud de inversiones térmicas de bajo nivel son factores importantes que afectan a la propagación del sonido a distancias tan pequeñas como lOO m (328 ft). La humedad relativa es un factor significativo en el control de la cantidad de sonido absorbido por la atmósfera. Estos factores varían con la estación. Los vientos pueden ser del sur en verano y del norte en invierno, las inversiones térmicas pueden ser frecuentes en invierno y escasas en verano y la humedad relativa puede ser más alta en primavera. La variación del sonido recibido en la comunidad dependiendo de las condiciones meteorológicas aumenta al hacerlo la distancia de la fuente de ruido y el contenido espectral del sonido. En general, la variación aumenta con la distancia y la frecuencia del sonido. Las fuentes típicas de sonido en la comunidad variarán en 10 dB a 300 m (984 ft) y variarán en 40 dB o más a 3 km (1,9 mi). Dado que el clima es el factor que más afecta a la propagación del sonido, en ausencia de otra información, es imposible medir los niveles sonoros medios más deprisa de los que podamos medir las condiciones meteorológicas medias sobre las que se base la propagación del sonido. Si el viento es la variable fundamental en un lugar determinado, será imposible medir con precisión el sonido medio recibido, a menos que midamos el tiempo suficiente como para incorporar una buena media de las condiciones del viento o tengamos en cuenta, de alguna otra forma, la variación que se produce en el sonido recibido dependiendo de las condiciones climáticas. Una forma de evitar medidas prolongadas del ruido de la comunidad es evaluar el sonido recibido bajo un conjunto de condiciones meteorológicas, sobre todo para fuentes fijas en el espacio. Se podría medir el sonido recibido de una fábrica bajo condiciones de viento a favor, en contra y cruzado. A continuación, mediante estadísticas climáticas a largo plazo, se puede calcular una media prevista del sonido recibido.

50.26

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Consideraciones de instrumentación y medición

Instrumentación especial. Existen equipos portátiles para medir el ruido continuamente a lo largo de períodos de 24 horas. Habitualmente, estos equipos pueden funcionar uno o más días sin necesidad de asistencia. Se toman muestras de los niveles sonoros con ponderación A a intervalos frecuentes (intervalos de 1/8 a 2 segundos) y se almacenan para su posterior procesamiento o impresión. Las prestaciones típicas de este equipamiento incluyen el cálculo del nivel sonoro equivalente continuo Leq Y los niveles correspondientes a varios percentiles para períodos horarios o de otros tiempos especificados. Algunos equipamientos también calculan el nivel sonoro corregido día-noche cada 24 horas de medición. Otros también tienen la capacidad adicional para medir el nivel, hora de ocurrencia y duración de sucesos individuales de ruido cuyos niveles superen un umbral seleccionado. Muestreo temporal de los ruidos. A veces, resulta conveniente estimar la exposición al ruido de 24 horas a partir de medidas de muestras más pequeñas (en lugar de un muestreo continuo). Entonces se toman muestras del ruido a intervalos más o menos regulares a lo largo del día mediante alguna de las siguientes técnicas.

Método 1. Obtener una muestra continua de ruido con una duración de X minutos, cada hora, durante un período de 24 horas (donde X es un número inferior a 60); p. ej., muestras de 5,10 o 20 minutos. Registrar estas muestras en cintas o medir los niveles sonoros con ponderación A directamente. Método 2. Registrar muchas muestras cortas en cinta (habitualmente de 2 a 10 segundos de duración, a intervalos iguales a lo largo de un período de una hora). Por ejemplo, con esta técnica de muestreo (a veces denominada micromuestreo), el ruido puede medirse durante un total de 10 minutos durante una hora, con la adquisición de 60 muestras de 10 segundos. Las diferencias entre los niveles de ruido estadísticos obtenidos a partir de estas muestras y los obtenidos mediante la observación continua dependen de la variabilidad en el ambiente de ruido y el número de sucesos discretos de ruido que puedan producirse. Cerca de una autopista concurrida, un medida de pocos minutos de duración mostrará estadísticas muy parecidas a las de una muestra continua de una hora. Por otra parte, si uno o dos sucesos de ruido, como aviones sobrevolando, determinan los valores L¡ Y Leq para esa hora, las muestras cortas pueden dar lugar a grandes diferencias. Para la mayoría de las situaciones, en que es probable que se produzca un número relativamente grande de sucesos por hora (20 o más por hora), hacer muestreos de 10 minutos por hora aporta una precisión razonable; si es posible, los 10 minutos deben estar compuestos de varias muestras cortas, distribuidas a lo largo de la hora. Si los niveles sonoros equivalentes continuos están muy influidos por unos pocos acontecimientos acústicos durante la hora (por ejemplo, aviones que sobrevuelan), es mejor obtener sólo una medida de esos pocos sucesos que intentar un muestreo aleatorio a lo largo de todo el período. A menudo puede obtenerse información sobre el número medio de sucesos de ruido que se producen, pudién-

MEDICIONES DEL RUIDO COMUNITARIO

50.27

dose así estimar los valores del nivel sonoro continuo equivalente (con ponderación A) a partir de las medidas de unos pocos acontecimientos discretos. Mediciones «master-slave». Las capacidades de la medición continua durante 24 horas pueden aumentarse significativamente en muchas situaciones tomando muestras del ruido a intervalos regulares en otras posiciones auxiliares en la vecindad de la localización del monitor de 24 horas. Una comparación de los niveles de las muestras cortas con los medidos al mismo tiempo en la posición continua establecerá las diferencias en el ruido ambiental de las estaciones auxiliares con respecto a la estación «maestra» y permitirá estimar la exposición al ruido para 24 horas en las estaciones auxiliares, a partir de una base limitada de muestras. De la misma manera, los niveles a largo plazo pueden predecirse con bastante precisión mediante la comparación de los datos obtenidos en el seguimiento a corto plazo (durante varios días) en un lugar con los datos de seguimiento continuo del ruido (a largo plazo) en otro lugar18 •

REFERENCIAS 1. «Part 150 - Airport noise compatibility planning», Federal Aviation Regulations, Federal Aviation Administration, Washington, D.e. 20591, revisado 18 de enero de 1985. 2. Noise planning, Air Force Environmental Planning Bulletin 12, USNPREVX, Environmental Planning Division, diciembre 1976. 3. «California noise insulation standards», California Administrative Code, Part 2, TitIe 24, App. Capítulos 2-35, Sacramento, CA 95807, febrero 1974. 4. G. L. Bonvallet, J. Acoust. Soco Am., vol. 23, 1951, p. 435. 5. M. A. Simpson, 1-205 Noise impact analysis, BBN Report 2200, preparado para la Oregon State Highway Division, 1972. 6. Community noise, EPA Report NTID3oo.3, preparado por Wyle Laboratories, diciembre 1971. 7. D. E. Bishop, Program for the measurement of environmentaal noise, Report DOT-TST74-4, Department ofTransportation, Washington, D.e., septiembre 1973. 8. D. W. Robinson,J. Sound Vib., vol. 14, 1971, p. 279. 9. T. J. Schultz, Sound and Vib., vol. 6. n.o 2,1972, p. 18. 10. W. J. Galloway, K. M. Eldred y M. A. Simpson, Population distribution ofthe United States as a function of outdoor noise level, EPA Report 550/9-74-009, junio 1974. 11. D. E. Bishop y M. A. Simpson, Noise control engineering, vol. 1, n.o 2,1972,74. 12. M. A. Simpson y cols., Social survey and noise measurement program to assess the effects of noise on the urban environment: Data acquisition and presentation, BBN Report 2753, Canoga Park, CA 91303, preparado para la EPA,julio 1974. 13. D. E. Bishop,J. Acoust. Soco Amer., vol. 58, (A), 1975, p. 869. 14. L. e. Sutherland,J. Acoust. Soco Am., vol. 57, 1974, p. 1540. 15. N. L. Meyerson, «Study of traffic noise levels at various heights of a 39 story building», Urban Physical Environmental Conference, Syracuse, N.Y., 1975. 16. P. M. Nelson, Applied Acoustics, vol. 6,1973, p. 1. 17. Noise in America: The extent of the noise problem, BBN Report 3318R, Cambridge, MA 02238, enviado a la EPA,junio 1981. 18. J. Igarashy e 1. Yamada,J. Acoust. Soco Japan. vol. 10, 1989, p. 4.

Capítulo

51

RUIDO Y LEGISLACION Albert J. Rosenthal

INTRODUCCION A pesar de que las medidas de reducción de ruidos son a veces llevadas a cabo sin tener en cuenta una obligación externa de mejorar las condiciones de comodidad tanto de las personas como de los trabajadores o vecinos, por lo general se realizan debido a exigencias legales. En la mayoría de las industrias resultan más económicas las instalaciones ruidosas que las silenciosas. Al causante de la contaminación sonora, así como a su equivalente en lo relativo a contaminación atmosférica o de las aguas, le resulta económicamente más ventajoso continuar contaminando hasta verse obligado a detener o reducir sus niveles de emisión. El contratista de una construcción que emplea un tipo de compresor ruidoso en vez de uno silencioso, que es más caro, está imponiendo un coste operativo indirecto sobre las personas que se encuentran en las inmediaciones, en vez de responsabilizarse él mismo y hacer que lo asuma la parte contratante. La aerolínea que mantiene en funcionamiento un modelo viejo y ruidoso de avión (que podría ser modernizado o reemplazado con un coste adicional) está imponiendo de modo similar un coste medioambiental sobre los habitantes de las cercanías del aeropuerto. Por tanto existen a menudo grandes incentivos económicos para continuar contaminando, tanto en lo que respecta a ruidos como en otras áreas, «externalizando» parte del coste del negocio propio sobre personas ajenas que no se benefician de la actividad. Ya que en estas circunstancias el funcionamiento habitual de las fuerzas económicas no responde con la debida eficacia, es habitual remitirse a la intervención de la ley para restablecer el equilibrio. Las leyes de control del ruido no limitan su aplicación solamente a la actividad puramente industrial. El uso de sonido amplificado con fines comerciales también está sujeto a la regulación, así como las actividades personales no lucrativas como, por ejemplo, el funcionamiento de aparatos de radio y televisión durante la noche y 51.1

51.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

el uso de trineos motorizados o de automóviles o motocicletas inadecuadamente insonorizados. En conclusión, el control del ruido en la industria y en la comunidad se ha convertido en gran medida en una cuestión legal. En estos casos, la autoridad gubernamental debe establecer ciertos objetivos sonoros, y en caso necesario utilizar su fuerza para imponer su cumplimiento. Como consecuencia de esta interacción entre el control del ruido y la ley se está revelando como fundamental una colaboración cercana entre expertos técnicos, dirigentes comerciales, agentes gubernamentales y abogados.

GLOSARIO DE TERMINOS LEGALES RELEVANTES Tanto en éste como en los capítulos siguientes aparecen algunos términos legales. A continuación figura un glosario básico con el fin de hacer comprensible a las personas no especialistas la terminología legal más frecuentemente empleada. apelación: Procedimiento por medio del cual un tribunal superior revisa y reconsidera una decisión respecto a un caso previamente decidido por un tribunal inferior. civil: No criminal; aplicado a litigios se refiere al procedimiento por medio del cual se procura primordialmente llegar a un acuerdo y no aplicar un castigo. criminal: En contraposición a civil, se aplica al procedimiento por medio del cual un gobierno federal, estatal o local castiga una conducta incorrecta, normalmente con una sentencia de prisión o una multa. demandado: Persona en contra de la cual se lleva a cabo una acción civil o una procesamiento criminal. demandante: Persona que solicita una acción civil, legal o de equidad, tanto por daños, órdenes de suspensión u otras compensaciones, bien contra demandados privados o entidades gubernamentales. derecho común: Parte de la ley inglesa o norteamericana que evolucionó gracias a las decisiones acumuladas de jueces en casos de litigios reales. Este término también se emplea para designar la ley llevada cabo por los jueces a partir de la legislación, y a veces para diferenciar la doctrina creada por los tribunales de justicia de la originada en los tribunales de equidad. derecho de prioridad: Exclusión de un estamento gubernamental inferior para legislar sobre un asunto específico debido a la regulación total o inconsistente por parte de un estamento gubernamental superior. Por ejemplo, impide la legislación estatal o local de aspectos ya cubiertos por el gobierno federal y las interferencias comparables con legislaciones locales en casos en que ya haya actuado la legislación estatal. equidad: Conjunto de reglas y procedimientos legales que tuvieron como origen el Tribunal de Equidad inglés y tienen la finalidad de aminorar la severidad e inflexibilidad de las reglas y procedimientos de los tribunales de derecho común. Modos previamente inasequibles de compensación, tales como las órdenes de suspensión, podían ser aplicados en las cortes de equidad, mientras que los tribunales de derecho común se debían limitar, salvo escasas excepciones, a compensar daños. Hoy en día todos los tribunales federales

RUIDO Y LEGISLACION

51.3

y casi todos los estatales se hacen cargo tanto de asuntos legales como de equidad. Sin embargo, ciertas características particulares de cada uno han sobrevivido a este proceso de fusión, como la mayor flexibilidad de los de equidad para equilibrar intereses a la hora de tomar una decisión, y el derecho a un tribunal con jurado para casos legales y no para casos de equidad. estatuto: Véase legislación. expropiación: El embargo de propiedad privada para uso público. Otros términos para este mismo proceso incluyen expropiación forzosa y confIScación. De acuerdo a la Quinta Enmienda de la Constitución de los Estados Unidos, cuando el gobierno federal adquiere una propiedad privada, debe pagar a su propietario el precio justo, requisito al que también se ven obligados los gobiernos estatales y locales, según la Decimocuarta Enmienda. La expropiación inversa es el nombre que recibe la acción por medio de la cual en ciertos casos en que la propiedad privada queda destruida o su valor aminorado por la acción gubernamental la conducta del gobierno es considerada como un embargo, y por tanto se debe aplicar la obligación constitucional de compensar al propietario. expropiación inversa: Véase expropiación. indemnización: Remuneración monetaria otorgada por un tribunal en un procedimiento civil con el fin de compensar a la parte perjudicada por daños a sus derechos personales o de propiedad. interdicto mandatario: Véase orden de suspensión. juicio: Aspecto del litigio en el que se presenta la evidencia, se analiza su credibilidad, y el jurado o juez toman una decisión (a veces sujeta a apelación) respecto a los méritos de la controversia y, eventualmente, la compensación a entregar. (Compárese con apelación, definida anteriormente.) legislación: Ley promulgada por un poder legislativo, como por ejemplo una ley del Congreso, un estatuto adoptado por la legislación del estado o una ordenanza decretada por la legislación de una ciudad, condado, villa o pueblo. (La palabra estatuto designa una ley federal o estatal, mientras que ordenanza es la ley adoptada por instituciones gubernamentales locales.) litigio: Pleito de un juzgado, o sea, acción civil o procesamiento criminal. molestia: Agravio legal continuado, normalmente cometido por un propietario o ocupante de una propiedad contra personas o propiedades cercanas. La dificultad estriba en averiguar si el daño sufrido por las personas o propiedades cercanas sobrepasa la utilidad de la actividad u objeto que lo provoca. Véase el Capítulo 52. orden de suspensión: Orden del tribunal por medio de la cual se prohíbe cierta conducta. Ocasionalmente es preciso que una orden de suspensión establezca cierta acción positiva. En estos casos, las órdenes se denominan interdictos mandatarios. ordenanza: Véase legislación. perjuicio: Agravio cometido contra intereses personales o de propiedad, excluyendo incumplimientos de contrato. Este término abarca, entre otras cosas, la provocación de daños personales (bien intencionados o por negligencia), libelos, calumnias, transgresión por intrusión en propiedades ajenas, y molestias (véase anteriormente). procedimiento: Un pleito civil.

51.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

procedimiento de clase: Acción civil normalmente llevada a cabo por uno o por un número pequeño de demandantes en nombre de muchas otras personas en situación similar. regulación: Consiste genéricamente en cualquier regla que establezca conductas permitidas o prohibidas, tanto si se dan en la legislación como en el procedimiento de una agencia legislativa. El término regulación se emplea normalmente para designar las reglas promulgadas por una agencia administrativa de acuerdo con la autoridad delegada en ella por la legislación. Las regulaciones federales de aplicación general de cumplimiento público obligatorio deben ser publicadas en el Registro Federal y aparecen normalmente de modo permanente en el Código de Regulación Federal (publicaciones ambas del gobierno federal). Las sentencias de política de la agencia que no poseen fuerza de ley no siempre aparecen publicadas en el Registro Federal. Los requisitos de publicación de las regulaciones de gobiernos tanto estatales como locales son tan variados que hacen imposible su generalización.

ORIGENES DE LA LEGISLACION SOBRE CONTROL DEL RUIDO Los tribunales

Los primeros sistemas legislativos de control del ruido fueron establecidos por la magistratura mucho antes de que existiese un interés público suficiente que forzara a los legisladores a elaborar estatutos. Cuando la ley debe regularse en el juzgado (lo que los abogados denominan habitualmente derecho común) los litigios entre dos personas se deciden en base a un cuerpo legislativo precedente desarrollado y extendido gradualmente en los tribunales sin intervención estatutaria. Por ejemplo, la ley de ruidos así desarrollada, que ofrece la posibilidad de soluciones tales como órdenes de suspensión que impidan nuevas ofensas o indemnizaciones que resuelvan las ya cometidas en los casos en que una persona, normalmente el propietario, pueda demostrar que un vecino realizó actividades en su propiedad de modo tal que interfirieron en el uso o disfrute de la propiedad del demandante. Por tanto, la provocación de ruidos excesivos que interfieran en la tranquilidad o el reposo ajeno podría en circunstancias apropiadas ser considerada como molestia, así como el empleo de otros terrenos de modo ofensivo al sentido o la sensibilidad de los vecinos, o al valor de su propiedad, como la instalación de una fábrica, un matadero o una casa de prostitución en un área residencial. Legislación local

Las primeras leyes relacionadas con el ruido fueron en su mayoría creadas por los jueces. No obstante, a medida que transcurría el tiempo se impuso otro tipo de necesidades públicas. El ruido ofensivo no quedó limitado simplemente al que un vecino impusiera sobre otro. Surgieron, especialmente en áreas urbanas, otros causantes y otras víctimas que revelaron inadecuadas las soluciones previstas por el derecho común. La respuesta de los gobiernos locales consistía en aplicar a los provocadores de ruido ordenanzas excesivamente generalizadoras (tales como las que

RUIDO Y LEGISLACION

51.5

prohibían «conductas desordenadas») o promulgar nuevas leyes contra ruidos escasamente definidas que vetaban ruidos «innecesarios» o «excesivos». Su cumplimiento recaía generalmente en la policía local, que acudía para acallar un perro ladrador, una pelea entre una pareja o una radio con volumen excesivo. A medida que se iba incrementando el tráfico de vehículos, fue asimismo convirtiéndose éste en una causa habitual de molestias sonoras locales, que siguió sin embargo tratándose por medio de medidas policiales que multaban ocasionalmente al que tocaba excesivamente el claxon, tuviera un silenciador defectuoso o careciera del mismo. Los problemas legales relativos al control de ruidos se consideraban primordialmente de índole local y se resolvían según estimaciones subjetivas. Considerando que los efectos directos del ruido se perciben por lo general en áreas relativamente pequeñas, no sorprende que la legislación inicial intentase regular sus efectos sobre todo por medio de instituciones gubernamentales locales!. Con el desarrollo de la tecnología de medición sonora la ley sufrió un cambio paralelo. Las antiguas clasificaciones de «ruido innecesario» o «conducta desordenada» de las ordenanzas municipales empezaron a ceder el puesto a limitaciones definidas con mayor exactitud y expresadas frecuentemente en términos de nivel sonoro. De este modo se contaba con las ventajas de una normativa objetiva, pero al mismo tiempo surgían problemas de comprobación debido a la habitual falta de práctica con equipos de medición sonora por parte de los oficiales que velaban por el cumplimiento de las normas. Los gobiernos locales no podían prácticamente nunca permitirse el gasto excesivo de equipamiento o personal especializado necesario, y para los municipios resultaba difícil solucionar los problemas que surgían por las características móviles de las fuentes tales como aviones o camiones. Como resultado de estos factores, así como del cambio gradual en la filosofía gubernamental (considerándose al gobierno estatal y posteriormente al federal cada vez más responsables de la salud y del bienestar de sus ciudadanos, y con la aceptación pública creciente de las regulaciones de tipos adicionales de actividad), la legislación sobre control del ruido se fue considerando progresivamente como un estatuto de estado, y más recientemente, del gobierno federal. Pese a todo, las leyes locales son aún de gran importancia en todo lo relativo al control del ruido.

Legislación estatal

Desde que los estados asumieron la responsabilidad del registro de vehículos de motor, muchos de ellos comenzaron a precisar en las últimas décadas las inspecciones periódicas de seguridad, algunas de las cuales incluían por lo menos un examen del funcionamiento adecuado del silenciador, aunque no de la cantidad global de ruido emitido. Hasta los años sesenta no se comenzó a establecer una legislación estatal sobre ruido de camiones y automóviles en términos de nivel sonoro a una distancia fija. En la segunda mitad del presente siglo se produjo un rápido desarrollo de la legislación estatutaria estatal en relación a los efectos del ruido en el oído de los trabajadores. La legislación común prácticamente nunca había propuesto soluciones a los empleados cuya audición se encontrase permanentemente alterada por el ruido en el trabajo. A medida que el antiguo sistema de derecho común sobre perjuicios

51.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

se iba reemplazando gradualmente por compensaciones a los trabajadores, en las que la responsabilidad no se consideraba una falta sino un coste añadido a un negocio empresarial (normalmente asegurado contra ello), ciertos tipos de accidentes laborales requirieron una compensación monetaria. Durante muchos años, sin embargo, la pérdida de audición no se consideró por lo general cubierta a menos que se demostrase que afectaba a la capacidad de realizar su trabajo por parte de la persona afectada. Como aparece en el Capítulo 20, los tribunales del estado de Nueva York consideraron en 1948 la pérdida de audición como merecedora de compensación independientemente de la tarea realizada, y la mayoría de los estados del país realizaron seguidamente enmiendas a sus estatutos e interpretaciones jurídicas revisadas. Las leyes compensatorias, sin embargo, ofrecen una solución monetaria cuando ya se ha producido la pérdida de audición. No proporcionan una regulación de los niveles sonoros, ni ofrecen ayuda directa para prevenir la aparición de la pérdida de audición, aunque la posibilidad de responsabilidades futuras puede ejercer un efecto disuasor en el momento presente. Se estableció una legislación federal que cubría esta necesidad, pero como no era aplicable a los empleados de muchas industrias locales, algunos estados la emplearon como modelo para su propia legislación o regulaciones. Legislación federal

La primera regulación federal para la protección de los trabajadores contra ruidos se realizó de acuerdo a la Walsh-Healey Act'. Esta ley fue promulgada en el Congreso en 1936 para establecer al menos una normativa mínima de las condiciones laborales de los empleados en compañías que realizaban negocios con el gobierno federal. La principal finalidad de la ley original consistía en imponer un salario mínimo y una regulación de horario máximo de trabajo sobre el trabajo llevado a cabo por los adjudicatarios del gobierno, en una época en la que existían serias dudas sobre si la aplicación federal global de tales medidas era constitucional. Mientras surgían nuevas regulaciones sobre ciertos aspectos de seguridad en el trabajo, así como sobre salarios y horas trabajadas, no fue hasta 30 años después, en 19694 , cuando se llegó a considerar la exposición al ruido de suficiente importancia como para justificar su inclusión específica en la Walsh-Healey Act. Se estableció por aquel entonces un límite de la exposición sonora, mejor dicho varios límites, según el número de horas durante las cuales un empleado debía trabajar en un entorno ruidoso, dependiendo del nivel sonoro con ponderación A. Poco tiempo después el Congreso aprobó la Occupational Safety and Health Act (OSHA)5, que amplió su aplicación de trabajadores empleados por adjudicatarios del gobierno a todos los empleados de empresas de comercio interestatal o exterior. En otros aspectos, la influencia ha venido también desde la legislación local, y a veces estatal, hasta las intervenciones principales del gobierno federal. Esta tendencia es paralela, y probablemente influenciada por la que se ha dado en otras áreas medioambientales, tales como la contaminación de aguas y aire, en las que una primera aproximación meramente federal, que a menudo solamente garantizaba ayudas y asistencia técnica, se consideraba insatisfactoria. Con la atención creciente del

RUIDO Y LEGISLACION

51.7

público hacia los problemas medioambientales y la creencia generalizada de que este tipo de mejoras se estaban llevando a cabo de modo excesivamente lento, el Congreso empezó a estudiar soluciones a nivel nacional. Como consecuencia, en los años recientes se ha producido un rebrote de regulaciones locales sobre ruidos y un desplazamiento del énfasis hacia una responsabilidad federal en este área. Un área importante de compromiso federal ha sido la regulación de gran parte de los aspectos relacionados con la aviación. Como se trata en el Capítulo 53, la Federal Aviation Administration (FAA) se ha involucrado de forma creciente en el control del ruido gracias a su regulación sobre características permitidas de emisión sonora de aviones en funcionamiento, su control de esquemas de vuelo y de rutas de aterrizaje y despegue. La Airport and Airways Development Act de 1970 condiciona los gastos federales en construcción y mejora de aeropuertos a una creciente atención a los valores medioambientales, incluyendo la relación entre el ruido generado en el aeropuerto y el uso del terreno de las comunidades colindantes. Otro compromiso federal se produce con la National Environmental Policy Act (NEPA) de 19696 , que entre otras cosas precisa que para todas las principales intervenciones federales que puedan afectar significativamente a la calidad del medio ambiente debe realizarse un «estudio de impacto medioambiental» que detalle todas las consecuencias probables en el entorno de la acción propuesta, así como las posibles alternativas. Como se discute en el Capítulo 54, los principales programas del gobierno federal (tanto en forma de regulación como de gasto) deben ser llevados a cabo solamente tras un examen riguroso y un conocimiento completo de los posibles impactos medioambientales, de modo que el proceso de toma de decisiones se realice con pleno conocimiento. El ruido se encuentra entre los factores medioambientales que deben ser considerados en los casos principales, con mayor frecuencia en los relacionados con aeropuertos y autopistas. La NEPA pretende no solamente regular la conducta de entidades privadas, sino también la de instancias oficiales federales para que lleven a cabo actividades de acuerdo con otras fuentes de autoridad legal en conformidad con los procedimientos y reconociendo los valores considerados importantes en la legislatura. Muchos estados han promulgado leyes similares a la NEPA que obligan al análisis de impacto ambiental de las actuaciones llevadas a cabo por el gobierno estatal o local, llegando algunas incluso hasta a ser aplicables a las actuaciones realizadas por el sector privado. Además de los requisitos procesales, la NEPA modifica la ley federal efectiva en el sentido de que ordena que «las políticas, regulaciones y leyes públicas de los Estados Unidos serán interpretadas y administradas de acuerdo a las políticas (de protección medioambiental) mostradas en esta ley»7. Previsiones similares aparecen en muchos de los estatutos estatales creados tomando a la NEPA como base. Hasta cierto punto limitado, la NEPA y sus equivalentes estatales no ofrecen sin embargo ninguna normativa específica de protección del entorno, sino que precisan solamente que las decisiones que puedan afectar al medio ambiente se lleven a cumplimiento exclusivamente tras un análisis detallado, consciente y atento de sus probables consecuencias. Esta ley asume que una mayor atención a las consecuencias medioambientales conllevará una mayor protección. La principal ley federal respecto al ruido es, sin embargo, la Noise Control Act de 19728 , que contiene la capacidad estatal de regular el comercio interestatal y ex-

51.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

terior, y autoriza la promulgación de regulaciones por parte de la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) sobre límites sonoros máximos permitidos de objetos en venta o en cualquier caso que se transporten entre estados o al exterior. Como consecuencia, la mayor parte de la ley de control del ruido, e incluso una mayor proporción de leyes federales al respecto, se desarrolló a finales de los años 60 y durante los 709 • Importancia de la Constitución en problemas de control del ruido

La Constitución de los Estados Unidos trata muchos aspectos diversos sobre el controllegal del sonido. En principio establece al gobierno federal como uno de los poderes delegados limitados, por lo que la regulación federal sobre ruidos será válida solamente si es decretada de acuerdo con uno de estos poderes. La autoridad del Congreso utilizada con mayor éxito para finalidades de regulación es la ejercida sobre el comercio interestatal. Las decisiones del Tribunal Supremo de los Estados Unidos desde finales de los años 30 han interpretado la autoridad comercial de modo tan amplio que admiten muy pocas limitacioneslO, aunque ello no ha sido siempre asíll , y la más restringida visión previa por parte del Tribunal en lo que respecta a las relaciones comerciales fue un factor primordial que llevó al presidente Franklin D. Roosevelt a ampliar el Tribunal Supremo en 193712 • Hoy en día, el poder comercial y la autoridad del Congreso para gravar y realizar gastos se consideran lo suficientemente amplios como para permitir un fundamento constitucional básico en cualquier tipo de legislación sobre control del ruido que el Congreso considere apropiado promulgar13 • Otras disposiciones de la Constitución facilitan las restricciones sobre regulación sonora a cualquier nivel gubernamental. Una ley criminal cuya terminología sobre la precaución adecuada sea demasiado vaga podría ser considerada inconstitucional y violatoria del requisito de que la vida, la libertad y la propiedad no pueden ser retiradas sin el debido procedimiento legal (la Quinta Enmienda respecto al gobierno federal y la Decimocuarta Enmienda respecto a los gobiernos estatal y local). Una ley que prohíba ruidos «excesivos» o «innecesarios» podría, por ejemplo, ser considerada no obligatoria como consecuencia de ello. De modo similar, las restricciones sobre ruido de camiones, o manifestaciones sonoras en las cercanías de tribunales, salas legislativas o escuelas podrían oponerse a la protección de la libertad de expresión de la Primera Enmienda (aunque se mantendrán ordenanzas detalladamente explicadas que no discriminen casos impopulares, no confieran una excesiva discreción a la policía u otros agentes oficiales, y permitan unos canales razonablemente alternativos de comunicación). Los gobiernos estatales y locales pueden por lo general aprobar leyes que tengan el propósito de proteger la salud, el bienestar y la seguridad de sus habitantes, incluyendo la autoridad para prohibir el exceso de ruidos. Aunque la garantía ofrecida por la Constitución autorizando al Congreso a regular el comercio interestatal y exterior no impone restricciones sobre los gobiernos estatales y locales expresamente, el Tribunal Supremo viene asegurando desde el siglo XIX la jurisdicción necesaria para invalidar cualquier legislación en la que el Congreso no haya actuado

RUIDO Y LEGISLACION

51.9

pero en la que el Tribunal haya considerado que la legislación imponía restricciones no razonables sobre el comercio interestatal o exterior. Esta decisión fue tomada por el Tribunal con el fin de preservar el concepto del redactor de un «mercado común» económico para toda la nación. Por tanto, y al menos en teoría, una ley de control del ruido estatal o local podría ser considerada inconstitucional si tiene como consecuencia una indebida interferencia con el comercio interestatal o exterior. Al contrario que la mayoría de áreas de la ley constitucional, las decisiones del Tribunal Supremo respecto a los efectos de la autoridad no ejercida por el Congreso en relación a la validez de las leyes estatales o locales sirven, sin embargo, simplemente para llenar el vacío legal no abarcado por el Congreso, y se encuentran sujetas a cambios en caso de que éste elabore leyes que permitan regulaciones estatales o locales que el Tribunal haya invalidado o prohíban las que el Tribunal haya mantenido. Considerando la enorme cantidad de legislación federal sobre control del ruido surgida en los años 60 y 70 es probable que no existan muchos vacíos que el Tribunal deba aún completar. El papel del Tribunal, por tanto, ha consistido fundamentalmente en interpretar las intenciones del Congreso y determinar qué tipos de regulación estatal o local sobre ruidos deben ser permitidos. Véase la sección siguiente sobre Derechos de preferencia y conflictos, y el Capítulo 52, infra. Para terminar, la Constitución misma es por sus propias facultades una fuente de compensación monetaria en alguna medida respecto a los daños causados por el ruido. La Quinta Enmienda especifica que se debe proceder al pago o justa compensación en caso de que se disponga de propiedad privada para uso público, y se ha interpretado la Decimocuarta Enmienda para imponer el mismo requisito sobre los gobiernos estatales y locales. Salvo escasas excepciones, los aeropuertos comerciales del país pertenecen y están dirigidos por agencias gubernamentales federales, estatales, del condado o municipales. Como se trata en el Capítulo 52, el Tribunal Supremo ha establecido que la destrucción del valor de las propiedades colindantes por causa de los vuelos ruidosos de aviones sobre las mismas hacia o desde un aeropuerto de propiedad pública es responsabilidad de la institución gubernamental propietaria, que debe hacerse cargo del valor de la propiedad «tomada» para uso público, bajo el epígrafe de «expropiación inversa». Esta misma regulación es también aplicable en contextos diferentes, como la reducción del valor de la propiedad debido al estruendo causado por autopistas o por instalaciones municipales de recogida de basuras.

Derechos de preferencia y conflictos

Cuando varios organismos gubernamentales intentan regular sobre las mismas cuestiones se producen conflictos potenciales 15. Si, por ejemplo, el gobierno federal impone una normativa de emisión de ruidos de un producto y el ayuntamiento de Nueva York exige una diferente, la relación existente entre ambas regulaciones hace precisa una aclaración. Otra disposición de la Constitución de los Estados Unidos, la «Cláusula de Supremacía» (Artículo VI, seco 2), dictamina que en caso de conflictos prevalecerá la ley federal. Pero no siempre está claro cuándo se produce un conflicto. Por ejemplo, si bajo

51.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ciertas condiciones el gobierno federal permite un nivel sonoro con ponderación A de solamente 80 dB(A) Yel ayuntamiento de Nueva York uno de 85 dB(A), resulta evidente que la reglamentación federal es de obligatorio cumplimiento de cara a la menor severidad de la reglamentación neoyorquina. Pero, ¿qué sucedería en caso contrario? Supongamos que el límite establecido por el gobierno federal es un nivel de 85 dB(A), mientras que el impuesto por el ayuntamiento de Nueva York es de 80 dB(A). Nos encontramos en un área en la que la obligación del Congreso prevalecería. El Congreso establece que, en efecto, el límite se encuentra en 85 dB(A), pero permite y acepta que un gobierno estatal o local indique límites más estrictos, con lo que esta última determinación será igualmente válida. De modo análogo, el Congreso ha establecido claramente cierta cuota por hora en su legislación sobre salarios mínimos que cada estado puede libremente incrementar si así lo desea. Por el contrario, el Congreso puede determinar que es de interés nacional establecer una normativa única para que los productos fabricados en un lugar del país puedan ser vendidos sin violar ninguna ley del país, invalidando por tanto las leyes locales más restrictivas. Así como la legislación federal es a menudo poco clara en lo que respecta a la intención de impedir regulaciones locales más restrictivas, y los tribunales se han visto obligados a resolver el problema por medio de especulaciones sobre lo que el Congreso habría querido decir si hubiera pensado en un caso particular, el Congreso ha reconocido explícitamente el problema varias veces y lo ha intentado resolver. En la Noise Control Act de 1972, por ejemplo, el Congreso estableció varias normativas. En principio, y en lo que respecta a la gama de productos cubierta por esta ley, la regulación estatal y local relativa a ventas es permitida solamente si es idéntica a la regulación federal 16 • Sin embargo, quedan permitidas las regulaciones más restrictivas por parte de los gobiernos estatales o locales respecto al uso 17 • Por ejemplo, supongamos que la regulación federal especifica que los compresores de aire no deben superar un nivel sonoro con ponderación A de 86 dB(A) en un punto dado. Así como el ayuntamiento de Nueva York no puede prohibir la venta de compresores que emitan un nivel de sonido superior a 80 dB(A), puede sin embargo prohibir el empleo de tales compresores, ciertamente durante la noche y en áreas residenciales, y probablemente incluso en cualquier momento o lugar en toda la ciudad si el ayuntamiento lo considera necesario. Este solución de compromiso permite el equilibrio para que los gobiernos locales puedan flexibilizar sus necesidades de promulgar unas regulaciones más restrictivas que obedezcan a problemas locales de particular relieve. Se aplica una regla diferente en los apartados 17 y 18 de la Noise Control Act de 1972 sobre transportes interestatales (ferrocarriles, autobuses y camiones), respecto a los cuales la EPA debe consultar al Departamento de Transportes antes de establecer regulaciones. Pero una vez decididas tales regulaciones, se convierten en exclusivas, y no es posible establecer reglas estatales o locales más restrictivas para el tráfico de trenes, camiones o autobuses. La EPA posee autoridad, sin embargo, para levantar tales restricciones cuando quede establecido que las condiciones locales justifican la imposición de limitaciones más restrictivas por parte del gobierno local. Finalmente, en el campo de la aviación, la autoridad de la EPA queda subordinada a la de las FAA (véase los Capítulos 52 y 53). Las regulaciones de esta última

RUIDO Y LEGISLACION

51.11

son, por lo general, prioritarias sobre cualquier legislación estatal o local no concordante en relación a movimientos de aviones y hechos similares. Aunque, como se indica en el Capítulo 52, los propietarios del aeropuerto (que pueden ser el mismo estado o los gobiernos locales) pueden no verse obligados a obedecer la prioridad respecto a ciertos programas de reducción de ruidos. Como consecuencia, en casos de conflicto, la ley federal se encuentra por encima de cualquier ley estatal o local no concordante con ella. Pueden surgir situaciones análogas entre un gobierno estatal y uno local dentro de ese mismo estado (por ejemplo, un condado, una ciudad o un pueblo) cuando intentan regular acerca de un mismo tema. Como las constituciones y los estatutos de los 50 estados varían en gran medida entre sí, resulta imposible generalizar hasta el extremo de detallar en qué medida la legislación nacional se delega en las instituciones gubernamentales locales, o en qué respecto el control queda reservado al estado. Las cuestiones específicas sobre control del ruido relacionadas con la autoridad gubernamental estatal o local deben por tanto ser consideradas de modo individual.

SOL UCIONES' 8 A la larga, la efectividad de una estipulación legal reside en las soluciones que puede aplicar en caso de incumplimiento. Cuando la ley queda determinada por el juez (como en los casos de molestias indicados anteriormente), el tribunal puede damnificar al demandante por los daños pasados, o puede establecer una orden de suspensión en contra de la continuación de actividades ruidosas futuras, o al menos su volumen, duración o cualquier otra condición bajo la cual podría permitirse. Ya que la compensación por suspensión se considera por lo general sujeta a la discreción del tribunal, se produce un estudio equilibrado de los intereses no solamente de las partes en litigio, sino de otras personas que podrían verse afectadas por la suspensión. Por ejemplo, en algunas circunstancias en las que se imponga un ruido elevado sobre el demandante pero la industria que lo origina sea fundamental para la economía de la zona, el tribunal podría ser remiso a clausurar la empresa, eligiendo la posible opción de limitar la compensación del demandante a una restricción parcial de las actividades ruidosas, o simplemente ofreciendo una recompensa por daños. En una situación más frecuente de regulación legislativa del ruido, las sanciones disponibles dependen de las estipulaciones del estatuto u ordenanza. Un ruido exagerado podría, por ejemplo, ser considerado un delito en el que el demandado asumiría el riesgo de posibles multas o de cárcel. Las demandas criminales en este área son comparativamente escasas (con la posible excepción de demandas por violaciones menores de las ordenanzas locales, a menudo denominadas «ofensas», y análogas a aparcamientos indebidos, más que verdaderos delitos). Existen problemas procesales que hacen que la persecución criminal sea de algún modo más difícil que la sanción civil. Por ejemplo, las pruebas de culpabilidad deben superar la duda razonable más que por una mera preponderancia de la evidencia, el veredicto de absolución no puede ser apelado por el gobierno, y los acusados

51.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

no están obligados a testificar en su propia contra debido .al privilegio de la Quinta Enmienda. Las expropiaciones impuestas en cantidades suficientemente elevadas pueden suponer una carga financiera para el acusado que le prevenga de futuras violaciones de la ley. También sirven para el propósito, discutido con anterioridad, de «internalizar» los costes sonoros imponiéndolos sobre el causante. Según la legislación subyacente, los procedimientos por daños o penas civiles pueden ser interpuestos por las autoridades gubernamentales o por los ciudadanos perjudicados. Las órdenes de suspensión se encuentran también entre las soluciones previstas más frecuentes en la legislación de control del ruido. A menos que se produzca una orden clara en su contra, también se encuentran por lo general sujetas a las limitaciones explicitadas por el equilibrio de intereses aplicadas tradicionalmente en conexión a órdenes de suspensión cuando se produzca una carencia de estatutos sobre el tema. Bajo ciertas leyes, solamente las autoridades gubernamentales sancionadoras pueden demandar y prohibir las violaciones, mientras que según otras los ciudadanos individualmente o las organizaciones medioambientales tienen la facultad de llevar a cabo dichas acciones 19• Otro medio empleado con poca frecuencia pero potencialmente disponible es la «carga efluente» o impuesto diferencial, según el cual las operaciones más ruidosas de cierto tipo son gravadas en mayor medida que las silenciosas. Algunas leyes han empleado esta técnica en materia de contaminación de aguas o de aire, como se especifica en el Capítulo 52. Algunos propietarios de aeropuertos han impuesto tasas de aterrizaje diferenciales según las características de emisión de ruidos de los aparatos empleados. En conclusión, el gobierno puede utilizar su autoridad para aprobar o retirar beneficios como medio de garantizar el control del ruido. Como se ha especificado con anterioridad en relación a la Walsh-Healey Act, el derecho a obtener o a continuar disfrutando de un contrato con el gobierno está sujeto al cumplimiento de las regulaciones sobre control del ruido. La financiación federal de proyectos de autopistas está condicionada a que éstos se ciñan a controles exhaustivos de ruido y a requisitos de reducción del mismo, así como la elección de subsidios federales sobre viviendas o programas de préstamos se encuentra condicionada por el Departamento de Vivienda y de Desarrollo Urbano (véase el Capítulo 49). La autoridad sobre suministros del gobierno puede ser utilizada asimismo más como zanahoria que como palo. Por ejemplo, la sección 15 (c)(1) de la Noise Control Act de 1972 autoriza a las agencias de suministros del gobierno federal a pagar hasta un 25 por 100 más si el producto adquirido satisface ciertos criterios de reducción sonora

PROBLEMAS DE APLlCACION La promulgación de una ley de control del ruido no asegura el cumplimiento de sus propósitos. En muchas circunstancias se produce una violación generalizada de sus objetivos que queda impune debido a que el personal de vigilancia es escaso en número, preparación técnica, o en ambas cosas. Además de estos problemas, existen razones adicionales por las que las leyes de control de ruidos deberían ser promul-

RUIDO Y LEGISLACION

51.13

gadas prestando una atención especial a su practicidad. Por ejemplo, es probable que una normativa demasiado estricta para su cumplimiento por parte de las entidades a las que se aplica no será con toda probabilidad obedecida, o, peor aún, será aplicada selectivamente solamente contra algunos de entre los muchos que la incumplen. Aunque la aplicación desigual de la ley sea injusta incluso a nivel individual, las consecuencias de esta injusticia pueden ser particularmente severas cuando se producen entre empresas de la misma área de negocio, ya que el gasto añadido relativo al cumplimiento de las normas puede imponer sobre una de ellas una seria desventaja competitiva respecto a las demás. Por tanto, con el fin de que los estatutos y las regulaciones sobre control del ruido sean aplicables, eficaces y justas, debe producirse una colaboración interdisciplinar indispensable entre legisladores y expertos técnicos.

REFERENCIAS 1. Véase, Grad, «Intergovernmental Aspects of Environmental Controls», en F. Grad, G. Rathjens y A. Rosenthal, Environmental Control: Priorities, Policies, and the Law, Columbia University Press, Nueva York, 1971. 2. Esto mismo se ha producido en las áreas relativamente limitadas en las que el gobierno federal se ha visto involucrado en compensaciones a trabajadores con respecto a sus propios empleados, en el Distrito de Columbia y en nombre de los estibadores de muelles y trabajadores del puerto. 3. 49 Stat. 2036 (1936), mod., 41 U.S.e. 35 y siguientes 4. 34 Fed. Reg. 7948 5. 84 Stat. 1590 (1970), mod., 29 U.S.e. 651 y siguientes 6. 83 Stat. 852 (1970), mod., 42 U.S.e. 4321 y sigo 7. Sección 102 (1). 8. 86 Stat. 1234 (1972), mod., 42 U.S.e. 4901 y sigo 9. El papel del estado, tanto en su ejecución como en su aplicación, disminuyó en los años 80. Véase el New York Times, 6 de marzo de 1990, § C, col. 1. 10. Véase United States v. Darby, 312 U.S. 100 (1941); Wickard v. Filburn, 317 U.S. 111 (1942); Katzenbach v. McClung, 379 U.S. 294 (1964). 11. Véase Hammer v. Dagenhart, 247 U.S. 251 (1918), invalidando el estatuto federal que prohibía el transporte comercial interestatal de productos fabricados por mano de obra infantil. 12. Así se justifica el intento de utilizar el potencial de gastos de abastecimiento como medida alternativa de regulación, como se mencionó anteriormente respecto a la WalshHealey Act. La intención de los legisladores, ya que no se consideraba constitucional la legislación social para la regulación del comercio interestatal, consistía sin embargo en apoyarla imponiéndola como condición previa a la firma de contratos o garantías gubernamentales. 13. Véase Rosenthal The Federal Power to Protect the Environment: Available Devices to Compe! or Induc~ Desired Conduct, 45 So. Cal. L. Rev. 397, 398-411 (1972); Soper, The Constitutional Framework o/ Environment Law, en Dolgin and Guilbert (eds.), Federal Environmental Law 20 (West Pub. Co., 1974). 14. Compárese Saia v. Nueva York, 334 U.S. 558 (1948), con Kovacs v. Cooper, 336 U.S. 77 (1949); véase también Grayned v. Ciudad de Rock/ord, 408 U.S. 104 (1972). Existe también un gran número de decisiones al respecto tomadas por juzgados de primera instan-

51.14

15. 16.

17. 18. 19.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

cia. Aquí no se ha tratado de recopilar tales decisiones, ya que es el Tribunal Supremo la instancia que tiene la última palabra sobre el tema. Véase, en especial, el problema de derechos de preferencia sobre regulación de ruido en aeropuertos del Capítulo 52. Sección 6(e)(1) de la Noise Control Act de 1972, supra. La emisión por parte de gobiernos estatales o locales de regulaciones sobre ruido idénticas a las promulgadas por el gobierno federal tiene como propósito añadir las posibilidades propias de aplicación a las de las autoridades federales. Cuando las regulaciones estatales o locales incorporan no solamente la normativa federal previamente promulgada sino que pretenden incluir violaciones de dicha normativa o enmiendas que podrían ser añadidas en el futuro, algunos aunque no todos los estados pueden considerar tales estipulaciones como una delegación no válida del poder decisorio al gobierno federal. Sección 6(e)(2) de la Noise Control Act de 1972, supra. Para un estudio más profundo, véase Rosenthal, supra nota 13, en 413 et seq. Véase, por ejemplo, sección 12 de la Noise Control Act de 1972, supra.

Capítulo

52

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES: REVISION DE CASOS LEGALES Ricarda lo Bennett Gary Hoover INTRODUCCION El ruido de los aviones es un compañero indeseable que va indisolublemente asociado a los beneficios económicos que proporciona el sistema de transporte aéreo. La erradicación completa de este problema comportaría la eliminación de cualquier beneficio económico, ya que aviones y ruido son inseparables. Por esta razón el Congreso y los tribunales norteamericanos intentan alcanzar un equilibrio de intereses entre las partes afectadas por este problema estableciendo continuamente normativas sobre procedimientos aeroportuarios y aviones, propietarios de los aparatos y comunidades colindantes. La problemática que surge cuando se intenta analizar el tema del control sonoro en aeropuertos es ineludiblemente compleja. Los intereses competitivos y los objetivos de compañías aéreas, aeropuertos, comunidades colindantes, propietarios y del gobierno federal impiden a menudo el establecimiento de soluciones simples. Al mismo tiempo cada una de estas partes lucha por su superioridad mientras se va creando una industria en mutación constante que, a su vez, dificulta la promulgación de reglas por parte de los tribunales o del Congreso. Los tribunales han jugado un papel catalizador acordando decisiones que han creado una jerarquía escalonada de responsabilidades variables acerca del ruido de aviones, asignando compromisos de acuerdo a principios legales establecidos, a menudo aplicados de modo imaginativo. Estas decisiones han forzado al Congreso a reaccionar promulgando una legislación que garantice la seguridad y el desarrollo aéreo, y pretenda lograr una «uniformidad» regulatoria entre las diferentes legislaciones. Esta jerarquía escalonada incluye intereses tales como los del gobierno federal, las autoridades municipales locales, los propietarios del aeropuerto (tanto públicos como privados), las compañías aéreas y los habitantes de las inmediaciones de las instalaciones. Tanto el Congreso como los tribunales de justicia comprome52.1

52.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ten al propietario del aeropuerto como parte responsable de los daños ocasionados por las maniobras llevadas a cabo por los aviones. Este es el contexto en que se produce la lucha entre los intereses en conflicto. Por un lado se encuentra el propietario del aeropuerto, que debe cargar con la responsabilidad financiera de los daños por el ruido causado por las operaciones realizadas en el aeropuerto. En el nivel siguiente se encuentra el gobierno federal, que (por un edicto del Congreso) ejerce un papel supervisor sobre las operaciones aéreas con el fin de garantizar la seguridad del sistema aéreo de transportes. El tercer escalón corresponde a la autoridad municipal local, que es responsable de la protección de la salud, la seguridad y el bienestar de sus componentes, o sea, de la población cercana al aeropuerto y de los pasajeros. Asimismo, la autoridad municipal puede actuar como propietaria del aeropuerto manteniendo o ampliando el número de operaciones aéreas. Por último, y de modo independiente, se encuentran las compañías aéreas, proveedoras de los beneficios del servicio de transporte aéreo. La industria aérea se lamenta de que el sistema ya se encuentra demasiado restringido debido a los límites de capacidad de los aeropuertos y que, por tanto, las compañías aéreas contemplan cualquier restricción a las operaciones aéreas como una amenaza directa a su capacidad; una restricción que comportaría una reducción de beneficios. En este capítulo se revisan los aspectos de la legislación que más han influido sobre las decisiones judiciales. Se pone de relieve el análisis de los casos y de situaciones reales que han dado lugar a normas judiciales relacionadas con los ruidos de aeropuerto. Este bloque de reglas ha ido evolucionando con las interpretaciones jurídicas de las distintas promulgaciones legislativas. La primera de ellas se relaciona con la regulación federal de la industria de transporte aéreo en general!. Con posterioridad han ido surgiendo nuevas promulgaciones directamente relacionadas con el ruido de aeropuertos, debidas en su mayoría a la aparición de los aviones reactores, con el fin de clarificar el papel de cada entidad gubernamental2• Sin embargo, durante el período transcurrido entre estos dos amplios bloques legislativos en el que se mantuvo una ausencia de directrices legislativas federales relacionadas específicamente con el ruido aéreo, los tribunales, las autoridades locales y los funcionarios de aeropuertos mismos intentaron regular el problema del ruido asociado a los aeropuertos. No fue hasta que los funcionarios del transporte aéreo comenzaron a concebir un entramado completo de regulaciones sobre aviación, que variaba de una jurisdicción a otra, que el gobierno federal se decidió a actuar como inhibidor de las regulaciones locales sobre ruido de aviones 3 • Incluso entonces el gobierno federal se mostró remiso a asumir la responsabilidad del ruido aéreo y, como resultado, cargó sobre las espaldas de los propietarios de los aeropuertos los compromisos relacionados con este tema. Posteriormente, la mayor concienciación medioambiental dio lugar al inicio de procedimientos de revisión formal por parte de la legislación estatal y federal con el fin de asesorar sobre el impacto de nuevos proyectos, o a un significativo aumento en la planificación previa a su inici04 • En este ambiente de restricciones legales se obligaba a los propietarios de aeropuertos a desarrollar planes y operaciones que anticiparan y superaran los desafíos legales. En este capítulo se pone de relieve el análisis de casos legales relacionados con el ruido de aviones y aeropuertos que han ido surgiendo con los cambios en el si s-

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.3

tema de transporte aéreo y en los esquemas legislativos relacionados con la aviación.

RESPONSABILIDAD DEL PROPIETARIO Bajo el marco legal de la Constitución de los Estados Unidos el gobierno federal es el único poseedor del derecho total de control del uso y la gestión del espacio aéreo. No obstante, el propietario del aeropuerto es por tradición responsable de cualquier damnificación monetaria relacionada con el ruido aéreo. Este compromiso se fundamenta en la decisión del Griggs v. Condado de A Llegheny del Tribunal Supremo, previa a la era de los vuelos a reacción. En Griggs, el magistrado Douglas, manifestando la opinión de la mayoría, consideró al gobierno local del condado, como propietario y gestor del aeropuerto del Gran Pittsburgh, responsable por daños debido a que éste poseía la autoridad para adquirir terrenos apropiados adyacentes al aeropuert06. El condado era responsable de indemnizar al propietario demandante, quien se había visto privado del uso y disfrute de su propiedad por el paso de aviones directamente por encima7 . Debido a ello, el gobierno local, en concepto de propietario del aeropuerto, y no la Federal Aviation Administration (FAA), había establecido una servidumbre de navegación sobre la propiedad del Sr. Griggs8. Con esta acción se había privado en gran medida al Sr. Griggs del uso y disfrute de su propiedad sin su debida compensación. Finalmente se consideró al propietario del aeropuerto, y no a la F AA, como directamente responsable de la indemnización compensatoria9. El magistrado Black no estuvo de acuerdo con la mayoría, ya que consideraba que la F AA, como agencia del gobierno federal, había supervisado, aprobado y pagado gran parte de la construcción del aeropuerto 10. Argumentó que el gobierno federal debería haber asumido la responsabilidad financiera debido a que el Congreso había dado inicio a un esquema regulador global que no sólo se aseguraba el derecho de prioridad del espacio aéreo a grandes altitudes, sino que también restringía el espacio a bajas alturas preciso para el despegue y aproximación a los aeropuertos l1 • El Congreso, no obstante, apoyó la posición mayoritaria del magistrado Douglas en Griggs y promulgó la legislación necesaria para clarificar este área de autoridad primaria l2. El Congreso adoptó expresamente en Griggs la posición mayoritaria del Tribunal Supremo pasando a través de varias secciones legislativas. La Noise Control Act de 197213 subrayaba que la acción federal era fundamental para tratar «las causas principales de ruidos en el comercio, cuyo control precisa de un tratamiento uniforme a escala nacional»14. Pero, más adelante, el Congreso adujo que «la responsabilidad primaria sobre el control sonoro yace en los gobiernos estatales y locales»15. En otras afirmaciones legislativas, regulatorias o políticas se establece que la responsabilidad del control de ruidos es exclusiva del propietario del aeropuerto: la Airport and Airway Deve/opment Act de 1970 (enmendada en 1976 y 1981)16, la A viation Noise Abatement Policy de 1976 17 , la Airline Deregulation Act de 197818, la Aviation Safety and Noise Abatement Act de 1979 19 , las Airport Noise Compatibi/ity Planning Regulations de 1981 2°, la Airport and Airway Improvement Act de 198221

52.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

y la Airport and Airway Safety and Capacity and Expansion Act de 198722 • Esta distinción entre la capacidad de controlar el ruido aéreo en su origen y la responsabilidad por las damnificaciones resultantes del ruido de aviones ha obligado a los propietarios de aeropuertos y a las autoridades estatales y locales a buscar varias soluciones alternativas para intentar minimizar los daños debidos al ruido. Por otra parte, cada nuevo intento de desviar responsabilidades hacia alguna otra de las entidades en cuestión se ve contrarrestado por el resto de las partes afectadas. El Congreso aprobó la Airport Noise and Capacity Act en 1990 (la «Ley» )228 con la finalidad de establecer una política federal sobre ruido aéreo, lo cual podría suponer un primer paso para descargar al propietario de la responsabilidad completa. En esta ley se precisa, entre otras cosas, que las restricciones locales previas sobre ruido quedan garantizadas y por lo tanto protegidas22b ; que cada nueva restricción sobre aviones de la Fase 3 (impuesta a partir del 1 de octubre de 1990) debe ser revisada y aprobada por el Departamento de Transportes, bajo regulaciones revisadas el1 de julio de 1991 22c ; y que cuando una restricción propuesta sobre ruidos aéreos no sea aprobada, el gobierno federal se hará responsable de las damnificaciones sobre ruido solamente cuando se haya producido una detracción como resultado directo de esa desaprobación22d • (Se dice que se produce una detracción cuando por medio de una acción gubernamental se ocasionan grandes molestias o interferencias en el uso o disfrute de una propiedad por parte de su dueño.) En caso de que el propietario local de un aeropuerto decida imponer una normativa sobre restricción de ruidos sin la aprobación previa de la Secretaría de Transportes, el aeropuerto no podrá, según la Airport and Airway lmprovement Act de 1982, recibir financiación federal ni imponer o cobrar cuotas a los pasajeros, según la Sección 1113(e) de la Federal Aviation Act de 195822e . Así como la aprobación de esta ley establece expresamente una responsabilidad limitada por parte del gobierno federal, el efecto neto consiste en un aumento sustancial del control por parte de los no propietarios y un aumento desproporcionadamente pequeño de las responsabilidades.

TEORIAS LEGALES SOBRE LITIGIOS PRIVADOS

Cuando un grupo de personas víctimas del ruido aéreo se deciden a emprender acciones legales con el fin de lograr una compensación, es probable que deban confiar sobre todo en estas tres teorías legales: (1) expropiación inversa, (2) transgresión, y (3) molestias.

Expropiación inversa

La expropiación inversa (según la tradicional teoría constitucional) consiste en la privación de la propiedad privada por parte de la autoridad legítima, que la utilizará con fines públicos sin devolver la justa compensación al propietario23 • La teoría relacionada con el ruido de aviones conlleva un empleo del espacio aéreo tal que los niveles sonoros generados por las operaciones implican un descenso del valor del

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.5

terreno. Cuando el gobierno no ofrece la debida compensación por la adquisición de terrenos privados, el propietario perjudicado emprende por lo general acciones legales contra la entidad gubernamental con el fin de recobrar el valor justo de la propiedad de la que se ha visto privado. En la mayoría de los casos federales, a diferencia de los estatales, la mera disminución del valor no es motivo suficiente para constituir un embargo de propiedad privada, según la Quinta Enmienda de la Constitución de los Estados Unidos. Con el fin de prevalecer sobre una acción federal de expropiación inversa, el propietario debe demostrar la privación de prácticamente la totalidad del empleo útil de su propiedad. Varias constituciones estatales amplían su cobertura y permiten la obtención de damnificaciones que no llegarían a ser consideradas como embargo según la Quinta Enmienda. Transgresión La teoría legal de perjuicios sobre transgresiones se define como «la infracción u ofensa que perjudica a la propiedad ajena»24. Tradicionalmente la transgresión requería la invasión de dicha propiedad, lo cual provocó que durante un breve espacio de tiempo los tribunales consideraran el tema de hasta qué altura se extendían los derechos de propiedad en el cielo, y en qué medida los aviones debían atravesar directamente ese segmento de espacio aéreo que se elevaba sobre la propiedad en cuestión25 • Respecto al requisito de cuándo un avión penetra en el espacio aéreo situado directamente sobre una propiedad, la visión moderna de los tribunales estatales (no examinada por los tribunales federales) se centra en considerar como aspecto relevante el ruido emitido por el avión y no su localización sobre el terreno.

Molestias

La segunda teoría de perjuicios utilizada con regularidad contra los propietarios de aeropuertos con el fin de conseguir indemnizaciones por ruidos es la teoría de molestias. Las molestias constituyen una interferencia no transgresora en el uso y disfrute de la propiedad de otra persona27 • El éxito de esta teoría se vio limitado por la aplicación del análisis tradicional, en el que el tribunal sopesaba el daño ocasionado por molestias respecto al beneficio que suponía para la comunidad local. Como consecuencia, cuando el aeropuerto era considerado una necesidad y un beneficio para la comunidad, los tribunales se mostraban remisos a compensar los perjuicios con indemnizaciones por daños. Algunos estados han comenzado a superar este obstáculo ordenando la disminución sonora, en un esfuerzo para alcanzar un equilibrio más justo entre intereses opuestos. Otro motivo por el que las apelaciones sobre molestias han tenido un éxito menor respecto a otras acciones legales es debido a que en bastantes jurisdicciones se ha impedido dar prioridad a las molestias. La prioridad de los procedimientos por derecho común en todo lo relacionado con este tema se da porque el gobierno federal es el único responsable de la regulación sobre aviones en vuelo. Las jurisdicciones que prohíben fallos en contra de la actividad aeroportuaria en base a la teo-

52.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ría de molestias consideran la causa del perjuicio resultado de órdenes establecidas por las autoridades federales que dictaminan cuándo y dónde deben realizarse las operaciones aéreas.

Casos

Tribunales federales. La decisión del Tribunal Supremo en el caso Ciudad de Burbank v. Terminal Aérea Loekheed, ¡ne. 28 en 1973 proporcionó la jurisprudencia necesaria que varios tribunales analizaron posteriormente para determinar las responsabilidades del propietario del aeropuerto. Aunque el caso Burbank trataba primordialmente el problema del derecho del no propietario del aeropuerto a imponer regulaciones, es relevante en este caso porque también esclareció la vía para casos posteriores de responsabilidad por parte de los propietarios. En Burbank la parte demandada, la Lockheed, se debatió en contra de la ejecución de una orden de paralización promulgada por una ciudad que no poseía ni gestionaba el aeropuerto. El Tribunal dio la razón a la Lockheed asegurando la gestión del ruido de aviones y aeropuertos por parte de las regulaciones federales, llegando a ser tan persuasoria que se aseguró el derecho de prioridad sobre cualquier control estatal o local de aeropuertos o aviones en lo relativo a la disminución de ruidos29 • Según este razonamiento, el Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para la Séptima Circunscripción, en Luedtke v. Condado de Milwaukee 3D, sostuvo que esta convincente prioridad del gobierno federal excluía los procedimientos civiles con damnificaciones monetarias sobre perjuicios contra propietarios de aeropuertos basadas en alegaciones sobre daños resultantes del ruido aéreo. En Luedtke los propietarios de terrenos privados emprendieron procedimientos en contra del condado, propietario del aeropuerto y de cinco aerolíneas homologadas federalmente con destino en Milwaukee. Los demandantes alegaron una causa común de expropiación inversa, así como la responsabilidad del condado y de las compañías aéreas sobre perturbación, negligencia y violación de un estatuto estata¡JI. Sobre la moción de absolución de las partes demandadas, el Tribunal del Distrito consideró que la única teoría viable sostenida por los demandantes era la de expropiación inversa en contra del condado (basada en la doctrina establecida en Griggs v. Condado de Alleghen/2 ) , pero como los demandantes también habían emprendido una acción de expropiación inversa en el tribunal estatal, podrían obtener de este modo una u otra compensación a la que tuvieran derecho. Se aprobó una moción de absolución y los demandantes apelaron. Durante la apelación, el Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para la Séptima Circunscripción obligó al Tribunal del Distrito a preservar la jurisdicción sobre el cargo de expropiación inversa33 , pero reafirmó la absolución del juzgado de primera instancia respecto a las demás teorías34 • Otras jurisdicciones, no obstante, no han seguido este razonamiento, permitiendo procedimientos contra propietarios de aeropuertos en base a alegaciones por embargos inconstitucionales, así como otros de derecho común del estad035 • El gobierno federal fue considerado parcialmente responsable en un procedimiento ejercido por el estado de Illinois en el tribunal federal del distrito, el Estado de Illinois v. Butterfiel¿6. El estado pretendía recibir una compensación por el in-

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.7

cremento de las operaciones aéreas, ruido y contaminación provocados por el aeropuerto internacional O'Hare. En el juicio se estableció que la política de las F AA respecto al crecimiento ilimitado de O'Hare, su autoridad para aprobar rutas de vuelo y el esquema resultante de operaciones aéreas constituían una acción federal que afectaba a la calidad del entorno y, como consecuencia, surgió la necesidad de realizar un estudio de impacto medioambiental (Es.I.A)37. El Tribunal del Distrito dio la razón a los demandantes y estableció que la F AA Y el Civil Aeronautics Board (CAB) debían realizar un Es.l.A. antes de continuar aumentando el tráfico aéreo y las maniobras en O'Hare38 . El estado de Illinois no sufrió la misma suerte en su reclamación de perjuicios por molestias. El estado, que consideraba responsables a la F AA Yal CAB, arguyó que el caso Grigg~9 no era vigente debido a que la subsiguiente legislación federal había creado estructuras que preveían el control federal total sobre la aviación y los aeropuertos40 . El tribunal consideró, pero rechazó, este argumento estableciendo que el ayuntamiento de Chicago, como propietario del O'Hare, y no el gobierno federal, era el único sujeto demandado en la reclamación por molestias. Se citó que la restricción en Griggs era el fundamento real que establecía la responsabilidad exclusiva del propietario del aeropuert041 . Trece años tras Luedtke, en Bieneman v. Ciudad de Chicago, el Tribunal de Apelaciones de la Séptima Circunscripción desestimó parcialmente su anterior fallo en Luedtke42 • En Bieneman el propietario de un terreno denunció a la ciudad de Chicago, en calidad de propietaria del aeropuerto, y a las compañías aéreas que lo utilizaban por perjudicar intencionadamente el valor de sus tierras, privarle de su propiedad sin el debido procedimiento, llevar a cabo un embargo sin la debida compensación, y en definitiva violar sus derechos por la ley estatal de perjuicios. Después de que sus reclamaciones fueran rechazadas por el Tribunal del Distrito, que se basó en Luedtke, el demandante apeló. En esta ocasión, el tribunal reparó en ser el único que había denegado la existencia de una posible solución por la vía del derecho común (véase la sección Tribunales estatales más adelante) y desestimó su postura previa sobre el hecho de considerar a un aeropuerto inmune a tales demandas43 . El tribunal razonó su «error» anterior afirmando que se había debido en gran medida al razonamiento de Burbank44 • Explicó que en Burbank se trataba en cualquier caso de un problema de tipo diferente, el derecho de una autoridad municipal no propietaria a regular las operaciones de un aeropuerto. Según el tribunal de Bieneman (el demandante) «desea una indemnización, no una regulación»45. Ante la clara afirmación estatutaria federal de no dar prioridad al conjunto total de leyes estatales, en Bieneman el tribunal afirmó que no tenía otra opción más que la de permitir tal acción46 • Con ello el tribunal no afirmaba que el propietario del aeropuerto era automáticamente responsable, y que por tanto un tribunal estatal no podía conceder damnificaciones 47 por operaciones de vuelo llevadas a cabo de acuerdo con la ley federal . Este cambio de la Séptima Circunscripción afectó a otro caso del Tribunal del Distrito en contra del aeropuerto O'Hare de Chicago, el Biddison v. Ciudad de Chicago 48 • En este caso el demandante reclamaba en un procedimiento regulado por la Federal Civil Rights Act que la ciudad había embargado su propiedad sin la debida compensación como resultado de la reiteración de vuelos y de aterrizajes en el aeropuerto O'Hare. El Tribunal del Distrito rechazó su reclamación argumentando

52.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que este tipo de quejas deberían haber sido llevadas a cabo dentro del período permitido por la ley estatal para los procedimientos sobre perjuicios personales, y que en vista de que las operaciones aéreas del aeropuerto eran esencialmente las mismas desde 1979, se debería aplicar el estatuto de Illinois sobre limitaciones a cinco años. El tribunal estuvo de acuerdo con la afirmación por parte del Ayuntamiento de que los vuelos y el ruido que habían perjudicado a la propiedad del demandante eran los mismos en 1979 y en 1985 y que, como consecuencia, cualquier embargo debería haber transcurrido antes de esa fecha 49 • El estatuto de limitaciones rechazó una reclamación legítima en contra de las autoridades aeroportuarias sobre daños causados por ruidos asociados a su funcionamiento, algo que irónicamente se había considerado prioritario en esa jurisdicción hasta Bieneman.

Tribunales estatales. En California, el derecho de preferencia federal protegió por una vez al propietario de un aeropuerto de toda responsabilidad sobre daños relacionados con ruidos causados por aviones en vuel050 • Los tribunales, sin embargo, no permitieron que la Cláusula de Supremacía sirviese de protección respecto a todo tipo de responsabilidades. Es más, establecieron que el propietario del aeropuerto no quedaría inmune de sus deberes respecto a cualquier gestión inadecuada del aeropuerto y de sus instalaciones51 . El propietario intentó sin éxito compartir las responsabilidades sobre ruidos con otras entidades participantes en la industria de transporte aéreo en Ciudad de Los Angeles v. Japan Airlines eo., Ltd. 52 . La ciudad, como propietaria del aeropuerto internacional de Los Angeles, pretendía obtener una indemnización equitativa y contractual de las compañías aéreas, de dos fabricantes de fuselaje para aviones reactores, y de dos fabricantes de motores reactores, para protegerse respecto a un juicio de expropiación inversa en su contra. El tribunal californiano estimó que los transportistas aéreos no estaban autorizados según el Código Californiano de Procedimiento Civil para ejercer el derecho de dominio eminente sobre el espacio aéreo superior o adyacente al aeropuerto, ni tampoco los acuerdos de arriendo firmados por los transportistas con el propietario municipal contemplaban indemnizaciones53 • Como consecuencia, al no existir un mandato de dominio eminente o cualquier obligación contractual, tanto los fabricantes como las compañías aéreas no estaban obligados a indemnizar a la ciudad, que como única propietaria era la responsable exclusiva de las indemnizaciones relacionadas con ruidos54 • En otra ocasión, en Aaron v. Ciudad de Los Angeles, esta ciudad argumentó que los aparatos eran la causa próxima del ruido, y que por lo tanto el gobierno federal, que regula la navegación en el espacio aéreo navegable, debería responder frente a los perjuicios56 • El tribunal estableció, no obstante, que aunque el gobierno federal ejercía algún tipo de control sobre el espacio aéreo navegable, la ciudad, como propietaria del aeropuerto, no quedaba por ello inmune frente a los errores de apropiación de los terrenos necesarios para propiciar la aproximación de la aviación 57 • El derecho federal de preferencia sobre el espacio aéreo navegable protegió al propietario del aeropuerto de su responsabilidad sobre daños relacionados con los ruidos causados por la aviación en Distrito Portuario Unificado de San Diego v. Tribunal Superior (Britti 6 • Sin embargo, el tribunal afirmó que el derecho federal de preferencia no protegería al propietario de un aeropuerto de su responsabilidad por gestiones inadecuadas del aeropuerto y de sus instalaciones. Por ello, la «especifi-

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.9

cidad» del derecho federal de preferencia en el aspecto de la regulación sonora sobre la aviación no quedó del todo claro. Según Britt, cualquier fallo de damnificaciones por perjuicios queda limitado a los daños producidos debido a gestiones incorrectas del aeropuerto mismo y pueden no estar basadas solamente en la existencia de vuelos aéreos. En Asociación de Propietarios del Gran Westchester v. Ciudad de Los Angele;9, el Tribunal Supremo de California estudió el problema de si un demandante podía establecer un pleito por molestias debidas no solamente a daños en su propiedad, sino también por inconveniencias, incomodidades y alteraciones emocionales, de acuerdo a la teoría de la expropiación inversa60• El tribunal estableció que, en todo lo relacionado al ruido de la aviación, el procedimiento de molestias permitía a los demandantes ganar un pleito por perjuicios personales y no exclusivamente por daños a la propiedad61 • Pero no todas las jurisdicciones estatales han tomado como ejemplo el Gran Westchester. Por ejemplo, en Asociación de Propietarios del Nordeste de Phoenix v. Aeropuerto Municipal Scottsdale, el Tribunal de Apelaciones de Arizona decidió que las órdenes de suspensión eran un derecho federal de preferencia, sin tener en cuenta la teoría sobre la que se fundamentara el proceso, ya que una orden de suspensión es equivalente a un regulación local62 • No obstante, como los demandantes no pretendían obtener indemnizaciones monetarias, el tribunal no consideró el problema de si las damnificaciones for perjuicios personales podían ser pleiteadas de acuerdo a la teoría de molestias6 . De modo similar, el Tribunal Supremo de Carolina del Norte rechazó el establecimiento de procedimientos por molestias y transgresión contra el propietario del aeropuerto en Long v. Ciudad de Charlotte, permitiendo solamente una reclamación de expropiación inversa por parte del demandante64 . El demandante emprendió el procedimiento después de que la ciudad construyera una nueva pista de aterrizaje en el aeropuerto de propiedad municipal. En Long el tribunal opinó que solamente se podría disponer un procedimiento de expropiación inversa por perjuicios sobre la propiedad del dueño del terreno adyacente al aeropuerto que hubiera sido embargada como resultado de vuelos sobre el mism065 . En Ario v. Comisión de Aeropuertos Metropolitanos66 , el Tribunal Supremo de Minnesota, además de rechazar la aprobación de un procedimiento de clase por expropiación inversa, mantuvo que la solución de las molestias y transgresiones no era posible para los propietarios afectados, y que la única vía posible se encontraba en emprender un procedimiento por expropiación inversa67 • Curiosamente, el motivo por parte del tribunal para rechazar la aprobación del procedimiento de clase por expropiación inversa consistía en que sería demasiado problemático para cada demandante justificar la disminución del valor de sus propiedades68 . Otros tribunales han seguido la línea de Gran Westchester, concluyendo que el derecho federal de preferencia no elimina la posibilidad de que se den fallos favorables sobre perjuicios personales basados en molestias. Por ejemplo, en Krueger v. Mitchelf'9, el Tribunal Supremo de Wisconsin opinó que un procedimiento por molestias no estaba sujeto al derecho federal de preferencia si el aeropuerto estaba regulado conforme a las regulaciones federales 7o • El tribunal estableció que no era necesario demostrar un perjuicio económico para lograr un fallo favorable, sino que

52.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

tanto inconveniencias como incomodidades podían ser razón suficiente para solicitar una indemnización71 • Los propietarios de aeropuertos pueden tener que enfrentarse a responsabilidades sustanciales en el tribunal de reclamaciones menores, como hizo San Francisco en Ciudad y Condado de San Francisco v. Tribunal de Reclamaciones Menores72 • Aunque el límite jurídico para los procedimientos por reclamaciones personales menores puede ser restringido, cuando la reclamación en contra del propietario es sólida, la cantidad total de indemnizaciones potenciales puede ser importante. En el caso San Francisco, el límite jurisdiccional para procedimientos menores de reclamación era de 750 dólares. Unas 180 reclamaciones fueron archivadas y consolidadas, creando una responsabilidad potencial agregada de unos 135.000 dólares. El Tribunal de Apelación sostuvo que en un procedimiento consolidado, el hecho de que la cantidad agregada de reclamaciones excediese el límite individual permitía por lo general que un procedimiento de reclamación menor no creara un vicio jurisdiccional, permitiendo al tribunal de reclamaciones menores atender las reclamaciones consolidadas. Como resultado de la decisión del Tribunal Supremo de California en Baker v. Autoridad Aeroportuaria de Burbank-Glendale-Pasadena73 se produjeron nuevas alteraciones respecto a casos de propietarios de aeropuertos. Por vez primera los propietarios que habitaban en las inmediaciones de un aeropuerto gestionado por una entidad pública (las autoridades conjuntas de Burbank, Glendale y Pasadena) pudieron recuperar de acuerdo a la teoría de expropiación inversa las damnificaciones causadas por los vuelos aéreos, incluso aunque los demandados carecían del poder de dominio eminente 74 • El tribunal sostuvo que el propietario cuyo terreno ha sido invadido por una entidad carente de poderes de dominio eminente no deja de sufrir un embargo por el simple hecho de que la entidad no esté autorizada a llevarlo a cab075 • En Baker los propietarios también alegaron que el aeropuerto creaba molestias, y el tribunal emplazó a los demandantes a elegir si la molestia era persistente o permanente 76 • Como consecuencia, considerando que el aeropuerto ejercía una perturbación persistente, los demandantes evitaban ser excluidos por el estatuto de limitaciones de un año asociado a la teoría de la perturbación permanente77 • Con posterioridad, en 1nstitoris v. Ciudad de Los Angeles78 , seis años después de que hubiera entrado en funcionamiento una nueva pista de aterrizaje, el arrendatario de una propiedad adyacente al aeropuerto internacional de Los Angeles emprendió un procedimiento alegando perjuicios en su propiedad basados en la teoría de expropiación inversa, y molestias emocionales basadas en la teoría de molestias. Respecto a la reclamación de expropiación inversa, el tribunal estableció que el derecho de acción debió llevarse a cabo cuando se inauguró la nueva pista, y por lo tanto se rechazó la solicitud del demandante de acuerdo al estatuto de limitaciones de cinco años sobre posesión adversa de propiedades reales79 • El tribunal también rechazó la reclamación sobre molestias del demandante, afirmando que no puede darse un fallo favorable por molestias emocionales según una teoría privada de perturbaciones, que la admisión por parte del demandante de que un aeropuerto supone una molestia pública impide un fallo favorable por este tipo de causas debido a que el demandante no sufre perjuicios que no son soportados por otros miembros de la comunidad, y que la adquisición por parte de la ciudad de una servidumbre de

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.11

navegación años antes impedía un fallo positivo de indemnización de propiedad por la teoría de molestias tanto públicas como privadasBO • EMPLAZAMIENTO DE LA AUTORIDAD REGULA TORIA

Los casos previamente considerados tratan sobre la responsabilidad potencial del aeropuerto bajo los esquemas reglamentarios judiciales y legislativos presentes. En esta sección se describen los diversos derechos y limitaciones de las entidades a la hora de regular el ruido de la aviación. Uno de los objetivos primordiales del propietario de un aeropuerto consiste en protegerse a sí mismo de las responsabilidades ocasionadas por el ruido resultante de las operaciones aéreas, mientras que a su vez las compañías aéreas intentar ampliar sus servicios en el aeropuerto. La tarea del gobierno federal sirve a veces como mediación, a veces como coerción, y siempre como supervisora de la seguridad. Además de estas tres partes interesadas, están los gobiernos estatales y locales, que juegan el papel de reguladores, embargadores de propiedades, o propietarios del aeropuerto, según los objetivos que se pretenda conseguir. Entre estas partes contenciosas se encuentran los tribunales. Por medio de decisiones judiciales los tribunales definen los papeles y las limitaciones de cada una de estas partes en su intento por satisfacer la feroz lucha de intereses. Es la interacción entre las partes interesadas lo que ha provocado que el Congreso se decidiera a tomar un papel más activo en la regulación sonora y diera los pasos necesarios para establecer una nueva legislación destinada a disminuir los ruidos asociados con una industria de transportes en rápida expansión. Poderes reguladores

De acuerdo a la Constitución de los Estados Unidos, se ha concedido al Congreso una cantidad limitada de poderes. Cuando el Congreso actúa de acuerdo con uno de estos poderes (por ejemplo, aprobando una ley), esa ley se convierte en la ley suprema del país por efecto de la Cláusula de Supremacía de la Constitución, que «tiene prioridad» sobre las regulaciones estatales o locales. En otras palabras, debido a la Cláusula de Supremacía, la ley federal, cuando es promulgada de acuerdo con un poder específico, desplaza a las leyes estatales o locales. Uno de estos poderes específicos es la Cláusula sobre Comercio, que concede al gobierno federal el derecho a regular el transporte aéreo. Existe un significativo derecho federal preferente respecto a la regulación local sobre desarrollo y operaciones aeroportuarias. La extensión de esta prioridad varía según los distintos niveles de gobierno y, al menos en el caso de los propietarios de aeropuertos, no se encuentra completamente definida. El diverso impacto de la prioridad federal sobre las regulaciones locales influye y define en gran medida el papel y las estrategias a distintos niveles de gobierno estatal y local respecto a las actividades relacionadas con el aeropuerto.

Regulaciones sobre propiedad de aeropuertos. El precedente legislativosl de la revisión en 1968 a la Sección 611 del Federal Aviation Act de 1958 fue examinada

52.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

por el magistrado Douglas con respecto a la opinión sobre Griggs, y posteriormente estudiada en la frecuentemente citada nota a pie de página 14 de BurbanJl32. Este precedente legislativo consistía en una carta del Secretario de Transporte Boyd al Comité de Comercio del Senado revisando la legislación propuesta. En la carta, Boyd subrayaba que esta legislación no afectaría los derechos de una autoridad pública estatal o local, como propietaria de un aeropuerto, para emitir regulaciones no discriminatorias sobre control sonor083 . El magistrado Douglas concluía en Burbank que la autoridad municipal no propietaria debía acatar la prioridad de la legislación federal a la hora de imponer suspensiones de operaciones aeroportuarias84 • A su vez, dejó abierta la cuestión de en qué medida disponían de autoridad los entes municipales, en calidad de propietarios de aeropuertos, para controlar esas mismas operaciones aéreas85 . Los tres jueces del tribunal de distrito, en Asociación de Transporte Aéreo v. Crom-86, reconocieron la preeminencia del gobierno federal según la Cláusula de Supremacía, pero establecieron que el propietario del aeropuerto, como responsable de las consecuencias debidas a las operaciones aeroportuarias, poseía el derecho de controlar el uso del aeropuerto de acuerdo a su propia iniciativa o a las indicaciones del estado. El tribunal asumió que las autoridades locales del aeropuerto eran una subdivisión política del estado y que como tales tenían derecho a extender y dirigir sus actividades hasta un cierto punto. Existían, sin embargo, algunos aspectos de los esquemas regula torios californianos que no estaban permitidos en base a prioridades, como la imposición de sanciones sobre aparatos cuyo nivel sonoro excediera el nivel de exposición sonora de sucesos particulares (SENEL)87. El Juez de Distrito Peckham, en Aviación Nacional v. Ciudad de Haywar~, llegó a la misma conclusión que el tribunal de Crotti en lo relativo a la prioridad federal sobre las regulaciones de propiedad; en este caso relacionada con una suspensión nocturna de ruidos impuesta por el propietario municipal del aeropuerto. El Juez Peckham rechazó fundamentar su decisión en la nota a pie de página 14 de Burbank, pero concentró su atención en el intento por parte del Congreso de no interferir con la facultad del propietario de controlar los niveles sonoros del aeropuert089 . Recalcó que tanto el Congreso como la FAA poseían el poder de decretar legislación que proporcionara un sistema uniforme de regulaciones, pero considerando que «en el momento presente, tanto el Congreso como la FAA no parecen tener prioridad en el área, la ciudad de Hayward, como propietaria de la terminal Hayward, no .guede ser conminada a cumplir la ordenanza ... en base a cuestiones de prioridad» . Los temas relacionados con el poder prioritario federal de la Cláusula de Supremacía de la Constitución y los derechos de propiedad del aeropuerto para determinar la exposición al ruido controlando las operaciones aeroportuarias fueron discutidos en profundidad en Junta directiva de British Airways v. Autoridad portuaria de Nueva York y Nueva Jerse/ I • Los tribunales de justicia y apelación se vieron obligados a decidir sobre el controvertido tema de si la autoridad portuaria había establecido legalmente que el avión supersónico Concorde no debería realizar pruebas de vuelo en el aeropuerto John F. Kennedy (JFK) de Nueva York. La decisión resultante no se fundamentó en la prioridad del control federal sobre operaciones de vuelo de la aviación, o la orden de William T. Coleman, Secretario de Transportes92, sino en la abdicación por parte de las autoridades portuarias de su

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.13

responsabilidad para establecer regulaciones justas sobre los vuelos del Concorde dentro de un período de tiempo razonable93 . El Presidente de Sala Irving Kaufman, en la decisión final de apelación Concorde /J, apoyó el poder del propietario del aeropuerto para regular los niveles sonoros94 . En concordancia con el Juez Pollack, que manifestó la opinión del Tribunal del Distrito Segundo, subrayó que las regulaciones sonoras operativas de un aeropuerto deben ser «razonables, no arbitrarias ni discriminatorias»95. Como resultado, y con el fin de que las restricciones sonoras propuestas por el propietario de un aeropuerto puedan contrarrestar los ataques, no deben ser (1) indebidamente limitadoras del comercio interestatal, y (2) irrazonables o discriminatorias. Esta normativa fue aplicada a las ordenanzas promulgadas por el propietario de un aeropuerto en Asociación Aeroportuaria de Santa Mónica v. Ciudad de Santa Mónica 96 • La ciudad de Santa Mónica, en calidad de propietaria de un aeropuerto de aviación general, aprobó varias ordenanzas que afectaban a las maniobras de aviones y del aeropuerto, así como al nivel sonoro de la comunidad circundante. El tribunal, empleando una prueba doble de protección equivalente y comercio interestatal, mantuvo firmes las ordenanzas de suspensión del aeropuerto y, contrariamente a la decisión Crotti, permitió la medición sonora de sucesos particulares, SENEL, pero la prohibición categórica por parte del aeropuerto del tráfico de cualquier avión reactor fue considerada discriminatoria97 . Es interesante considerar que el Juez Irving Hill, de Santa Mónica, al mantener firme la decisión sobre medición sonora de los SEN EL, rechazó la distinción llevada a cabo en Crom-98, en la que se afirmaba que la imposición de un límite al valor SENEL era un intento de regular los niveles sonoros de la aviación en vuelo y, por lo tanto, una interferencia en un área de preferencia federal 99 • Las dos ordenanzas SENEL fueron similares en ambos casos y contenían disposiciones sobre penas criminales. En Crotti, sin embargo, el tribunal consideró que tal ordenanza era un ejercicio ilegal de fuerza política por parte del estado, ya que se inmiscuía en el dominio federal exclusivo sobre el espacio aéreo navegable 100. Se puede establecer una comparación entre las ordenanzas de suspensión de Santa Mónica y las de otro caso del Tribunal de Distrito californiano, A viación Nacional v. Ciudad de Hayward lO1 • Ambas ordenanzas limitaban las operaciones de la aviación en horas concretas, pero la restricción Hayward estaba basada en el nivel sonoro, mientras que la de Santa Mónica proscribía la realización de ciertos tipos de operaciones. Ambos tribunales examinaron los efectos de sus respectivas ordenanzas sobre el comercio interestatal, pero llegaron a un equilibrio en favor de otorgar a las comunidades locales el permiso de controlar los niveles sonoroslO2 • En Estados Unidos v. Estado de Nueva York 103 , un estatuto estatal que imponía una suspensión en un aeropuerto fue cuestionado en varios aspectos. El estado de Nueva York adquirió la propiedad del aeropuerto por parte de una autoridad de tráfico local, mientras que al mismo tiempo promulgó una suspensión como respuesta a las quejas sobre ruidos de las comunidades colindantes. El tribunal estableció que en la medida en que el estado respondía de las responsabilidades de Griggs, poseía la autoridad de imponer restricciones equivalentemente como propietario del aeropuerto. Esta suspensión en concreto se consideró, sin embargo, inconstitucional, prioritaria y violatoria de las garantías de concesión del aeropuerto. En Estados Unidos v. Condado de Westcheste?04, el condado, propietario tam-

52.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

bién del aeropuerto, aprobó una suspensión que prohibía la llegada o partida de cualquier aparato entre la medianoche y las 7 horas de la mañana, sin tener en cuenta el tipo de avión o el nivel sonoro que emitiera. La violación de esta suspensión obligaría a responder sobre penas criminales que incluían multas y posibles encarcelamientos. El tribunal del distrito estableció que la suspensión era discriminatoria, arbitraria y excesiva, así como violatoria de las garantías de concesión105 ofrecidas por el aeropuerto a la F AA cuando aceptó las subvenciones federales de desarrollo 106 • Las garantías de concesión se emplean frecuentemente por el gobierno federal para oponerse a las regulaciones de propietarios que se consideren demasiado restrictivas. Estas garantías son exigibles solamente por el Secretario de Transportes y no proporcionan un derecho privado de acción. Los motivos del gobierno para desafiar las restricciones impuestas por el propietario no reflejan simplemente una repentina carencia de sensitlilidad frente al impacto del ruido aéreo, sino que se deben a la visión gubernamental de que el sistema nacional de transporte aéreo se encuentra bajo una seria restricción de su capacidad. Desde la liberalización de 1978 la demanda de vuelos ha aumentado drásticamente, mientras que se han construido o ampliado relativamente pocos aeropuertos en comparación al aumento de tráfico aéreo. Por tanto, la F AA ha adoptado la actitud de que cualquier restricción sobre la capacidad del sistema para gestionar un gran número de aviones va en detrimento de la seguridad y del sistema nacional de transporte aéreo, sin tener en cuenta las razones del propietario del aeropuerto para promulgar una determinada restricción. Hoy en día, todas las autoridades gubernamentales federales al completo se ven a menudo infllersas en un esfuerzo para evitar las restricciones de los propietarios, dejándolos prácticamente abandonados cuando intentan reducir el impacto acústico de la aviación. Por tanto, un propietario debe tener especial cuidado en no privarse de su derecho a imponer restricciones sonoras por causa del proceso de acuerdos sobre concesiones107 • A otro propietario de un aeropuerto, el municipio de Long Beach, se le impidió regular el control sonoro cuando sus ordenanzas sobre ruidos globales fueron consideradas violatorias de las cláusulas de Supremacía, Comercio, Proceso Debido y Protección Equivalente de la Constitución de los Estados Unidos 108 • Con el fin de llegar a una conclusión, el tribunal del distrito tuvo que tratar cuestiones legales no resueltas con anterioridad respecto a la capacidad del propietario para regular el ruido. El resultado, desafortunadamente, trajo consigo una mayor confusión más que una clarificación sobre el tema de las restricciones por parte del propietario. En origen, la ciudad, siguiendo las recomendaciones de un grupo de trabajo del aeropuerto, adoptó una ordenanza de control sonoro que limitaba el número de vuelos de las compañías aéreas que operaban en el aeropuerto. Dos de estas compañías acabaron por emprender con éxito una demanda para la prohibición de esa ordenanza. Tras la concesión de la orden de suspensión, la ciudad decidió llevar a cabo un estudio de las actividades sonoras del aeropuerto de acuerdo con la Parte 150 de las Federal A viation Regulations 109 • En base a la información recopilada en este estudio, la ciudad adoptó un nuevo programa de compatibilidad sonora e implementó otra ordenanza. Tras la adopción de esta nueva ordenanza la ciudad recurrió al tribunal del distrito para rescindir la orden de suspensión pendiente, mientras que al mish10 tiempo sometía la Parte 150 propuesta a la F AA.

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.15

La FAA prácticamente rechazó el plan propuesto, y las compañías aéreas se dirigieron al tribunal para modificar la orden de suspensión y permitir nuevos vuelos en el aeropuerto. El tribunal del distrito rehusó rescindir la orden, pero, pendiente de juicio, ordenó que la ciudad aceptara 26 nuevos vuelos diarios. Tras el juicio, el tribunal del distrito estimó que el plan propuesto violaba varias cláusulas de la Constitución de los Estados Unidos e invalidó la ordenanza sobre ruidos. El juez adoptó en su decisión muchos de los razonamientos propuestos por las compañías aéreas, reduciendo por tanto el ámbito de autoridad del propietario. Restricciones en equipamiento por parte del propietario del aeropuerto. Varios casos tratan de los esfuerzos por parte de los propietarios de aeropuertos para disminuir ruidos obligando a que una compañía emplee un modelo específico de aparato cuando opere en su aeropuerto, lo cual puede suponer un cambio esencial en la composición de la flota de la compañía. Las restricciones relativas al empleo de cierto tipo de aparatos llO fueron promulgadas por la Autoridad Portuaria y permitidas en Global International Airways v. Autoridad Portuaria de Nueva York y Nueva Jersei 11. Varias compañías pretendieron que se llevara a cabo una orden de suspensión preliminar contra la restricción, argumentando que era tanto un derecho federal de preferencia como que entraba en conflicto con el Fleet Compliance Program federal l12 . El Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para la Segunda Circunscripción sostuvo que la restricción no contradecía al programa federal, y que el tema de la preferencia federal debía ser resuelto por el tribunal del distrito l13 • En Rosenbalm Aviation, Inc. v. Autoridad Portuaria de Nueva York 1l4 , el demandante, una compañía de fletes aéreos, pretendía impedir que el aeropuerto obligase a cumplir la regulación que prohibía el empleo de aparatos del capítulo 1 en base a que la obligación por parte del mismo para que la compañía modificase su flota era una petición desorbitada. El tribunal del distrito garantizó la suspensión preliminar, argumentando que el acuerdo previo no tenía efecto sobre los nuevos servicios ofrecidos por la compañía aérea, y que el asunto de si la Autoridad Portuaria poseía el derecho de promulgar la regulación presentaba unas dificultades suficientemente serias como para asegurar la suspensión en espera de juicio 1l5 • Sin embargo, varias compañías aéreas importantes han decidido o se han propuesto obedecer las restricciones de aparatos del capítulo 3 con el fin de reducir el ruido de reactores 1l6 • Restricciones por parte de no propietarios de aeropuertos. En su mayoría, los tribunales consideran que los gobiernos estatales o locales no propietarios pretenden restringir las operaciones aeroportuarias en un ejercicio no autorizado de su fuerza política. Esta era la opinión del magistrado Douglas en Burbank l17 cuando estableció que las restricciones por parte de los no propietarios se debían someter al derecho federal de preferencia. El problema de que una ciudad no propietaria pudiese reducir el impacto sonoro en su comunidad vetando el uso de la pista de un aeropuerto físicamente localizada en otra ciudad surgió en Estados Unidos de América v. Ciudad de New Haven llS • La ciudad de Easy Haven, adyacente a la de New Haven, amenazó con imponer una orden de desacato contra New Haven si cualquier aparato operando

52.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

desde una pista concreta volaba sobre la zona despejada situada al final de la misma, perteneciente a la jurisdicción de East Haven. El tribunal concluyó que el Congreso ya había legislado suficientemente sobre el tema del área del espacio navegable y, consecuentemente, cualquier manifestación estatal o local que entrase en conflicto con estas regulaciones, tanto si se encontraban inspiradas legislativamente como judicialmente, no se consideraban válidas, incluyendo las de la ciudad de East Haven 1l9 • Como sucede con las restricciones por parte de los propietarios, se da el caso de que las autoridades no propietarias también establecen restricciones centradas en particular sobre las operaciones en tierra más que en las de vuelo. En Municipio de Hanover v. Ciudad de Morristown 120 , un municipio promulgó restricciones sobre un aeropuerto colindante pero perteneciente a otra municipalidad gestionadora diferente. Las restricciones trataban tanto del espacio aéreo navegable como de las operaciones en tierra. De acuerdo a Burbank, no se permitió llevar a cabo las restricciones que establecían un esquema de pista preferente y de suspensión de vuelos de reactores, pero se aprobó la existencia de procedimientos de disminución de ruidos recomendables para operaciones en tierra 121 • El estado, no obstante, puede no obligar a una autoridad municipal que posea un aeropuerto en el interior de sus fronteras a disminuir el ruido por medio de suspensiones de operaciones aéreas comerciales 122 . En Gianturco, el estado, a través de su Departamento de Transportes, intentó añadir una condición sobre el empleo del aeropuerto diversa de la «normativa estatal sobre ruidos»123, indicando que el propietario podía imponer suspensiones de operaciones por parte de aviones reactores. El tribunal diferenció este caso del Crotti argumentando que la normativa estatal sobre ruidos era de índole consultiva, y que en Gianturco el estado estaba intentando convertirla en obligatoria. La ley federal fue considerada prioritaria. En Pirolo v. Ciudad de Clearwater 124, la ciudad, por medio de arrendamientos y de la aprobación de subarriendos, cedió sus derechos como propiedad del aeropuerto a imponer restricciones, incluyendo las ordenanzas sobre cualquier control sonoro. La ciudad de Clearwater había firmado un arrendamiento cediendo al demandante el usufructo del aeropuerto durante 30 años. Con posterioridad promulgó una suspensión que prohibía los vuelos nocturnos, por lo que el demandante acudió a los tribunales para derogar tal ordenanza. La ciudad argumentó que las ordenanzas tendrían prioridad si hubieran sido promulgadas de acuerdo con su poder político, pero que la ciudad había aprobado la ordenanza como propietaria del aeropuerto y, por lo tanto, no se veía impedida para derogar la suspensión. El tribunal estudió la constitucionalidad de las ordenanzas y las consecuencias del arrendamiento y manifestó que la ciudad había cedido contractualmente el derecho de imponer restricciones sonoras debido a que ya no era propietaria. Como consecuencia, el único fundamento de tal ordenanza en manos de la ciudad consistía en su poder político, pero como éste había sido cedido, tal poder debía someterse a la prioridad de la ley federal 125 • El análisis de estos casos muestra que los tribunales intentan preservar la autoridad de los propietarios del aeropuerto para controlar las operaciones realizadas en los mismos. Considerando que ellos son responsables de los daños relacionados con el ruido, deben poseer los medios regula torios de promulgar procedimientos para su reducción. Los tribunales han aprobado restricciones impuestas legislati-

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.17

vamente o judicialmente sobre una base muy limitada, solamente en casos en los que no exista interferencia alguna con un área de preferencia federal. El gobierno federal continuará prevaleciendo sobre cualquier tipo de restricción que sea considerada como impedimento al crecimiento del sistema de transporte aéreo. El permitir a propietarios o no propietarios de aeropuertos la promulgación de regulaciones que restrinjan sus operaciones podría suponer el declive del crecimiento económico de aeropuertos, líneas aéreas y del personal que trabaja en las mismas.

REFERENCIAS 1. Federal Aviation Act of 1958, 49 U.S.e. § 1301 et seq. 2. The Noise Control Act of 1972, Pub. L. 92-574,86 Stat. 1234, codified at 42 U.S.e. §§ 4901-4918 (1972 & Supp. 1981). 3. New England Legal Foundation v. Massachussetts Port Authority, 883 F.2d 157 (1st Cir. 1989). 4. National Environmental Policy Act of 1969 (NEPA), 42 U.S.e. §§ 4321-4326 (1976). 5. 369 U.S. 84 (1962). 6. Id. at 89-90. 7. Id. at 86-87,90. 8. Id. at 89-90. 9. Id. 10. Id. at 91-92, 94. 11. Id.at92. 12. See note 2, supra. 13. Id. 14. Id. § 4901 (a)(3). 15. Id. La intención del Congreso de mantener una responsabilidad compartida sobre el control sonoro de los aviones entre los gobiernos federal y locales es evidente en las deliberaciones. Véase también S. Rep. 1160, 92d Cong., 2d Ses., 1972; H.R. Rep. 842, 92d Cong.,2d Ses., 1972. 16. 49 U.S.e. § 1701 (1970) as amended by Pub. L. 94-353 (1976) and Pub. L. 97-35 (1981). 17. Aviation Noise Abatement Policy de 1976, Departamento de Transportes de los Estados Unidos (18 nov. 1976) (de ahora en adelante denominada la DOTIF AA A viation Noise Abatement Policy). 18. Airline Deregulation Act de 1978,49 U .S.e. § 1305 (a), (b) (Sup. 11 1978). La Airline Deregulation Act establece que el gobierno federal tiene derecho preferente sobre cualquier estado, subdivisión política o institución interestatal a la hora de promulgar e imponer cualquier ley, regla o regulación relacionada con cantidades, rutas o servicios de cualquier transporte aéreo interestatal. Reconoce que ninguna regulación inferior a la de preferencia debería limitar los derechos de propiedad de las diversas instituciones gubernamentales sobre el aeropuerto. 19. Aviation Safety and Noise Abatement Act of 1979, 49 U.S.e.A. §§2101-208, 2121-2125 (West Supp. 1982). 20. 14 e.F.R. § 150 (1981). 21. Pub. L. 97-248,96 Stat. 671, 49 U.S.e. app. 2201 et seq. 22a. Pub. L. 100-223, 101 Stat. 1486,49 U.S.e. § 2201 et seq. 22b. Id. at 9304. 22c. Id.

52.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

22d. Id. at 9306. 22e. Id. at 9307. 23. See generally 26 Am. Jur. 2d Eminent Domain §§ 153-173 (1966). 24. Black's Law Dictionary. 25. Batten v. U.S., 306 F.2d 580 (10th Cir.1962), cert denied, 371 V.S. 955, rehearing denied, 372 V.S. 925 (1963). 26. Alevizos v. Metropolitan Airports Commission, 216 N.W. 2d 651 Minn. (1974). 27. Restatement (Second) ofTorts 821D (1979). 28. 441 V.S. 624, 93 S. Ct. 1854,36 L. Ed. 2d 547 (1973). 29. Id. at 633. 30. 371 F. Supp. 1040 (E.D. Wis. 1974), affd in par and vacated and remanded in part on other grounds, 521 F. 2d 387 (7th Cir. 1975). 31. 371 F. Supp. at 1042. 32. See note 5, supra. 33. 521 F.2d at 392. 34. «Considerando que las leyes y regulaciones federales tienen preferencia sobre el controllocal de los vuelos... no puede considerarse que los demandados, en la medida en que se someten a estas leyes y regulaciones, han provocado molestias. De modo similar, la Seco 114.04 de los Estatutos de Wisconsin no puede ser invocada para convertir en ilegales los vuelos que se lleven a cabo de acuerdo a las leyes y regulaciones federales. Si, como los demandantes alegan, debido a las operaciones de vuelo los demandados consideran que se ha producido un «embargo» de sus propiedades, éstos pueden emprender acciones legales con el fin de recuperar la justa compensación por parte del condado». 521 F.2d a 391. 35. Katsos V. Salt Lake City Corp., 634 F. Supo 100 (D Vtah 1986). Véase también la sección de Tribunales del Estado, infra, Asociación de Propietarios del Gran Westchester V. Ciudad de Los Angeles (1979), 26 Cal.3d 86; Owen V. Ciudad de Atlanta (1981), 282 S.E.2d 906; Krueger V. Mitchell (1983), 332 N.W.2d 733; Baker V. Autoridad Aeroportuaria de Burbank-Glendale-Pasadena (1985), 39 Cal. 3d 862, 218 Cal. Rptr. 293. 36. 396 F. Supp. 632 (N.D. Ill. 1975). 37. Id. a 635. El estado adujo asimismo que la FAA incumplió la Administrative Procedures Act y que los demandados habían provocado molestias en Illinois. Id. a 636. 38. 396 F. Supp. at 640. 39. Griggs V. Allegheny County, 369 V.S. 84 (1%2). 40. 396 F. Supp. at 644. 41. Id. 42. 864 F. 2d 463 (7th Cir. 1988). 43. 864 F.2d at 471. 44. 411 V.S. 624, 93 S. Ct. 1854,36 L. Ed. 2d 547 (1973). 45. 864 F. 2d at 472. 46. Id. at 472. 47. Id. 48. No. 85 C 10295 (N.D. Ill. July 28,1989) (LEXIS, Genfed library, Dist. file). 49. Id. 50. San Diego Unified Port District V. Superior Court (Britt) (1977),67 Cal. App. 3d 361,136 Cal. Rptr. 557, cert. denied sub nomo Britt V. San Diego Port District, 434 V.S. 859. 51. 26 Cal. App. 3d at 377. 52. 41 Cal. App. 3d at 416, 116 Cal. Rptr. 69 (1974). 53. 49 Cal. App. 3d at 429. 54. Id. at 431. 55. (1974) 40 Cal. App. 3d 471, 115 Cal. Rptr. 162, cert. denied, 419 V.S. 1122 (1975).

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

52.19

56. 40 Cal. App. 3d at 487,115 Cal. App. 3d at 173 (1974). 57. Id. 58. (1977) 67 Cal. App. 3d 361,136 Cal. Rptr. 557, cert. denied sub nomo Britt v. San Diego Unified Port District, 434 U.S. 859 (1977). 59. 26 Cal. 3d 85,160 Cal. Rptr. 733 (1979). 60. 26 Cal. 3d at 91. 61. 26 Cal. 3d at 100-102. 62. 130 Ariz. 487, 636 P.2d 1269 (1981). 63. Id. 64. 306 N.C. 187,293 S.E.2d 101 (N.e. 1982). 65. Id. at 108. 66. Av. Caso (CCH) 17.640, 17.642 (Minn. 1985). 67. Id. at 17.644. 68. Id. 69. 112 Wis.2d 88, 332 N.W.2d 733 (Wis. 1983). 70. Id. at 735. 71. Id. 72. 141 Cal. App. 3d 470,190 Cal. Rptr. 340 (1983). 73. 39 Cal. 3d 862, 218 Cal. Rptr. 293 (1985). 74. El California Government Code § 6546 establece en parte que (el aeropuerto demandado) «no autorizará o permitirá ... la adquisición de títulos de tasación de propiedades reales expropiadas con destino a usos residenciales ... » 75. Id. at 867. 76. Id. at 873. 77. Id. 78. 210 Cal. App. 3d 10,258 Cal. Rptr. 418 (1989). 79. Id. at 18. 80. Id. at 23. 81. 49 U.S.e. § 1431 (1976). Parte de los precedentes legislativos se encuentran en S. Rep. 1353,90° Cong., 2d Ses. 6-7 (1968). 82. See note 28, supra, at n. 14. 83. Id. at 635-36. 84. Id. at 639. 85. Id. at 636 n. 14. 86. 389 F. Supp. 58 (N.D. Cal. 1975). 87. 389 F. Supp. at 65. 88. 418 F. Supp. 417 (N.D. Cal. 1976). 89. Id. at 421 [citing S. Rep. 1353, 90th Cong., 2d Secc. 6-7 (1968»). 90. 418 F. Supp. at 425. 91. 431 F. Supp. 1216 (S.D.N.Y.) (Concorde 1), rev'd, 558 F.2d 75 (2d Cir.), on remaind, 437 F. Supp. 804 (S.D.N.Y.) (Concorde Il), affd, 564 F.2d 1002 (2d Cir. 1977). 92. The Secretary's Decision on Concorde Supersonic Transport, February 4,1976, reprinted in Hearings Before the Subcomm. on Aviation ofthe House Comm. on Public Works and Transportation -Current and Proposed Federal Policy in the Abatement of Aircraft Noise, 94th Cong., 1st Sess. 567-631 (1976). 93. 437 F. Supp. 804, 818 (S.D.N.Y. 1977). 94. Id. at 1002. 95. 431 F. Supp. 1216, 1225-1226 (S.D.N.Y. 1997). 96. 659 F.2d 100 (9th Cir. 1980). 97. Id a 933-935. Un nivel de exposición sonora de sucesos particulares (SENEL), en decibelios, es el «nivel de exposición sonora de un hecho en concreto, como el vuelo de un

52.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

avión, medido entre el intervalo de tiempo inicial y final de emisión del nivel sonoro de este hecho concreto que sobrepase el nivel sonoro mínimo perceptible». Cal. Admin. Code, Título 21. 98. Air Transportation Association v. Crotti, 389 F. Supp. 58 (N.D. Cal. 1975). 99. Id. at 65. 100. Id. 101. 418 F. Supp. 417 (N.D. Cal. 1976). 102. Id. at 428. See also 481 F. Supp. 927, 938-940. 103. 552 F. Supp. 255 (N.D.N.Y. 1982). 104. 571 F. Supp. (S.D.N.Y. 1983). 105. Sección 551 del Airport and Airway Act de 1982 (Pub. L. 97-248,96 Est.), 49 U.S.e. ap. 221O(a) proporciona en parte: «PATROCINIO - Como condición previa a la aprobación del proyecto de desarrollo de un aeropuerto contenido en la solicitud de subsidios a proyectos sometida bajo este título, la Secretaría recibirá por escrito las debidas garantías que satisfagan (1) que el aeropuerto relacionado con el proyecto sea de uso público bajo términos justos y razonables sin que se produzcan discriminaciones injustas ... » 49 U.S.e. ap. § 2210. 106. 571 F. Supp. at 797-799. 107. El posible papel que las garantías de concesión pueden ejercer en el futuro en relación a las restricciones del propietario quedó demostrado en New England Legal Foundation, et al. v. Autoridad Portuaria de Massachusetts (Massport), véase la nota 3, supra. En su origen Massport fue concebido como un plan que pretendía ampliar el uso eficaz del aeropuerto Logan de Boston, conocido como plan PACE, sobre el esquema de tarifas aeroportuarias de aterrizaje. El plan PACE incrementó en gran medida los costes de aterrizaje de los aviones de tamaño pequeño, mientras que disminuyó los de las grandes naves comerciales. Los demandantes alegaron, entre otras cosas, que la nueva estructura de tarifas de aterrizaje violaba la Sección 511 del Airport and Airway Improvement Act, y las garantías de concesión que allí se habían acordado entre el aeropuerto y el gobierno federal. El Tribunal de Apelaciones sostuvo que la Sección 511 no concedía ningún derecho privado de acción y rechazó las reclamaciones, pero afirmó que la aplicación de las garantías de concesión quedaba en manos exclusivamente de la Secretaría de Transportes. Como consecuencia de esta decisión la F AA promulgó una regla que clarificó la aplicación de los acuerdos de garantías de concesión en la Parte 13 de los poderes ejecutorios de la FAA. Finalmente, y aunque no han sido probados hasta la actualidad, la Secretaría de Transportes, a través de la F AA, podría aplicar los estatutos de penalización civil para garantizar el cumplimiento de las garantías de concesión en cualquier espacio administrativo legal, estatutos que podrían también ser utilizados para establecer garantías de concesión que eviten que el propietario de un aeropuerto imponga restricciones sonoras en vez de programas relacionados a la capacidad. 108. Alaska Airlines, et al. v. The City of Long Beach, et al. (e.D. Cal. No. CV-83-4065 LEW), appeal docketed. Nos. 88-6745. 89-55278. 109. 14 e.F.R. Part 150. 110. 14 e.F.R. Parte 36. La normativa de la Parte 36 establece la categoría de los aparatos de gran tamaño según el ruido que producen, graduado como capítulo 1, capítulo II o capítulo I1I, siendo el capítulo I el más ruidoso y el III el más silencioso. 111. 731 F.2d 127 (2d Cir. 1984). 112. 14 e.F.R. § 91.301-.311 (1983), Fleet Compliance Programo De acuerdo a este programa, cada compañía de transporte aéreo debería tener (1) un 25 por 100 de aviones cuatrimotores de propulsión a chorro y un 50 por 100 del resto de aparatos, según lo establecido en la normativa de la Parte 36 para el1 de enero de 1981; (2) un 50 por 100 de sus aviones cuatrimotores de propulsión a chorro y todos los demás aviones para elIde

PLEITOS CAUSADOS POR EL RUIDO DE AVIONES

113. 114. 115. 116.

117. 118. 119. 120. 121. 122. 123. 124. 125.

52.21

enero de 1983, y (3) todos los aparatos deberían cumplir la normativa para el1 de enero de 1985. 14 C.F.R. § 91.305. 731 F.2d at 130. 636 F. Supp. 212 (S.D.N.Y. 1986). Id. at 218. 1989 Federal Aviation Administration: Repon to Congress, Status o[ the U.S. Stage 2 Commercial Aircraft Fleet. (Informe de la FAA a los Comités de Créditos de la Cámara y del Senado de acuerdo con los representantes de la Cámara 100-691 del Departamento de Transportes y de la Ley de Agencias Relacionadas de Créditos para el año fiscal de 1989.) City o[ Burbank v. Lockheed Air Terminal, Inc., 411 U.S. 624 (1973). 367 F. Supp.1338 (D. Conn. 1973),affs, 496F.2d 452 (2d Cir.), cert. denied, 419 U.S. 958 (1974). Id. at 1341. 108 N.J. Super. 461, 261 A.2d 692 (1969, affd, 135 NJ. Super. 529,434 A.2d 792 (N.J. Super. Ct. App. Div. 1975). Id. at 7%. San diego Unified Port District v. Gianturco, 457 F. Supp. 283 (S.D. Cal. 1978). 21 CAL. ADMIN. CODE §§ 5000-5080, 5. 711 F.2d 1006 (11th Cir. 1983). Id. at 1010.

Capítulo

53

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA A VIACION Richard J. Unn Richard N. Tedrick*

INTRODUCCION «El control es exhaustivo y exclusivo. Los aviones no vagabundean por el cielo como nubes errantes. Circulan solamente con permiso federal, sujetos a la inspección federal, en manos de personal autorizado federalmente y de acuerdo a un complejo sistema de mandatos federales ... » Northwest Airlines, ¡nc. v. Minnesota, 322 U.S. 292, 303 (1944). «La mayor parte de las fuentes de ruido se producen debido al comercio interestatal, y pueden ser reguladas con eficacia solamente a nivel federal.» El Presidente durante la firma de la Noise Control Act de 1972 (Vol. 8. N° 44, Weekly Comp. Preso Doc. 30 de octubre de 1972). El espacio aéreo navegable y el potencial comercial que abarca se están revelando como una de las fuentes nacionales de recursos que deben ser conservadas y protegidas. El Informe Curtis, que influyó en gran medida en la aprobación de la Federal A viation Act de 1958 1, advertía que «o bien se procede sin demora a la tarea de regular de un modo más económico y eficaz el uso de nuestro espacio aéreo o seremos testigos de la lenta estrangulación del aspecto más prometedor de nuestra existencia nacional». La Federal Aviation Act (FAAct) de 1958 contiene, enmendadas, dos guías administrativas importantes en lo relativo a la política federal de disminución sonora de la aeronáutica civil: (1) Declara que cada ciudadano tiene el «derecho público de circular a través del espacio aéreo navegable de los Estados Unidos»2. (2) Indica

* Las opiniones reflejadas en este capítulo pertenecen exclusivamente a los autores y no reflejan necesariamente las de la Federal A viation Administration, las del Departamento de Transportes o las del gobierno norteamericano. 53.1

53.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que la Secretaría de Transportes··, en el cumplimiento de las obligaciones de la ley, considerará de interés público los siguientes objetivos3 : 1. La regulación del tráfico aéreo en modo tal que se vea favorecido su desarro-

2. 3.

4. 5.

llo y seguridad, así como el cumplimiento de los requisitos de defensa nacional. La promoción, favorecimiento y desarrollo de la aeronáutica civil. El control del empleo del espacio aéreo navegable de los Estados Unidos y la regulación tanto de las operaciones civiles como militares en este espacio aéreo, en interés de la seguridad y eficacia de ambos. La consolidación de la investigación y del desarrollo de los servicios de navegación aérea, así como de sus instalaciones y operaciones. El desarrollo y las operaciones de un sistema común de control de tráfico y navegación aérea tanto de la aviación militar como de la civil.

La relación entre estos objetivos y la disminución de los ruidos de la aviación fue estudiada por el Tribunal Supremo en Ciudad de Burbank v. Terminal aérea Lockheetf del siguiente modo: «La Federal A viation Act precisa de un sutil equilibrio entre seguridad y eficacia, 49 U.S.e. 1348(a), y la protección de las personas en tierra firme. 49 U.S.e. 1348(c). Cualquier regulación que adopte la Administración para controlar la contaminación aérea debe estar de acuerdo con el "mayor grado de seguridad". 49 U.S.e. 1431(d)(3). La interdependencia de estos factores hace necesaria la existencia de un sistema uniforme y exclusivo de regulaciones federales si se desean ver cumplidos los objetivos del Congreso que subyacen bajo la Federal A viation Act.» (Enfasis añadido.) La integración entre la solicitud de poseer un sistema de aviación nacional uniforme y exclusivo con la necesidad de cumplir las decisiones locales sobre disminución de ruidos aéreos constituye la prueba definitiva del estadista que debe realizar la política federal sobre aviación civil.

Decisiones locales de impacto nacional

El gobierno federal directa o indirectamente influye de modo muy diverso sobre las opciones locales de empleo de terrenos y sobre las decisiones tomadas en las cercanías de aeropuertos. En este capítulo se enumeran varios ejemplos. De gran importancia en el aspecto de usos compatibles del terreno es el hecho de que la colaboración eficaz entre las iniciativas federales, estatales y locales, con la ayuda del conocimiento completo del impacto nacional de supuestas decisiones locales, es esencial para la resolución de los problemas sonoros en aeropuertos de modo que quede asegurada la supervivencia del sistema aéreo nacional.

** O la administración de la FAA, como se trata en la sección siguiente.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.3

Decisiones federales con implicaciones locales

En lo relativo al control directo del diseño y de las operaciones de los aviones, en este capítulo se describe un sistema de política de regulación y apoyo de naturaleza exclusivamente federal, planificado de modo que cumpla el delicado y difícil equilibrio entre los distintos intereses públicos, incluido el de reducción del ruido, enumerados por el Congreso en la enmienda de la Federal Aviation Act de 1958. En este capítulo se analizan: (1) el papel federal en la compatibilidad de los usos del suelo; (2) la regulación federal directa del diseño y de las operaciones de los aviones con propósitos de reducción de ruidos; (3) los procedimientos normativos, y (4) las consideraciones de tipo internacional. Un análisis conjunto de los papeles respectivos de los gobiernos federal, estatales y locales respecto al control del ruido aéreo, así como los rasgos más sobresalientes del programa federal de acción en este área, están contenidos en la A viation Noise Abatement Policy, promulgada conjuntamente por la Secretaría de Transportes y la Administración de la Federal A viation Administration el 18 de noviembre de 1976.

INFLUENCIA FEDERAL SOBRE CaMPA T/BILlDADES EN LOS USOS DEL SUELO Dirigiéndose a los asistentes a la Conferencia del American Institute 01 Planning en Minneapolis, el entonces Vicesecretario Interino de Medio Ambiente y Areas Urbanas del Departamento de Transportes afirmó: «Si los objetivos de la comunidad deben verse reflejados en la planificación sobre transportes y en su proceso de elaboración, éstos deben primeramente quedar defmidos. El establecimiento de los objetivos de la comunidad es el punto inicial del proceso global de planificación ... Desafortunadamente, en la mayoría de las ciudades este establecimiento de objetivos no ha sido puesto en práctica, siendo una primera etapa esencial.» Esta apreciación, realizada durante el año de aprobación global del Airport and Airway Development Act en 197cf, es aún cierta en muchas áreas metropolitanas que dependen del transporte aéreo. La paradoja reside en que el sistema de navegación aérea depende en su totalidad de un entramado de aeropuertos que se fundamenta, y es apoyado, por comunidades que comprenden el valor del comercio aéreo. Es necesario que las comunidades posean o adquieran las facultades políticas, económicas o tecnológicas necesarias para lograr una planificación territorial equilibrada que integre el crecimiento aéreo con otros aspectos vitales de la población cercana y de la comunidad. Varias agencias federales incluyen programas que responden frente a esta necesidad.

53.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Financiación de aeropuertos

La Federal Aviation Administration', además de ser el organismo responsable del control sobre el diseño y operaciones aéreas tratados en la sección siguiente, está autorizada y tiene la obligación de proporcionar fondos para el desarrollo y la planificación de aeropuertos, según la Airport and Airway Development Act de 1970. Al promulgar esta ley, el Congreso averiguó y declaró «que el sistema nacional de aeropuertos y vías aéreas no es el adecuado al crecimiento actual y en perspectiva», y que «es precisa una expansión sustancial y una mejora del sistema de aeropuertos y vías aéreas que satisfaga las demandas del comercio interestatal, el servicio postal y la defensa nacional»6. La autoridad conferida incluye la capacidad de «otorgar garantías de fondos a las agencias para la planificación del sistema aeroportuario, y a las agencias públicas para la realización de planificaciones directrices de aeropuertoS»7. La ley especifica que este proceso se debe realizar de acuerdo con la Secretaría de Vivienda y Desarrollo Urbanístico para evitar incongruencias8• La financiación del desarrollo de los aeropuertos queda autorizada de acuerdo a unas condiciones y limitaciones definidas con exactitud. Las estipulaciones relacionadas con el problema global de incompatibilidad del aeropuerto y de las áreas colindantes" incluye los siguientes puntos: 1. La Sección 11(3) de la ley9, enmendada en 197610 , define el «desarrollo del aeropuerto» incluyendo «la adquisición de equipamiento supresor de ruidos, la construcción de barreras físicas, la reestructuración del territorio con el fin de disminuir el efecto sonoro de los aviones sobre cualquier área adyacente al aeropuerto público», y «cualquier adquisición de terreno o de algún otro interés relacionado que asegure que dicho suelo se utilizará solamente para propósitos compatibles con los niveles sonoros operativos de un aeropuerto público». 2. La Sección 12(c) de la leyll especifica que el desarrollo del Plan Nacional de Aeropuertos tiene en consideración (o sea, «refleja el resultado de») la planificación interestatal, estatal y local sobre aeropuertos. 3. La Sección 12(f) también precisa la consulta de la Secretaría de Interior, la de Salud, Educación y Bienestar, la de Agricultura y el Consejo de Calidad Medioambiental «en lo que respecta a la conservación de la calidad del entorno». 4. La Sección 16(c)(1) de la ley12 especifica que el proyecto de desarrollo del aeropuerto subvencionado debería ser considerado «compatible con los planes (existentes en el momento de aprobación del proyecto) de las agencias de planificación para el desarrollo del área en la que se encuentre localizado el aeropuerto ... ». 5. La Sección 16(c)(3) dictamina que el proyecto de desarrollo del aeropuerto no debería ser subvencionado a menos que «se hayan tenido en cuenta los intereses

* Cuando actúa en nombre de la Secretaría de Transportes, como se trata a continuación. *"' A lo largo de este capítulo no se ha tratado de diferenciar categóricamente el ruido de otros elementos de incompatibilidad percibidos entre un aeropuerto y su emplazamiento. Se reconoce por tanto que la respuesta comunitaria hacia el mismo es una reacción compleja a factores que incluyen el nivel sonoro, el temor a accidentes, la sensibilidad al ruido, la percepción de un aumento en tráfico aéreo, las rivalidades respecto a terrenos y la visión de la comunidad respecto a la importancia del aeropuerto.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.5

legítimos de las comunidades situadas en la zona de localización del proyecto o en sus inmediaciones». 6. La Sección 16(d) afirma que no se debe aprobar ningún proyecto de desarrollo de aeropuertos a menos que la agencia pública que subvencione el proyecto certifique que se haya dado «la posibilidad de efectuar audiciones públicas con el fin de considerar los efectos económicos, sociales y medioambientales de la localización del aeropuerto, y su adecuación con las metas y los objetivos de esta planificación urbana de acuerdo a los intereses de la comunidad». 7. La Sección 18(a)(4) de la ley J3 especifica que el promotor del aeropuerto debe proporcionar por escrito informes satisfactorios que «indiquen que se ha llevado a cabo o se realizarán las acciones apropiadas, incluyendo la adopción de leyes zonales que, hasta un límite razonable, restrinjan el uso del suelo adyacente o en la inmediata vecindad del aeropuerto para actividades y propósitos compatibles con las maniobras habituales del mismo, incluyendo el aterrizaje y despegue de aviones». 8. La Sección 19 de la ley14 asegura el establecimiento de acuerdos de concesión que contengan las estipulaciones consideradas necesarias para asegurar el cumplimiento de la ley. Los acuerdos de concesión poseen el estatus legal de un contrato. Las estipulaciones de la Airport and Airway Development Act de 1970, así enmendadas, serán aplicadas por la F AA de acuerdo con la Parte 152 de las Regulaciones sobre Aviación Federal 15 .

Análisis medioambiental de proyectos de aeropuertos

Las estipulaciones de la Airport and Airway Development Act implican directamente a la F AA en el impacto sonoro de los aeropuertos subvencionados. Además, como se tratará con más amplitud posteriormente, la Orden lOSO.lE de la FAA hace efectiva la National Environmental Po/icy Act de 1969 (NEPA)16 para todas las actividades de la F AA que puedan afectar al entorno. El Apéndice 6 de la orden contiene los procedimientos detallados para fijar el impacto medioambiental potencial de los proyectos aeroportuarios subvencionados, y establece que se debe preparar una evaluación ambiental en forma de declaración negativa o de estudio de impacto ambiental según el apartado § 102(2)(c) de la ley (como viene determinado por las estipulaciones del Apéndice 6), para acciones subvencionables del tipo siguiente: 1. La selección del emplazamiento y el desarrollo de cualquier aeropuerto nue-

vo. 2. Una nueva pista de aterrizaje. 3. Una ampliación importante de una pista de aterrizaje. 4. El reforzamiento de pistas que permita por primera vez el empleo de aviones de propulsión a chorro o aún más ruidosos. s. Nuevas instalaciones para pasajeros o aparcamientos importantes o la ampliación de las existentes. 6. La adquisición de terrenos relacionados con estas actividades.

53.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

7. El establecimiento o la recolocación de sistemas instrumentales de aproximación o de cierto tipo de iluminación de pistas.

Departamento de la Secretaría de Defensa

El 27 de diciembre de 1967, el Departamento de la Secretaría de Defensa, bajo la autoridad de la National Security Act de 1947, enmendada en 16 Est. 495, adoptó una nueva Parte 256 del Título 32 del Código de Regulaciones Federales, que contenía su política de Zonas de Uso Compatible para Instalaciones Aéreas (AICUZ). La Parte 256 fue publicada en el Registro Federal (42. Fed. Reg. 773) el4 de enero de 1977, y trata del peligro potencial de accidentes, así como de la disminución de ruidos. Aquí solamente se tratará del segundo problema. La Sección 256.3 de la Parte 256 afirma que el descriptor (L dn ) del nivel sonoro corregido día-noche, recomendado por la Agencia de Protección Medioambiental (EPA), «se empleará en todas las instalaciones aéreas», excepto cuando las leyes estatales o locales recomienden cualquier otro descriptor, como en los casos en los cuales se hayan realizado estudios AICUZ utilizando el índice de ruido compuesto (CNR) o el pronóstico de exposición al ruido (NEF), o cuando los estudios hayan alcanzado un punto en que cualquier cambio del descriptor Ldn supusiera cambios impracticables o antieconómicos. En esta sección también se indica que, como mínimo, se deben establecer como parte del análisis AICUZ las líneas isofónicas del Ldn para 65, 70, 75 Y 80 dB, sobre el mapa de la zona. En el apartado § 256.10 se trata sobre el uso del Ldn y sobre la forma de transformar los índices CNR y NEF en Ldn.

Política y prioridades AICUZ

En la Sección 256.4 se trata sobre la política y las prioridades AICUZ. Se concede una importancia primordial a «todas las medidas razonables, económicas y prácticas» que reduzcan o controlen el ruido de vuelos y de actividades relacionadas con los mismos. El empleo de instrumentos de medición situados en posiciones lejanas y de instalaciones que faciliten el arranque, el empleo de equipamiento supresor de sonido, y el ajuste de los esquemas de tráfico con el fin de evitar áreas especialmente sensibles al ruido son ejemplos de posibles medidas de control sonoro. En el caso de que las medidas lógicas de reducción de ruidos dejen aún áreas de uso incompatible del suelo, el apartado § 256.4 indica los pasos a seguir para lograr la compatibilidad. Los métodos de control y regulación del uso del suelo vienen determinados por la planificación del área afectada. La adquisición de los derechos de propiedad se trata en el apartado § 256.4(b)(2). Para limitar el empleo de medios de compatibilización de usos del suelo dentro del campo de los «intereses a largo plazo más adecuados para los Estados Unidos», quedan establecidas las siguientes prioridades para la programación de tales adquisiciones: 1. Dentro de zonas despejadas, la adquisición por retribución o la adquisición de las servidumbres restrictivas de paso de terrenos. 2. Fuera de zonas despejadas, la adquisición de interés primeramente en zonas

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.7

potencialmente peligrosas o, además, en zonas ruidosas, «solamente cuando se hayan agotado todas las posibilidades de conseguir zonas de uso compatible o con protección similar y la instalación aérea corra peligro de no llevarse a efecto». La Sección 256.4 establece que los derechos necesarios de adquisición de terrenos dentro del área definida de uso compatible pueden ser obtenidos por compra, intercambio o donación y que cualquier acción llevada a cabo (por seguridad o con fines de reducción del ruido) para lograr que el terreno sea de interés debe ser examinada para determinar si es preciso realizar el estudio de impacto ambiental, de acuerdo con la Directiva DOD 6050.1, Consideraciones medioambientales en acciones DOD, 19 de marzo de 1974 (32 C.F.R. Parte 214).

Contenido y objetivos de los estudios AICUZ

La Sección 256.5 establece que las secretarías de los departamentos militares deben llevar a cabo un programa AICUZ para cada instalación aérea de acuerdo con el apartado § 256.4. Los estudios AICUZ deben incluir los siguientes puntos: 1. Una determinación de las restricciones deseables en el empleo de terrenos en relación a las características del ruido aéreo y a la seguridad de vuelo. 2. La identificación de usos reales del suelo incompatibles. 3. La identificación de terrenos que, inadecuadamente planificados, podrían ser declarados incompatibles. 4. La indicación de los distintos tipos de desarrollo deseables para los distintos tramos del terreno. 5. Estimaciones del valor del terreno en las zonas en cuestión. 6. La revisión de las planificaciones directoras del aeropuerto para asegurar la adecuación entre las instalaciones existentes y las futuras, así como la política de la Parte 256. 7. La consideración global de un uso compartido de las instalaciones aéreas por departamentos militares separados manteniendo la capacidad operacional y reduciendo el ruido, la propiedad territorial y los requisitos de construcción. 8. Recomendaciones para realizar tareas con comités locales de zona, así como los programas mínimos necesarios para la adquisición de propiedades, la recolocación de instalaciones o cualquier otra acción eventual.

Los estudios AICUZ son el fundamento de la adquisición de nuevos terrenos, de la evacuación de propiedades y de otros cambios propuestos en los bienes inmuebles de los departamentos militares cercanos a los aeropuertos. La Sección 265.5 también contiene procedimientos detallados respecto a los derechos de adquisición de propiedades y autorizaciones y responsabilidades relacionadas dentro de cada departamento militar. La compatibilidad del uso del suelo es el objetivo primordial de los estudios AICUZ. La Sección 256.8 proporciona indicaciones sobre utilidades específicas de los terrenos y si cada uso de éstos es compatible con las operaciones de la instalación aérea. Los diferentes tipos de propiedad territorial cuya adquisición se va a consi-

53.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

derar aparecen en § 256.9. El empleo continuado del índice de ruido compuesto (CNR) y del pronóstico de exposición al ruido (NEF) en los estudios AICUZ queda prohibido en el apartado § 256.10. Esta sección también contiene criterios para obtener el nivel sonoro corregido día-noche (L dn ) partiendo del CNR y del NEF. En el párrafo (g) del apartado § 256.10 se afirma que la transformación del CNR al nivel sonoro corregido día-noche no puede por lo general ser realizada sin introducir costes significativos, y advierte que no es posible revisar estudios previos recalificándolos erróneamente con los valores aproximados Ldn equivalentes. Cada programa de servicios militares es administrado consultando y cooperando junto con otras entidades del Departamento de Defensa, de la Agencia de Protección Medioambiental, del Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbanístico, de la Administración de Veteranos, del Departamento de Transportes / Federal A viation Administration, del Departamento de Sanidad, Educación y Bienestar, y de otras entidades apropiadas. El Departamento de Defensa ha consolidado su política de uso de los terrenos de sus bases aéreas en la Instrucción DaD 4165.57, Air Installations Compatible Use Zones, 30 de julio de 1973. Administración de Servicios Generales

La Administración de Servicios Generales ha publicado la Circular sobre Gestión Federal FMC 75-2, Compatible Land Uses at Federal Air Fields, del 30 de septiembre de 1975, de acuerdo con la Orden Ejecutiva 11717 del 9 de mayo de 1973. En esta circular se insta a todas las entidades federales que gestionan aeropuertos para que desarrollen y actualicen los planes de uso del suelo de cada campo de vuelo federal. En ella se reconoce el efecto adverso del aprovechamiento inadecuado del terreno, que podría conducir a la obligación de tomar medidas de reducción del ruido que tengan como consecuencia una disminución de la eficacia operativa y «una reducción de la capacidad de trabajo de instalaciones valoradas en muchos millones de dólares». Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbanístico de los EE. UU.

(Véase el Capítulo 49.) Administración de Veteranos

La política de la Administración de Veteranos M26-2, Cambio 43, del 24 de septiembre de 1969, contiene en la Sección VIII consejos sobre la tasación de propiedades residenciales cercanas a aeropuertos. En el párrafo 2.47 de este plan se afirma que «en ausencia de una planificación obligatoria y/o de una zona de uso no residencial, la A V debe reconocer la posible inadecuación para usos residenciales, y el probable efecto adverso o responsabilidad sobre el valor de las viviendas en las cercanías de los principales aeropuertos». El párrafo 2.49 de este documento contiene los medios para calcular la respuesta de las comunidades de áreas residenciales, a

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.9

partir del índice de ruido compuesto, en relación a despegues, aterrizajes y calentamiento de motores. El párrafo 2.50 expone la política de la A V concerniente a la tasación de propiedades afectadas por el ruido de aeropuertos con respecto a su idoneidad para préstamos reglamentarios. La exposición presente o futura a ruidos puede tener como resultado una denegación de préstamos.

Agencia de Protección Medioambiental (EPA)

(Véase los Capítulos 51 y 52.)

REGULACION FEDERAL SOBRE AVIACION: DISEÑO y OPERACIONES Derecho federal de prioridad

(Véase también los Capítulos 51 y 52.) El derecho federal exclusivo de prioridad de vuelo necesario para la evolución normal de la era de vuelos civiles a reacción quedó firmemente establecido en Allegheny Airlines v. Villa de Cedarhurst17 , y maduró en American Airlines v. Ciudad de Hempstead l8 yen un conjunto de casos· que debieron acatar el derecho federal absoluto y global de prioridad de uso y gestión del espacio aéreo, del control de tráfico aéreo, del diseño de aviones y de la seguridad de la aviación comercial. Esta prioridad se fundamenta en las Cláusulas de Comercio y Supremacía de la Constitución l9 , y se ejecuta en la Federal A viation Act de 19582 especialmente en los Títulos III y IV, que tratan respectivamente sobre el control del espacio aéreo y de las instalaciones de navegación aérea, y de la regulación sobre seguridad de la aeronáutica civil (incluyendo el diseño y las maniobras de aviones). Esta prioridad es la piedra angular del Sistema Nacional de Aviación. Con la excepción de algunos derechos específicos de los propietarios del aeropuerto para limitar maniobras de aparatos con fines de reducción del ruido··, el íntimo lazo

°,

* Obsérvense, por ejemplo, los siguientes casos relativos a la naturaleza y fundamentos del derecho federal de prioridad y la aplicación de esta doctrina a la regulación del vuelo de aviones: American Airlines, ¡nc. v. Ciudad de Audubon Park, Kentucky, 297 F. Supo 207 (1961); Cloverleaf Butter Co. v. Patterson, 315 U.S. 148 (1941); Hines v. Dadivowitz, 312 U.S. 52 (1941); Huran Partland [nc. v. Ciudad de Detrait, 362 U.S. 440, 448 (1960); Northwest Airlines, [nc. v. Minnesota. 322 U.S. 292 (1944); Rice v. Santa Fe Elevatar Carp., 331 U.S. 218 (1947). ** Este tema se trata con más profundidad en el Capítulo 52. En resumen, sin embargo, se subraya el hecho de que como el Tribunal Supremo de los EE.UU. ha establecido que el propietario de un aeropuerto es frente a los habitantes cercanos al mismo responsable de los daños ocasionados por el ruido de los aviones que lo utilizan (Griggs v. Condado de Allegheny, 369 U.S. 84, 1962), el propietario puede legalmente limitar el uso del aeropuerto con fines de reducción de ruidos. Esta capacidad no puede ser utilizada indiscriminadamente ni debe obstaculizar indebidamente el comercio aéreo interestatal o internacional, o interferir con la autoridad de la F AA para la regulación del empleo del espacio aéreo navegable. La normativa para encontrar el adecuado equilibrio de intereses entre el propietario del aeropuerto y el interés nacional en un sistema «uniforme y exclusivo» de aviación está contenida en la DOT/

53.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

que relaciona el ruido de los aviones y el previamente establecido derecho federal de prioridad de vuelo quedó simbolizado gráficamente en Hempstead: «A viación y ruido son indivisibles. El ruido de los aviones se extiende fuera del aparato con la misma inseparabilidad que las alas y la cola»21.

Excepto cuando es transferido al Departamento de Defensa en caso de guerra22 , este control plenario es ejercido por la Federal Aviation Administration como organismo delegado de la Secretaría de Transportes.

Papel de la Federal Aviation Administration (FAA)

La Federal A viation Administration es parte del Departamento de Transportes de los EE. UU., y es el único organismo del gobierno de este país que está dirigido específicamente por el Congreso con el fin de regular la aviación para propósitos de reducción del ruido. La normativa de control de ruidos aéreos y estampidos sónicos fue promulgada por la Administración de la F AA tras revisar consideraciones de seguridad, economía, salud pública y bienestar, y de tecnología, tras consultar con la Secretaría de Transportes, la Agencia de Protección Medioambiental y otras entidades relevantes. Corno se afirmó con anterioridad, la autoridad estatutaria para la reducción del ruido de la F AA está contenida en la Federal A viation Act de 1958. Los principales objetivos políticos de esta ley se han tratado en la primera sección de este capítulo, y en ella queda determinado el «sutil equilibrio» entre seguridad, eficacia y protección de las personas en tierra firme a las que se refería Burbank.

Federal Aviation Act de 1958

La Federal Aviation Act de 1958 (llamada «FAAct» en esta sección) contiene dos fuentes de autoridad para la emisión de la regulación sobre control del ruido de aviones. La primera de éstas es la 307(c), Air Traffic Rules23 , sección que autoriza y ordena a la Secretaría de Transportes' a prescribir normas de tráfico aéreo y regulaciones que rijan el vuelo de aviones, para la navegación, protección e identificación de aviones, para la «protección de las personas y de las propiedades en tierra fir-

FAA A viation Noise Abatement Policy, 18 de noviembre de 1976. Para una mayor profundización sobre el tema a nivel del Tribunal Itinerario Federal véase Junta directiva de British Airways y Compagnie Na· tionale Air France v. Autoridad Portuaria de Nueva York y Nueva Jersey, U.S.C.A. apelación registrada N.O 77-7234 (2d Cir. 14 de junio de 1977). * Esta autoridad y la de la Secretaría otorgadas en el Título VI de la ley están delegadas a la Administración en la Sección 6(c)(1) del Depanment ofTransponation Act [49 U.S.C. 1655(c)(1)] y en la Sección 611 de la FAAct, según enmienda (49 U.S.e. 1431). En la subsiguiente discusión, la autoridad atribuida a la (,FAA» o a la «Administración» recibe, según sea apropiado, la autoridad de la Secretaría de Transporte.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.11

me», y para el empleo eficaz del espacio aéreo navegable. Es sabido que la autoridad de la FAA para controlar el ruido aéreo aumentó en 1968, como se comenta a continuación. La F AA, ya desde sus orígenes, interpretó de modo amplio la frase «protección de las personas y de las propiedades en tierra firme» para que incluyera la protección de los efectos adversos del ruido aéreo.

Primeros problemas sonoros

En 1960, la FAA, que había quedado establecida en la ley de 1958 bajo una atmósfera ya cargada debido a los problemas y las controversias que se estaban originando en los inicios de la aviación a reacción, promulgó la Special Civil Air Regulation n.o 438 prescribiendo unas altitudes mínimas, unas pistas preferenciales, y rutas especiales de aproximación y alejamiento para aviones que operaban hacia y desde el aeropuerto internacional de Los Angeles. Ese mismo año se crearon normas similares para otros aeropuertos24• Desde su temprana incorporación a las tareas de reducción de ruidos dentro de las políticas operativas surgidas en la administración de la Sección 307, la FAA se ha dedicado prácticamente de continuo a la impopular, y en muchos casos frustrante, labor de intentar llegar a un acuerdo para proporcionar a las mismas comunidades unas cantidades de ruido menores a la vez que un comercio aéreo regular. Hace tiempo que la F AA ha reconocido que el control sonoro no es un objetivo que entre en conflicto con el desarrollo de un sistema de transporte aéreo sano y que, por el contrario, la disminución del ruido efectivo y su control son de hecho esenciales para su evolución·. De acuerdo a la Sección 307, la F AA, mucho antes de que se aprobara la especificación formal de responsabilidades adicionales de control sonoro del Título VI de la F AAct, utilizó las posibilidades ofrecidas por este Título III para controlar e! tráfico aéreo de modo que quedara minimizado el ruido sin reducir la seguridad. Quedaban incluidas, por ejemplo, las disposiciones de reducción de ruidos en pistas de la Sección 91.87(g)25, el requisito de que los aviones accionados por turbinas o de gran tamaño que aterrizaran en aeropuertos con torres de control permaneciesen a o por encima de la inclinación de plane026 , y una norma especial para e! tráfico de! aeropuerto regional del Condado de Lorain (Lorain Ohio), que retiró e! tráfico aéreo fuera del área de un instituto y del conservatorio de música27 .

Consideraciones NEPA

Las consideraciones sobre ruido influyen en otras decisiones regulatorias del tráfico aéreo tomadas primordialmente con fines de seguridad o gestión eficaz del espacio aéreo. Este proceso ha sido formalizado en la National Environmental Po/icy Act de

" Por ejemplo, el National Aviation System Plan. 1971-1980 (marzo de 1970), afirma en la página 28 que «la contaminación atmosférica y acústica, así como otros factores ecológicos adversos, deben ser controlados si se desea que la aviación de los U.S.A. continúe prosperando y sirviendo al público plenamente».

53.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1969 (NEPA)28. La Sección 102 del NEPA asegura (1) que las políticas, regulaciones y leyes públicas de los Estados Unidos serán interpretadas y administradas de acuerdo con la política general de este ley y (2) todas las agencias federales realizarán un estudio detallado del impacto medioambiental de «las principales actividades federales que afecten significativamente a la calidad del entorno humano». Los objetivos del NEPA quedaron incorporados como normas específicas del poder ejecutivo en el Decreto Ley 1151429 . De acuerdo al NEPA y al D.L. 11514, el Consejo de Calidad Medioambiental (CEQ) del Presidente propuso una serie de indicaciones que aplicaban el NEPA y que culminaron con la promulgación de la CEQ Parte 1500 Preparación de estudios de impacto ambiental: indicacionesm. (Véase también el Capítulo 54.) El Departamento de Transportes, con el fin de implantar las indicaciones del CEQ, emitió la Orden 561O.1B, Procedimientos para la consideración de impactos ambientales, que ordena a cada administración del DOT el desarrollo de unas líneas que cumplan el NEP A.

Cumplimiento del N EPA por parte de la FAA. Como respuesta a esta indicación, la Orden 1050. lE de la FAA Políticas y procedimientos para la consideración de impactos ambientales contiene medidas destinadas a asegurar que las acciones regulatorias del tráfico aéreo de la F AA son sensibles a los problemas sonoros del tráfico aéreo (y a otros factores medioambientales). En el Apéndice 2 de esa orden se especifican indicaciones concernientes al impacto sonoro de los programas de instalaciones aeronáuticas, como el emplazamiento de los componentes del sistema instrumental de aterrizaje y las maniobras para aumentar o disminuir su uso operacional. El Apéndice 3 subraya los procedimientos para la evaluación de los impactos sonoros en algunas rutas de llegada y salida, el empleo especial del espacio aéreo (como las áreas restringidas), y las acciones que conlleven posibles maniobras supersónicas de la aviación militar. Esta orden asegura el equilibrio entre seguridad, eficacia y reducción de sonido estableciendo que, cuando se precisen y puedan ser aplicadas ciertas medidas en contra del ruido sin detrimento de la seguridad, se aplicará lo siguiente:

1. Las rutas de llegada y salida de vuelos deberán ser establecidas sobre las áreas menos congestionadas, o se considerarán procedimientos de «divergencia de salida» cuando no sean viables estas rutas sobre zonas no sensibles. 2. El tráfico de llegada y salida debería ser ordenado con el fin de minimizar las operaciones a baja altitud. 3. Se debería prestar atención al empleo de ayudas a la navegación, a los vectores de radar, o al ascenso de la deriva en la ruta de tráfico sobre zonas de reducción de ruidos. 4. Las instalaciones de navegación deberían ser situadas teniendo en cuenta los problemas de reducción de ruidos. Llevadas a efecto por estas indicaciones, las consideraciones del NEP A se han convertido en parte integrante del delicado equilibrio que caracteriza la gestión del sistema nacional de navegación.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.13

Noise Control Act de 1972

La segunda y más explícita fuente de autoridad de la F AA de regulación del ruido aéreo es la Sección 611 de la Federal A viation Act de 195831 . Esta sección fue primeramente añadida a la FAAct por P.L. 90-411 32 Yampliada por el Noise Control Act de 1972 para incluir, entre otras cosas, las disposiciones que precisaran que la F AA respondiese formalmente de las propuestas regulatorias realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA). El complejo proceso de respuesta a estas propuestas se discute en la sección siguiente relativa a procedimientos de reglamentación. La Sección 611(b)(1) de la FAAc~3 afirma que «con el fin de proporcionaren la actualidad y en el futuro la asistencia y protección a la salud pública y al bienestar frente al ruido aéreo y al estampido sónico, la F AA, tras consultar con la Secretaría de Transporte y con la APM, prescribirá y corregirá normativas de medición de estos fenómenos, y prescribirá y corregirá las regulaciones que la F AA estime convenientes para el control y la disminución del ruido aéreo y del estampido sónico, incluyendo la aplicación de estas normativas y regulaciones en la emisión, reforma, modificación, suspensión o revocación de cualquier ley autorizada por [Título VI de la FAAct]». Como quedó señalado por el Tribunal Supremo en Burbank, «cualquier regulación adoptada por la Administración con el fin de controlar la contaminación acústica debe ser consecuente con el "grado superior de seguridad"»' . En añadidura, la Sección 611(d) insiste en que, al prescribir y modificar bajo esta sección las normativas y regulaciones, la F AA, entre otras cosas: (1) considerará los datos «relevantes disponibles» en relación al ruido aéreo; (2) consultará con entidades federales, estatales e interestatales, y (3) estimará cuándo cualquier normativa o regulación propuesta es «económicamente razonable, tecnológicamente viable, y apropiada para el tipo particular de avión, motor, máquina o certificación a la que pudiera aplicarse». Aviation Safety and Noise Abatement Act de 1979

El Título I de la Aviation Safety and Noise Abatement Act de 197934 (ASNA) afirma que la F AA debe establecer por regulación un sistema único para determinar la exposición de las personas al ruido en las cercanías de los aeropuertos. La F AA tuvo también que establecer un programa de ruido aeroportuario normalizado y de compatibilidad de empleo del terreno. De acuerdo a estas autoridades ya la de la Sección 307 de la F AAct (o sea, cuando la reducción de la acción sonora podría estar relacionada con la regulación del flujo de tráfico aéreo), la FAA ha intentado cumplir los objetivos de su programa de reducción sonora a través de la emisión de regulaciones, órdenes internas dirigidas a los empleados de la FAA (como los controladores de tráfico aéreo) y Circulares de Asesoramiento, que ofrecen indicaciones al público. Se han realizado las siguientes acciones. * Interpretando la 49 U.S.c. 1431 (d)(3).

53.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Federal Aviation Regulations (FAR)

Parte 36 del FAR - Normativa sobre ruidos: Tipo de avión y certificado de aeronavegabilidad. Esta regulación indica normas sonoras para la certificación de tipo· de (1) aviones de gran tamaño de categoría de transporte subsónico, y (2) aviones propulsados por turborreactores subsónicos. Normalmente todos los aviones [en el punto (1) anterior] examinados deben cumplir los niveles sonoros de la Parte 36 del F AR (Apéndice C). Estos niveles se prescriben en tres posiciones de medida, y se especifican para el despegue, la aproximación y las líneas laterales. Los niveles varían en función del peso bruto del aparato con un nivel de ruido percibido efectivo máximo [véase la Ecuación (47.5)] de 108 dB en cualquier situación. De modo similar, los pequeños aviones accionados por hélice y los helicópteros deben cumplir la normativa sobre ruidos de la Parte 36 del FAR (apéndices G y H, respectivamente). Parte 36 del FAR - Enmienda Séptima - Normativa sobre ruidos: Tipo de avión y certificado de aeronavegabilidad. Esta enmienda, publicada por el Registro Federal (42 Fed. Reg. 12360) el3 de marzo de 1977, incrementa el rigor respecto a la regulación básica publicada en 1969. Se establecen y aplican tres «fases» de nivel sonoro, empleando un concepto de certificación basado en parte en el número de motores. FAR 91.55 - Estampido sónico de la aviación civil. Esta regulación prohíbe el vuelo supersónico de aviación civil en el espacio aéreo de los EE.UU. La Administración de la F AA puede otorgar una autorización específica para sobrepasar la velocidad del sonido por parte de un aparato de uso civil solamente para fines limitados (como la investigación, o para demostrar que la maniobra no provocará un estampido sónico que alcance la superficie del suelo). Parte 91 del FAR - Enmienda 134 - Reducción del ruido del montaje delflap en el aterrizaje. Esta enmienda ordena que el montaje final del flap de aterrizaje de aviones turborreactores pesados no debe exceder al montaje mínimo certificado del flap de aterrizaje. Esta norma se aplica al piloto que conduzca cualquier avión turborre actor civil, norteamericano o de otro país, para el cual la autoridad certificadora haya aprobado más de un montaje de flap de aterrizaje para el que exista una información adecuada de funcionamiento en el manual de vuelo del aparato. El piloto podrá emplear un montaje de flap de aterrizaje diverso si por razones de seguridad lo considera necesario. Parte 91 del FAR - Enmienda 136 - Conformidad por fases con los límites sonoros establecidos en la Parte 36 sobre turborreactores con pesos máximos supe-

• La certificación de tipo es el proceso legal mediante el cual se aprueba el diseño de un aparato aéreo, motor, hélice o máquina respecto al «diseño, material, especificaciones, construcción y funcionamiento», 49 V.S.e. Sección 1423(a). La Parte 36 añade criterios sonoros a los de seguridad empleados normalmente en la certificación de tipo.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.15

rlores a 75.000 libras. Esta enmienda fue aprobada para proporcionar una mayor asistencia y protección a la población frente al ruido de la aviación ordenando a aparatos, previamente exceptuados, que cumplieran la presente normativa federal sobre ruidos, en la Parte 36, de acuerdo con un esquema temporal de varias fases que finalizaba el1 de enero de 1985. A partir de esa fecha nadie podría pilotar en los Estados Unidos cualquier aparato cubierto por esta enmienda, a menos que hubiera acatado los niveles sonoros de la Parte 36. Esta regulación es conocida como el requisito «reconversión / sustitución» o «conformidad a la Parte 36 del F AR». Parte 150 del FAR - Plan de compatibilidad sonora de aeropuertos. Esta regulación hace efectivo el Título 1 de la ley ASNA estableciendo un programa de ruido normalizado y de compatibilidad de usos del suelo, que incluye (1) la creación voluntaria por parte de los funcionarios de aeropuertos (y de su sometimiento a la FAA) de mapas de exposición sonora en las inmediaciones del aeropuerto, (2) el empleo de métodos fijos de cálculo de exposición sonora en estas zonas reflejados en unidades normalizadas, (3) la identificación de la utilización de los terrenos que se encuentran normalmente rodeando los aeropuertos, y (4) el establecimiento de criterios y procedimientos de preparación y sometimiento de los mapas de exposición sonora y de los programas de compatibilidad sonora. Debido a que estos programas son de aplicación local en muchas comunidades sirven para propiciar, con su consiguiente publicidad, el debate entre los intereses de las entidades relacionadas y no relacionadas con la aviación para establecer una planificación a largo plazo del aeropuerto. Directivas internas de la FAA

Orden 1050.1b - Política y procedimientos para la consideraci6n de impactos medioambientales. Además de las funciones de la F AA de subvención a aeropuertos y reglamentación del tráfico aéreo antes discutidas, esta organización posee responsabilidades estatutarias específicas en otras áreas de impacto medioambiental potencial, incluido el impacto sonoro. Los apéndices de esta orden de la F AA proporcionan criterios de asesoramiento medioambiental en muchas áreas de su actividad que incluyen: 1. Programas de investigación, ingeniería y desarrollo, como los relacionados

con los sistemas de aproximación y aterrizaje (véase el Apéndice 1). 2. Proyectos relativos a instalaciones aéreas, como la creación de centros de control de tráfico en rutas aéreas o la reinstalación de equipos instrumentales de aterrizaje (véase el Apéndice 2). 3. Regulaciones de tráfico aéreo tales como las rutas de llegada y salida (véase el Apéndice 3 y lo dicho anteriormente). 4. Programas y maniobras normativas de vuelo, como la certificación de aparatos, la autoridad operativa de los transportistas aéreos y la aprobación de escuelas de entrenamiento para pilotos (véase el Apéndice 4). 5. Programas logísticos, tales como arrendamientos, préstamos, acuerdos u otras negociaciones que puedan estar sujetas a la normativa medioambiental (véase el Apéndice 5).

53.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

6. Programas de desarrollo aeroportuario (véase el Apéndice 6 y lo dicho anteriormente ).

Orden 1050.11 - Planificación del control sonoro. Esta extensa orden establece la política y los procedimientos de la F AA, así corno sus responsabilidades en relación a los planes de control sonoro por parte del propietario del aeropuerto, incluyendo los procedimientos de reducción del ruido, el uso compatible de terrenos alrededor de los aeropuertos, y las restricciones de empleo por parte del propietario. Proporciona directrices a su propio personal para revisar las restricciones de uso del propietario y, cuando se considere apropiado, colabora en los procedimientos locales de reducción del ruido de la aviación. Orden 7110.13 - Programas de reducción del ruido en aviones. Esta orden establece la política y los procedimientos respecto al establecimiento de los programas de reducción del ruido de la FAA. Fue promulgada en 1968 como la primera orden de reducción sonora dirigida primordialmente a los itinerarios de vuelos y al uso de las pistas en las operaciones de llegada y salida. Esta orden exige que la FAA examine las actividades aeroportuarias con el fin de anticipar problemas de ruido con las comunidades colindantes. Establece la regla que afirma «que el control del tráfico aéreo con programas de reducción del ruido de los aviones quedará solamente supeditado a consideraciones de seguridad». Los programas de reducción sonora se han dado a conocer a través de boletines, notificaciones o cartas sobre instalaciones, dirigidas a funcionarios o usuarios de aeropuertos. Orden 7110.22B - Operaciones de llegada y salida de aviones de gran potencia. El objetivo de esta orden consiste en minimizar la cantidad de tiempo durante la cual operan aviones de gran potencia a baja altura dentro del sistema de control de tráfico aéreo. El propósito principal de esta orden consiste en garantizar la seguridad, aprovechar eficazmente el combustible, mantener a gran altura las emisiones de los aparatos, y facilitar la reducción de ruidos de cara a la población cercana al aeropuerto. Orden 7110.72 - Gestión delflujo de tráfico local. Esta orden establece un programa de gestión del tráfico local destinado a garantizar la seguridad, ahorrar combustible, y reducir el impacto del ruido aéreo en las comunidades locales, con el fin de mejorar el sistema en su integridad. Las operaciones de llegada de aviones se ordenan de acuerdo a unas normas de flujo de llegada según la capacidad del sistema. Se realizarán mediciones para que el número de aparatos dirigidos no exceda la capacidad establecida. eliminando por tanto retrasos en las llegadas. Según esta directiva, los aviones podrán durante las operaciones de salida despegar con más rapidez y abandonar las áreas sensibles al ruido. Los beneficios respecto a la reducción del ruido incluidos en esta orden se consiguen gracias a (1) la reducción del tiempo de vuelo en alturas inferiores a 10.000 pies por encima del aeropuerto, (2) la eliminación de retenciones y el examen de la vectorización, y (3) el diseño de la ruta más corta hacia la pista de aterrizaje. La exposición reducida al ruido se conseguirá debido a los reglajes menores de empuje. a las mayores altitudes y a los tiempos más cortos de exposición.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.17

Circulares informativas

AC 36-1E - Niveles verificados de ruido de aviones. Las circulares informativas son documentos de cumplimiento no obligatorio que pretenden proporcionar sugerencias al público. Esta circular informativa ofrece datos de niveles sonoros para aviones verificados en la Parte 36 de la F AA desde su publicación. En el índice se incluyen tablas de tipos de motor, pesos brutos y reglajes de flap para los distintos tipos de aviones, así como los niveles sonoros medidos con los límites apropiados de la Parte 36 del F AR. AC 36-2B - Niveles estimados de ruido de aviones. Esta circular informativa ofrece los niveles sonoros estimados para aquellos aviones cuyo tipo no haya sido certificado por los requisitos de sonido de la Parte 36 del F AR. AC 36-3E - Niveles estimados de ruido de la aviación. En esta circular informativa se ofrecen listas de niveles estimados de ruido aéreo reflejados en términos de nivel sonoro con ponderación A. Esta información se indica para operaciones de despegue y aterrizaje, bajo pesos máximos, de los aviones certificados. Cuando resulta posible, estos niveles se basan en estimaciones tomadas de datos de certificación sonora (originalmente en términos de niveles de ruido percibido efectivo). AC 36-4B - Fechada el 23 de marzo de 1988. La Parte 36 del FAR precisa que los procedimientos normativos se utilicen en la certificación sonora de turborreactares, aviones de gran tamaño y aviones de propulsión por hélice. Además, se pueden emplear procedimientos alternativos si éstos están aprobados por la F AA, aprobación que debería ser obtenida siempre con anterioridad al inicio de las labores de certificación sonora. AC 90-59 - Operaciones de llegada y salida de aviones de gran potencia. Esta circular informativa describe las gestiones de control de tráfico aéreo de aviones de gran potencia en áreas terminales. El programa descrito en esta circular informativa, gracias a la minimización de la exposición frente a la llegada y salida de aparatos controlados de gran potencia, ofrece una sensible reducción manteniendo estos aparatos a grandes altitudes durante los períodos más largos posibles. AC 91-36C - Fechada el 19 de octubre de 1984 - Reglas visuales sobre vuelos (RVV) cerca de áreas sensibles al ruido. En esta circular informativa se aconseja a los pilotos que realicen vuelos RVV cerca de áreas sensibles al ruido que circulen a altitudes superiores (2.000 pies sobre del suelo) al mínimo permitido por la reglamentación, y en trayectorias de vuelo que reduzcan el impacto sonoro en esas áreas. El procedimiento fijado indica que, si resulta práctico, se deben evitar preferentemente las áreas sensibles al ruido cuando se vuela a relativamente poca altitud. Se hace mención expresa a las asambleas de personas al aire libre, iglesias, hospitales, escuelas, guarderías, y áreas de parques nacionales, salvajes, recreativos, costas, monumentos nacionales, orillas de lagos y áreas de tránsito y refugio de vida salvaje.

53.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

A e 91-53 - Fechada el17 de octubre de 1978. Esta circular informativa proporciona el análisis y la descripción técnica de un perfil normalizado de reducción de ruido en despegues generalmente eficaz y de acuerdo a los requisitos de seguridad de la FAA. (Un perfil de reducción de ruido en despegues es un procedimiento seguro de operaciones que minimiza la exposición sonora a nivel del suelo resultante del despegue de aviones.) El perfil incluido en esta circular informativa fue creado para aviones turborreactores con un peso máximo certificado de despegue de 75.000 libras. Aunque esta circular no es obligatoria, recomienda que se tenga en consideración este perfil en los manuales de maniobras de entrenamiento y vuelo, así como de los planes de reducción del ruido en aeropuertos. La F AA continúa desarrollando regulaciones, órdenes y circulares informativas nuevas y enmendadas sobre control y disminución del ruido, incluyendo normas para aparatos destinados a vuelos supersónicos, helicópteros y de poca distancia.

REGLAMENTACION LOCAL SOBRE RUIDOS (Véase también el Capítulo 52) Además de las reglas tratadas con anterioridad sobre diseño, construcción y operatividad de la aviación, muchos aeropuertos han establecido reglamentaciones locales sobre ruidos destinadas a impedir el aumento del ruido aéreo en las zonas colindantes al aeropuerto o (en algunos casos) incluso a disminuir su impacto sonoro. Aunque esas normas sonoras locales están destinadas por lo general a buscar soluciones frente a los problemas acústicos entre la aviación y la población en aeropuertos específicos, deben cumplir una serie de requisitos antes de ser ejecutadas. La reglamentación local (1) no debe interferir con la garantía constitucional dellibre comercio entre estados; (2) no debe someter a una o a un grupo de compañías de transporte aéreo a discriminaciones, y (3) debe obedecer todos los requisitos de seguridad operativos impuestos por la regulación federal y/o la política del transportista aéreo. La reglamentación local sobre ruidos incluye habitualmente medidas de control sonoro tales como (1) suspensiones nocturnas, (2) programas de utilización de pistas, (3) restricciones a la frecuencia de las operaciones, (4) conceptos presupuestarios sobre ruidos, (5) los requisitos porcentuales del capítulo 3, (6) los diferenciales en cuotas de aterrizaje para las aeronaves de los capítulos 2 y 3, Y(7) las restricciones durante el calentamiento de motores. Estas normas se aplican por lo general sin dificultad, pero otras podrían encontrar obstáculos legales. La historia de la promulgación de reglamentos locales sobre ruidos contiene una amplia lista de litigios entre aeropuertos, sus usuarios y las comunidades colindantes a los mismos. Sin embargo, es posible crear e implementar normas locales eficaces sin necesidad de recurrir a la acción legal cuando todas las partes interesadas colaboran para comprender los problemas ajenos y buscar soluciones mutuamente beneficiosas.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.19

PROCEDIMIENTOS DE CREACION DE NORMAS El objetivo último de cualquier proceso público es el de lograr establecer decisiones integrales respecto a los problemas que le incumban. Así como el contenido sustancial de la reglamentación sobre ruido aéreo viene determinado por leyes públicas que definen los amplios conceptos del sistema «uniforme y exclusivo» sobre aviación nacional, también el proceso gradual por el que las decisiones reguladoras del ruido, llevado a cabo bajo el severo escrutinio público, adquieren efectividad legal, queda determinado con detalle en dos leyes públicas: la Administrative Procedure Act de 1946 (APA)35 Ylas disposiciones procesales de la Sección 611 de la FAAct36 enmendadas por la Noise Control Act de 1972. Estos procedimientos fueron promulgados por el Congreso con el fin de asegurar que el proceso de creación de normas fuera estudiado por el foro público y, de este modo, se ofreciese a las personas afectadas una oportunidad real de participar en su elaboración.

La participación en la creación de normas

Aunque a lo largo del capítulo se ha venido prestando especial atención al control y la reducción de! ruido, debería afirmarse que el objetivo global del tema de «gobierno abierto» que subyace en el proceso de creación de normas de la FAA consiste en propiciar e! diálogo entre el gobierno y el ciudadano, con el fin de permitir y alcanzar el grado más elevado de compenetración, dentro de la F AA, del impacto probable de estas regulaciones antes de que éstas sean promulgadas. Los objetivos que pretende alcanzar este procedimiento son, más concretamente, los siguientes: (1) unas decisiones abiertas logradas de modo abierto; (2) aumentar las oportunidades de participación pública en la creación de normas; (3) contar con las personas que estudien las normas propuestas, que podrían ser explicadas y justificadas en base a sus méritos; (4) la creciente concienciación de la FAA respecto al impacto a largo plazo de la conservación de la energía, y los impactos medioambientales, internacionales, económicos y en e! consumidor. El resumen de la APA y de la Sección 611 que aparece a continuación es de tipo general. En la Parte 11 de las Federal A viation Regulation?7 se ofrece información más detallada sobre los procedimientos de establecimiento de normas de la F AA.

Administrative Procedure Act de 1946 lAPA)

La APA se aplica corrientemente a las entidades federales, incluyendo la F AA. Las

disposiciones sobre creación de normas de esta ley pretenden abrir este proceso a la opinión y participación pública. Todas las Federal A viation Regulations, que hacen efectiva la Federal Aviation Act de 1958 enmendada por la Noise Control Act de 1972, son promulgadas de acuerdo a estas premisas, que comprenden las siguientes fases:

53.20

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1. En la mayoría de los casos·, la norma propuesta se decreta primeramente

2.

3. 4. 5.

como una Notificación de Proposición de Ley (NPRM), Yaparece en el Registro Federal, publicación establecida por el Congreso para informar al público, entre otros asuntos, de la aparición de reglamentación federal. En el preámbulo de su establecimiento se aceptan los comentarios del público. Tras la aparición de la NPRM, las personas afectadas tienen la oportunidad de participar en la creación de normas por medio de informes por escrito, opiniones o argumentos, incluyendo cuando sea apropiado la oportunidad de realizar presentaciones orales. Tras el estudio de estos comentarios, se incorpora a la normativa finalmente adoptada una «concisa declaración general sobre su base y propósito». En la mayoría de los casos··, la normativa definitiva es promulgada y publicada en el Registro Federal··· al menos 30 días antes de su entrada en vigor. Todas las personas afectadas tienen derecho a solicitar que la F AA promulgue, enmiende o derogue una norma.

Con el fin de dar una aún mayor apertura al proceso de creación de normas, la F AA ha incluido los siguientes métodos para aumentar la posibilidad de participación pública (además del empleo de entrevistas, listas de correos, comités conseje-

.. 5 V.S.e. 553(b)(3)(B) indica que la notificación y el procedimiento público pueden ser eliminados en caso de que la entidad estime. «por buena causa». que tal proceso es «impracticable, innecesario o contrario al interés público» . .... 5 V.S.e. 553(d) afirma que el período de gracia de 30 días puede ser desestimado en ciertos casos concretos . ...... La comprensión del proceso de creación de normas federales precisa de una familiaridad con los procedimientos relacionados con la Oficina del Registro Federal. Aquí reproducimos un breve resumen de los propósitos y los efectos de las publicaciones en el Registro Federal a partir de la introducción al capítulo 11 del Document Drafting Handbook. publicado por la Oficina del Registro Federal, Archivos Nacionales y Servicio de Documentación. Washington OC. 20408: «El Registro Federal es una publicación creada por el Congreso con el fin de informar al público sobre las regulaciones de poder ejecutivo y de las entidades administrativas independientes del gobierno de los V.S.A. Las funciones actuales del Registro Federal han sido definidas ampliamente en dos leyes. la Federal Register Act de 1935 (44 V.S.e.. capítulo 15) y la Administrative Procedure Act de 1946 (5 V.S.e. 551 et seq.). El Congreso aprobó la Federal Register Act con el fin de solventar los problemas de comunicación existentes entre las entidades federales y el público debidos a la aparición de la actividad regulatoria a principios de los años 30. Con su promulgación se reconocía el hecho de que los ciudadanos no podían estar al día del conjunto de leyes administrativas en rápido crecimiento a menos que esas leyes se encontrasen a disposición pública. La necesidad de «publicar» las disposiciones regulatorias quedó patente en un caso del Tribunal Supremo en el que el apoderado del gobierno reconoció que ciertas disposiciones regulatorias básicas para el pleito del gobierno se habían rescindido por error [Panama Refining Co. v. Ryan. 293 V.S. 388 (1935»). La Federal Register Act estableció por primera vez un sistema uniforme de tratamiento de emisiones institucionales garantizando: (l) la catalogación. (2) la disposición para la inspección pública. (3) la publicación en el Registro Federal y (4) la codificación permanente. cuando sea posible ... La aparición de una normativa en el Registro Federal cumple solamente parte de estos requisitos. El material codificado pasa también a formar parte del Code of Federal Regulations (CFR). La Administrative Procedure Act (APA) introdujo una nueva dimensión al sistema esbozado en la ley de 1935. Vna medida tomada en 1946 introducía como requisito general la fase de participación pública en el proceso de creación de normas.»

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.21

ros, encuentros públicos, y otras formas de obtención de información por parte de la opinión pública): 1. En ciertos casos, y antes de que se cree la NPRM según indica la APA, aparece y se publica en el Registro Federal una Notificación Anticipada de Proposición de Ley con el fin de que la opinión pública ayude a determinar la naturaleza o finalidad de las normas propuestas en la NPRM posterior. 2. Queda establecido y mantenido un Sumario Público de Normas con el fin de conservar todos los comentarios del público aparecidos durante el proceso de elaboración de la norma. Cualquier persona puede conocer la opinión del público y ofrecer comentarios con un conocimiento preciso de lo que los demás han opinado. Es más, todos los contactos de la F AA respecto a una normativa particular en estudio, como los apuntes tomados durante encuentros con grupos representantes de la industria o de la ciudadanía, quedan en el sumario a disposición de las personas interesadas. Esto es aplicable a todos los procesos de instauración de normas por parte de la F AA. En la Figura 53.1 aparece el proceso completo de elaboración de normas de la FAA, desde la Notificación Anticipada de Proposición de Ley hasta la Normativa Definitiva.

NO;S8

Control Act de 1972

Los procedimientos especificados en la APA se seguirán en la promulgación de toda la normativa sobre reducción de ruidos y estampidos sónicos iniciada por la FAA. Sin embargo, la Sección 611(c) de la Federal Aviatíon Act de 1958, enmendada por la Noise Control Act de 1972 (49 U.S.e. 1431), contiene los procedimientos detallados que deben seguirse, además de los procedimientos de la APA, en los casos en los que la Agencia de Protección Ambiental (EPA) someta una regulación sobre reducción de ruidos aéreos a la FAA. La Sección 611(c) ordena a la EPA a someter a la F AA las regulaciones de control sonoro que considere «necesarias para proteger la salud y el bienestar públicos»38. Cuando se haya llevado esto a cabo, la F AA debe realizar los siguientes pasos: 1. Dentro de los 30 días posteriores a la entrega de la propuesta de la EPA, la FAA debe publicarla en el Registro Federal en concepto de Notificación de Proposición de Ley. 2. Dentro de los 60 días posteriores a la publicación de la NPRM, la F AA debe celebrar una audiencia sobre la propuesta de la EPA. 3. Tras un «período razonable» posterior a la audiencia, y tras realizar consultas con la EPA, la F AA debe optar por una de las siguientes propuestas: (1) promulgar una normativa bien idéntica o bien modificada respecto a la propuesta por la EPA, o (2) publiear en el Registro Federal un aviso indicando que la F AA ha decidido no adoptar la propuesta de la EPA, así como una «explicación detallada» de tal decisión. Tras esta gestión de la F AA, la EPA está autorizada, bajo ciertas condiciones y tras consultar con la FAA, a publicar en el Registro Federal una petición detallada

53.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Internacional

Revisión bienal de aeronavegabilidad V maniobras

Audiencia publica • Ponente del tribunall, • Informes disponible previo pago

+-__-J

FIGURA 53.1. Proceso completo de elaboración de normas en la FAA.

para que la FAA revise e informe a la EPA sobre la conveniencia de adoptar la proposición de la EPA tal como se indicó originalmente a la F AA. Deben transcurrir al menos 90 días antes de que se produzca el informe de la F AA. Cuando la EPA publica su petición en el Registro Federal, debe realizar los siguientes pasos: (1) la F AA debe publicar su informe en el Registro Federal en caso de que decida que la propuesta de la EPA no deba ser considerada normativa; (2) en caso de que la F AA indique que la propuesta de la EPA no deba ser considerada normativa, la EPA puede requerir a la F AA la realización de un informe suplementario que compare los efectos medioambientales de las actividades de la F AA con los que resultarían en el caso de que se adoptara la propuesta de la EPA. La FAA debe realizar esta

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.23

tarea dentro de un período de tiempo establecido por la EPA (que debe ser de al menos 90 días). Este proceso aparece en la Figura 53.2.

CONSIDERACIONES INTERNACIONALES Las acciones del gobierno federal para controlar los ruidos aéreos dentro de los EE.UU. no se producen en el vacío. Las restricciones que afecten al sistema nacional de aviación, sea cual sea su propósito, contienen el riesgo potencial de quebrantar seriamente el comercio aéreo de la comunidad internacional. Debido a esta razón, la Sección 1102 de la Federal A viation Acf9 establece que todos los derechos y deberes investidos por esta ley serán llevados a cabo según los acuerdos vigentes entre EE.UU. y otros países extranjeros.

La Convención de Chicago Además de los acuerdos bilaterales sobre transporte aéreo entre Estados Unidos y otros países, Estados Unidos ha firmado la Convención sobre Aviación Civil40 , ratificada el 9 de agosto de 1946. En general, la política norteamericana sobre aviación civil internacional debe someterse a este acuerdo, conocido como la Convención de Chicago. Su preámbulo contiene la siguiente afirmación de propósitos que implica directamente al control del ruido producido por aviones en operaciones internacionales: «Por lo tanto los gobiernos firmantes, habiendo acordado ciertos principios y ordenamientos con el fin de que la aviación civil internacional se desarrolle de modo seguro y correcto, y los servicios de transporte aéreo internacional se establezcan en base a la igualdad de oportunidades y al funcionamiento razonable y económico, han aprobado seguidamente la Convención con este fin.»

El principio de viabilidad económica razonable conseguido gracias a la aplicación no discriminatoria de una normativa lógica sobre comercio aéreo internacional es una consideración fundamental de toda la reglamentación de la FAA que afecta a las compañías aéreas extranjeras.

La política de los Estados Unidos

Los principios de la Convención de Chicago han sido reelaborados por el Presidente en forma de una Plan de transporte aéreo internacional de los Estados Unidos, aprobado el8 de septiembre de 1986'. En esta política se adapta el concepto internacional de igualdad a las regulaciones medioambientales norteamericanas de va-

* Reemplazando al plan del 22 de junio de 1970.

53.24

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Opiniones:

• Medioambientales • Consumidores • Internacionales

• Aviación • Resto del público • Congreso • Otras instituciones

del gobierno de los EE.UU.

Audiencia pública de la FAA en 60 dias

FIGURA 53.2. Control y reducción de ruido aéreo y estampido sónico.

rias formas: (1) se favorecen los acuerdos sobre temas medioambientales internacionales a través del foro de la Organización de la A víación Civil Internacional (OACI)"< ; (2) se establece que, a pesar del hecho de que las necesidades medioambientales y los medios de los Estados Unidos puedan diferir de los de otras naciones, se realizarán todos los esfuerzos posibles para que se acepten internacionalmente los requisitos planteados por este país; (3) se afirma, sin embargo, que las acciones llevadas a cabo por el gobierno de los EE.UU. deben realizarse de acuerdo a los mandatos legislativos que protegen la salud y el bienestar públicos de los ciudadanos norteamericanos, y (4) (con el fin de equilibrar estos objetivos opuestos) se afirma que los EE. UU. «intentarán que se establezcan acuerdos en la OACI para la aplicación de la normativa sobre ruidos de aviación en operaciones internacionales. Si resulta imposible obtener este acuerdo internacional sobre problemas medioambientales tales como las emisiones de ruidos y motores, los Estados Unidos deberán

.. La OACI fue creada por la Convención de Chicago como organización administrativa encargada de aplicar los objetivos de la Convención.

REGULACION SOBRE RUIDO DE LA AVIACION

53.25

establecer una normativa más severa de la propuesta por la OACI con el fin de proteger la salud de los ciudadanos y la calidad del entorno»41. A lo largo de los años se han establecido numerosos acuerdos dentro del marco de la OACI respecto a la normativa que afecta a la aviación civil internacional. Las normas y la práctica recomendada sobre aviación, además de otros acuerdos sobre este tema, queda recogida por la OACI en forma de Anejos a la Convención. La Normativa y práctica recomendada sobre ruido aéreo designada en el Anejo 16 de la Convención fue adoptada por el Consejo de la OACI el2 de abril de 1971 para hacerse efectiva el2 de agosto de ese año y ser aplicada el6 de enero de 1972. El Anejo 16 se aprobó como resultado de un Encuentro especial sobre ruido aéreo en las inmediaciones de aeródromos celebrado en Montreal (Canadá) en noviembre y diciembre de 1969.

REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. l3. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.

25. 26. 27. 28. 29. 30.

49 U.S.e. l301 et seq. Seco 104 ofthe Act (49 U.S.e. 1304). 40 U.S.e. l303. 411 U.S. 629 (May 14, 1973). title 1, Pub. L. 91-258, 91st Cong., 2d Sess. (1970),49 U.S.e. 1701 et seq. 49 U.S.e. 1701. 49 U.S.e. 1713. 49 U.S.e. 1713(c). 49 U .S.e. 1711. Enmiendas de 1976 al Airport and Airway Development Aet (P.L. 94, 353, aprobadas el 12 de julio de 1976). 49 U.S.e. 1712. 49 U.S.e. 1716. 49 U.S.e. 1718. 49U.S.e.1719. 14 e.F.R. Part 152. 42 U.S.e. 4321, et seq. 238 F. 2d 812 (1956). 272 F. Supp. 226 (1967), affd. 398 F. 2d 369 (1968), cerl. denied, 383 U.S. 1017 (1969). Article 1, Section 8, Clause 3, and Article VI, clause 2, respectively. Act of August 23,1958,72 Stat. 731, as amended (49 U.S.e. 1301 el seq.). 272 F. Supp. 226,230. 49 U.S.e. l343(e). 49 U.S.e. l348(c). S. Rochester, Takeoff at Mid-Century: Federal Civil Aviation Paliey in the Eisenhower Years 1953-1961, Departamento de Transportes de los U.S.A., Federal Aviation Administration, 1976, p. 247. 14 e.F.R. § 91.87(g). 14 C.F.R. § 91.87(d). Subpart L of Part 93 of the Federal Aviation Regulations (14 C.F.R. Part 93). P.L. 91-190,42 U.S.e. 4321 et seq. 35 F.R. 4247 (issued Mar. 5,1970). 40 C.F.R. Part 1500,38 Fed. Reg. 20550 (Aug. 1, 1973).

53.26 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

49 U.S.e. 1431. 82 Stat. 395, June 21,1968. 49 U.S.e. 1431(b)(I). 49 U.S.e. 2101. 5 U.S.e. 551 et seq. Section 611(c) (49 U.S.e. 1431(c». 14 e.F.R. Part 11, General Rulemaking Procedures. 49 U.S.e. 1431(c)(I). 49 U.S.e. 1502. 61 Stat. 1180. Intemational Air Transportation Policy ofthe United States, pp. 30,31.

Capítulo

54

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL Henning E. von Gierke Kenneth M. Eldred Robert K. Break

INTRODUCCION El aumento de la conciencia ambiental a mediados de la década de los 60 condujo a que muchos países formalizaran procedimientos para evaluar los efectos sobre el medio ambiente de nuevas acciones, proyectos, productos o procedimientos antes de su inicio. Estos análisis declaran y justifican los costes ambientales de la acción propuesta en un estudio de impacto ambiental (Es.I.A.). En EE. UU, esta política se estableció por primera vez con carácter general mediante el Acta Nacional de Política Ambiental de 1969 [NEPA (PL-91-190) p, para todos los proyectos, programas o nuevas políticas con financiación federal. A través de la posterior legislación federal, estatal y municipal, este proceso de revisión ambiental ha ganado una importancia creciente en la planificación del uso del suelo, la distribución de recursos y las decisiones políticas. En 19742 , más de una docena de estados habían adoptado estatutos «estilo NEPA»; otros estados habían introducido requisitos parecidos mediante órdenes ejecutivas o administrativas. Un impacto ambiental se define como los efectos a corto y largo plazo de cualquier acción sobre el entorno físico y social de las personas, sobre la naturaleza y sobre la vida salvaje. Una definición tan amplia de impacto ambiental requiere una interpretación más profunda, refinamiento y cuantificaciones normalizadas que la hagan práctica en decisiones funcionales y legales, sobre todo con respecto a la definición y análisis de un impacto adverso. El ruido, una medida de la calidad del ambiente acústico, no es sino uno de los factores importantes a incluir en el proceso de planificación y que se debe analizar en un estudio de impacto ambiental. Es uno de los factores que hay que considerar junto con la contaminación del aire, del agua, térmica, peligros químicos, eficacia del transporte, etcétera. El objetivo global del estudio de impacto ambiental y del proceso posterior de evaluación del impacto que se discutirá en detalle más adelante, es un análisis de coste-beneficio de gran alcan54.1

54.2

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

ce nacional y social, que puede resultar útil para lograr los objetivos deseados con un gasto mínimo de recursos irrecuperables y de costes sociales. Con esta finalidad, es deseable expresar, siempre que sea posible, el impacto total ambiental de un proyecto y los impactos parciales de los tipos individuales considerados en términos de índices de número único. Esta simplificación de la situación es necesaria para permitir, en la medida de lo posible, una cuantificación sin sesgos de: (1) el impacto, (2) la comparación de las distintas soluciones alternativas y (3) los costes económicos o sociales implicados en evitar o aceptar un impacto negativo. El personal administrativo o técnico responsable del proyecto y quienes preparan el estudio de impacto ambiental deben trabajar en contacto estrecho con los expertos responsables de la evaluación de los distintos efectos ambientales de los proyectos. Deben utilizarse métodos técnicos para cuantificar el impacto del ruido, métodos que tienen la precisión requerida para las decisiones, que sean comprensibles para personas legas y que se expresen en términos tales que el impacto del ruido puede compararse con otros tipos de impacto. Las directrices y procedimientos descritos en este capítulo, basados en un informe 3 CHABA (Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics), que propone directrices uniformes para la preparación de estudios de impacto ambiental con respecto al ruido, son útiles para este particular.

EL ACTA NACIONAL DE POLlTICA AMBIENTAL (NEPA) DE 1969 El propósito del Congreso al poner en marcha la National Environmental Policy Act (NEPA) está incluido como parte de ella: «Declarar una política nacional que fomente una armonía productiva y grata entre las personas y su ambiente; promover esfuerzos que impidan o eliminen el riesgo para el ambiente y la biosfera y estimulen la salud y el bienestar de los seres humanos; (y) enriquecer la comprensión de los sistemas ecológicos y los recursos naturales importantes para la nación». El Congreso declaró que ésta era la «política continuada del gobierno federal» y que todas las agencias federales «deben utilizar todos los medios y medidas prácticas» para satisfacer estos propósitos, de manera que la nación pueda: 1. Cumplir las responsabilidades de cada generación como administradora del

medio ambiente para generaciones futuras. 2. Asegurar entornos seguros, sanos, productivos, estética y culturalmente agradables para todos los estadounidenses. 3. Lograr el rango más amplio de usos beneficiosos del medio ambiente sin degradación, riesgo para la salud o seguridad u otras consecuencias indeseables o no queridas. 4. Conservar los aspectos históricos, culturales y nacionales importantes de nuestro patrimonio y mantener, siempre que sea posible, un medio ambiente que sustente la diversidad y la variedad de selección individual. 5. Lograr un equilibrio entre población y el uso de recursos que permita niveles altos de vida y un reparto amplio de las comodidades de la vida. 6. Mejorar la calidad de los recursos renovables y lograr el máximo reciclado posible de los recursos no renovables.

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.3

Para lograr estos objetivos, la Sección 102 (2) (A) de la NEPA exige que todas las agencias federales «utilicen un enfoque sistemático, interdisciplinar», que integre «ciencias naturales y sociales y técnicas de diseño ambiental en la planificación y toma de decisiones que puedan tener un impacto sobre el medio ambiente». La Sección (2) (C) exige que en todas las «acciones federales importantes que afectan significativamente a la calidad del medio ambiente humano», la agencia federal principalmente implicada prepare en primer lugar un estudio detallado, habitualmente denominado estudio de impacto ambiental, que analiza los siguientes asuntos: 1. El impacto ambiental de la acción propuesta. 2. Cualquier efecto ambiental adverso que no pueda evitarse si la propuesta se lleva a cabo. 3. Alternativas a la acción propuesta. 4. La relación entre los usos locales a corto plazo del medio ambiente y el mantenimiento y mejora de la productividad a largo plazo. 5. Cualquier compromiso irreversible e irrecuperable de los recursos que estarían implicados en la acción propuesta si se llevara a cabo.

La agencia federal sólo puede proceder legalmente después de que el estudio de impacto ambiental ha sido realizado y aprobada la declaración de impacto ambiental. Como resultado, las agencias que se han creado para regular y/o promover industrias particulares o sectores de la economía ya no pueden alegar que no tienen jurisdicción legal para considerar los efectos ambientales de sus decisiones. Muy al contrario, la NEPA les dota de la obligación afirmativa de considerar tales efectos.

Agencias sometidas al proceso de estudio de impacto ambiental

La Sección 102 de la National Environmental Policy Act (NEPA) afirma globalmente que «todas las agencias del gobierno federal tendrán» que cumplir con estos requisitos de procedimiento. Así, la NEPA, a través de este mandato, tiene una aplicación amplia que incluye todas las agencias del gobierno federal, con pocas excepciones. Las siguientes se incluyen en estas excepciones: 1. La NEPA no se aplica directamente a las agencias estatales gubernamentales o entidades, distritos, agencias y autoridades del gobierno estatal, regional o local. La NEPA sólo se aplica si existe una implicación federal que efectivamente convierte al gobierno estatal o local en su asociado. 2. Mientras el «Congreso intenta que la NEPA se aplique en todas las áreas bajo su control exclusivo»4, existen numerosas entidades que operan bajo los auspicios (o como elemento necesario) del gobierno federal que, sin embargo, no están bajo control exclusivo del Congreso; en consecuencia, no son «agencias», por lo que respecta a la NEPA. Por ejemplo, los tribunales de los Estados Unidos son una rama del gobierno federal, pero no son «agencias» sometidas a la NEPA 5 • Más aún, la Oficina del Presidente no es una «agencia» limitada por la NEPA en su toma de decisiones6 . En un sentido más amplio, bajo la autoridad de People of Saipan v. u.s. Department of Interior, 502

54.4

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

F.2d 90 (9. 8 Cir. 1974), ninguno de los cuerpos gubernamentales exentos de la Administrative Procedure Act (APA), mediante funcionamiento de la 5 U .s.C.A. § 551 (1), es considerado «agencia», por lo que respecta a la NEPA. Esto incluye cualquier otra entidad, el Congreso en sí, junto con «los gobiernos de los territorios o posesiones de los Estados Unidos», «el gobierno del Distrito de Columbia», «cortes marciales y comisiones militares» y «autoridad militar ejercida en el campo en tiempo de guerra o en territorio ocupado». 3. Se ha mantenido que la NEPA no se aplica a la Agencia Regional de Planificación Tahoe, que es un corporación regional, creada interestatalmente entre California y Nevada y aprobada por el Congres07 • Acciones sometidas al procedimiento de estudio de impacto ambiental

Los términos de la Sección 102 de la National Environmental Po/icy Act (NEPA) se aplican a «todas las recomendaciones o informes sobre propuestas para legislación y otras acciones federales importantes que afectan significativamente a la calidad del medio ambiente». Aunque la NEPA no define las «acciones federales», las normas adoptadas por el Councilon Environmental Quality indican que las acciones federales tienden a estar en una de las siguientes categorías: 1. Adopción de una política oficial, como reglas, normas e interpretaciones adoptadas de acuerdo con el Administrative Procedure Act. 2. Adopción de planes formales, como documentos oficiales que guían o prescriben usos alternativos para los recursos federales. 3. Adopción de programas, como un grupo de acciones concertadas para implantar una política o plan específico. 4. Aprobación de proyectos específicos, como actividades de construcción o coordinación en un área geográfica definida, incluidas acciones aprobadas mediante permiso u otra decisión regulatoria, así como actividades federales y asistidas federalmente 8 • Aunque en muchas circunstancias puede ser fácil reconocer una acción federal como tal, en muchas otras puede no serlo. El problema resulta más agudo en el caso de un proyecto llevado a cabo por una entidad gubernamental estatal o local, o una persona privada, pero con cierto grado de implicación federal. Entonces, el asunto de si la implicación federal hace del proyecto una «acción federal» se convierte en una cuestión de grado. Por ejemplo, se ha mantenido que el alquiler de tierras tribales, por parte de una tribu india, a un promotor privado es una «acción federal» sometida a la NEPA, porque la aprobación del Secretario del Interior es un prerrequisito estatutario para el alquiler9 . De la misma manera, se ha sostenido que la financiación federal de proyectos de construcción, específicamente aprobados, de autopistas, presas y reservas les convierte en «acciones federales» por lo que respecta al cumplimiento de la NEPA IO • En general, si la aprobación o financiación federal son esenciales para el éxito de un proyecto y éste implica el ejercicio de la discreción con respecto a los parámetros del mismo, el proyecto implica «acción federal». Por otra parte. la sola recepción de ayudas federales para planificación del

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.5

transporte no convierte al plan resultante en una acción federal, sobre todo si la financiación «no está ligada en modo alguno a cualquier revisión sustantiva de los planes producidos»l1. La intención actual de buscar financiación federal para un proyecto tampoco lo convierte en una «acción federal», antes de la aprobación federal real de la financiación del mismo l2 . El hecho de que una agencia federal tenga la autoridad para usurpar la del estado en determinadas circunstancias (por ejemplo, para impedir la muerte de lobos en un programa estatal de protección del caribú sobre terrenos federales) no convierte el programa estatal en «acción federal» sólo porque la agencia federal no ejercite su autoridad 13 • En general, si la aprobación o financiación federal es un elemento mínimo de un proyecto o si no implica el ejercicio de discreción, el proyecto no constituye una «acción federal». En cualquier situación en que una agencia federal se vea implicada en un proyecto no federal, la determinación de si éste pasa a ser una «acción federal» y, por tanto, estar sometido a la NEPA, requiere el ejercicio de enjuiciamiento, teniendo en cuenta la importancia relativa y la extensión de la implicación federal en lo que, por lo demás, es un proyecto o programa no federal. Existe un volumen creciente de precedentes para ciertos tipos de implicación federal, como financiación de una autopista o de la ampliación de un aeropuerto, que pueden servir como guía relativamente precisa. Para otros proyectos, litigados con menor frecuencia, la única guía real es el sentido común al tener en cuenta los principios básicos comentados anteriormente. Además del problema de reconocer como acciones federales los proyectos que llevan a cabo los estados, gobiernos locales o personas privadas, existen otros casos en que la aparente acción federal no está sometida a la NEP A. Si existe un «conflicto claro e inevitable respecto a la autoridad estatutaria», como cuando una agencia federal sólo tiene 30 días, por estatuto, para tomar una determinación, «el procedimiento NEPA debe ceder»14. Además, existen varias exenciones expresas de la NEPA para ciertas agencias y funciones federales, como la mencionada por la Environmental Protection Agency en 33 U.S.CA. § 1371 (c) (1).

REALlZACION DE UN ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL Si una acción llevada a cabo por una agencia sometida a la National Environmental Policy Act (NEPA) puede «afectar significativamente ... a la calidad del medio ambiente», hay que realizar en primer lugar un estudio de impacto ambiental. Los asuntos centrales que rodean a este requisito están relacionados con: (1) la identificación de aquellas acciones que puedan «afectar significativamente... a la calidad del medio ambiente», (2) la asignación de la responsabilidad para realizar un estudio de impacto ambiental, (3) los contenidos del estudio de impacto ambiental y (4) qué implicación deben tener otras agencias federales y el público en el proceso.

54.6

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

Identificación de las acciones que requieren un estudio de impacto ambiental

La NEPA exige un estudio de impacto ambiental sólo para aquellas acciones que puedan «afectar significativamente ... a la calidad del medio ambiente». A su vez, esta determinación es el producto de un proceso subrayado en las normas de la NEPA, promulgadas por el Councilon Environmental Quality. La Figura 54.1 ilustra el proceso de decisión. El primer paso (después de haber comprobado que la agencia responsable está sometida a la NEP A Yse ha decidido que es una acción federal) es determinar si el proyecto propuesto está dentro de las «categorías exentas» de los requisitos de la NEPA, bajo las normas adoptadas por la agencia (o agencias) federal particular responsable implicada en el proyecto. Si la categoría a que pertenece el proyecto está exenta [por ejemplo, si es un «mantenimiento y cuidado rutinario de la instalación», llevado a cabo por el Departamento de Defensa (véase 32 C.F.R. Parte 214, Anexo A)]. no suele ser necesario un mayor cumplimiento de la NEPA. Si: (1) la categoría del proyecto no está exenta (no es una «categoría de acciones que no tengan efecto significativo, individual o acumulativamente, sobre el medio ambiente y no se ha encontrado que carezcan de efectos en los procedimientos adoptados por una agencia federal en implantación de las normas de la NEPA»)15 y (2) existe incertidumbre acerca de que el proyecto pueda «afectar significativamente ... a la calidad del medio ambiente», la agencia tendrá que efectuar una «evaluación ambiental» que sirva para: 1. Aportar, brevemente, evidencias y análisis suficientes para determinar si hay

que realizar un estudio del impacto ambiental o bien que no hay impactos significa ti vos.

Categorla exenta

impacto no significativo

FIGURA 54.1. ambiental.

Revisión general del proceso de realización del estudio de impacto

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.7

2. Ayudar al cumplimiento del acta por parte de la agencia cuando no sea necesario un estudio de impacto ambiental. 3. Facilitar la realización del estudio de impacto ambiental cuando sea necesario16 • Si la evaluación apoya la conclusión de que el proyecto no afectará significativamente a la calidad del medio ambiente, la agencia emite una «declaración de impacto no significativo» (a veces también denominado declaraci6n negativa o determinaci6n negativa) basada en la evidencia de la evaluación, que constituye el cumplimiento de la NEPA. En todos los demás casos, es necesario un estudio de impacto ambiental. Siguiendo las normas de la NEP A, adoptadas por el Council on Environmental Quality, cada agencia federal ha promulgado sus propias normas indicando los tipos de acciones que lleva a cabo y que habitualmente requieren (y no requieren) estudios de impacto ambiental. Por lo general, tan sólo una o pocas agencias están fundamentalmente implicadas en cualquier proyecto particular y pueden ser consultadas sobre sus normas NEPA concretas. Todas las normativas están publicadas en el Code of Federal Regulations y en el Federal Register y suelen estar catalogadas bajo «National Environmental Policy Act», «Protection of Environment» o «Environmental Impact Statements» para la agencia o agencias implicadas.

¿Quién es responsable de realizar un estudio de impacto ambiental?

La National Environmental Policy Act (NEPA) afirma que cualquier acción federal que afecte significativamente al ambiente debe acompañarse de «un estudio detallado realizado por el oficial responsable». Aquí, la responsabilidad de realizar el estudio de impacto ambiental recae sobre el oficial de la agencia federal que lleve a cabo la toma de decisión de una acción federal. Si sólo una agencia federal es responsable de la acción, no suele ser difícil localizar al oficial responsable. Sin embargo, el proceso es más difícil: (1) cuando hay más de una agencia federal o (2) cuando están implicadas agencias estatales o locales o personas privadas. Si hay más de una agencia federal implicada en la misma acción, o una serie de acciones relacionadas geográficamente o mediante interdependencia funcional, las normas de la NEPA del Councilon Environmental Quality prescriben el siguiente proceso. Se designa a una de las agencias federales como agencia líder en lo que respecta a la realización del estudio de impacto ambiental (40 C.R.F. § 1501.5). En el caso ideal, las agencias implicadas deciden entre sí quién será la «agencia líder» y quiénes serán «agencias cooperantes». Si no se llega a un acuerdo en el plazo de 45 días, cualquier persona implicada puede solicitar al Councilon Environmental Quality que haga una designación. Si la acción federal implica a una agencia estatal (por ejemplo, cuando se aporta financiación federal para la construcción de una autopista), la Sección 102 (2) (D) de la NEPA permite que la agencia estatal o un oficial realice el estudio de impacto ambiental, siempre que:

54.8

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

1. La agencia estatal o el oficial tengan jurisdicción en todo el estado y la res-

ponsabilidad de la acción. 2. El oficial federal responsable aporte directrices y participe en la preparación. 3. El oficial federal responsable evalúe de forma independiente el estudio antes de su aprobación y adopción. 4. El oficial federal responsable redacte una notificación y solicite el punto de vista de cualquier otra entidad (gubernamental) de gestión del suelo y, si existe desacuerdo sobre los impactos, prepare una evaluación escrita de los mismos y de los puntos de vista para su incorporación al estudio de impacto ambiental. Además, bajo las normas de la NEPA del Councilon Environmental Quality, la agencia federal más implicada puede llevar a cabo la planificación, investigación y estudios ambientales, audiciones públicas y realización del estudio de impacto ambiental de forma conjunta con las agencias locales y estatales y cumplir con la NEPA, «de manera que un documento cumplirá con todas las leyes aplicables»l7. De acuerdo con la NEPA (40 C.R.F. § 1506.5), el oficial responsable de realizar el estudio de impacto ambiental puede utilizar información obtenida mediante permiso o aprobación, o contratar directamente con consultores independientes para que realicen el trabajo necesario para la realización del estudio de impacto ambiental (por ejemplo, los estudios de ruido requeridos). «Sin embargo, las órdenes de la NEPA no permiten que la agencia federal responsable renuncie a sus responsabilidades estatutarias refrendando, después de haber reflexionado, un estudio preparado por otros. La agencia debe realizar, de forma independiente, sus funciones de revisión, análisis y evaluación, y participar activamente y de forma significativa en el proceso de preparación y bosquejo»18. Bajo estas circunstancias, siempre es recomendable documentar cuidadosamente la independencia y participación de la agencia federal.

Contenidos de un estudio de impacto ambiental

Las normas de la NEPA del Councilon Environmental Quality recomiendan el siguiente formato normalizado para el estudio de impacto ambiental: (1) una portada; (2) un resumen de las principales conclusiones; (3) una tabla de contenidos; (4) una declaración del propósito y la necesidad de la acción; (5) una descripción de alternativas. incluida la acción propuesta; (6) una descripción del medio ambiente afectado; (7) una descripción de los efectos ambientales; (8) una lista de quienes la han preparado; (9) una lista de agencias, organizaciones y personas a quienes hay que enviar copias del estudio de impacto ambiental, y (10) apéndices, si los h ay 19. Todos estos elementos del estudio de impacto ambiental son autoexplicativos, o al menos mecánicos, salvo los apartados 5,6 Y7. Las normas de la NEPA del Councilon Environmental Quality comentan cada uno de estos elementos en detalle. al igual que lo hacen las normas de cada agencia sobre estudios de impacto ambiental. Básicamente, son una elaboración de lo que resulta necesario para que el estudio de impacto ambiental satisfaga la finalidad de la NEPA, poner delante de quienes toman las decisiones y del público todas las con-

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.9

secuencias ambientales conocidas o previsibles de una acción propuesta, de manera que las puedan ponderar respecto de otros factores al tomar una decisión informada sobre si debe procederse con la acción y cómo.

DIRECTRICES PARA LA REALlZACION DE ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL EN LO QUE RESPECTA AL RUIDO Las anteriores directrices legales generales implican que puede requerirse un análisis detallado del ruido y un informe en el estudio de impacto ambiental para los siguientes tipos de acciones y proyectos: (1) normas y acciones administrativas para reducir el ruido; (2) normas y acciones administrativas no dirigidas hacia la reducción del ruido, pero que podrían conducir a cambios significativos en los niveles ambientales de ruido o cambios en las densidades de población; (3) proyectos de construcción que implican autopistas, aeropuertos o sistemas de transporte públicos; (4) desarrollos urbanos y comerciales; (5) desarrollos industriales; (6) desarrollo de instalaciones en parques nacionales; (7) construcción de plantas de energía y levantamiento de líneas de transmisión de potencia. Los detalles de los requisitos para las acciones enumeradas figuran en las normativas ambientales de la agencia o autoridad responsable. Aunque existen muchos enfoques y posibilidades técnicas que podrían satisfacer los requisitos de un estudio de impacto ambiental, resulta conveniente un enfoque uniforme en la evaluación del impacto ambiental con respecto al ruido. Sólo a través de este enfoque podemos esperar que, con tiempo y experiencia, se desarrolle un sistema normalizado para la caracterización del impacto del ruido y su comparación en el análisis de coste-beneficio. Con este fin, el procedimiento recomendado en este capítulo se basa fundamentalmente sobre las directrices preparadas por un comité de la National Academy of Sciences for the Environmental Protection Agency, que es ampliamente aceptad0 3 . Sin embargo, pueden usarse distintos procedimientos, siempre que estén justificados. Los objetivos de un estudio de impacto ambiental son: (1) determinar el cambio que puede producirse en el ambiente sonoro como resultado de la acción propuesta y (2) comentar este cambio en términos de sus efectos sobre la población o el suelo expuestos. La Figura 54.2 muestra los pasos que se siguen para la realización de un estudio de impacto ambiental (con respecto al ruido). En el procedimiento recomendado en este capítulo, el impacto del ruido se cuantifica según dos efectos potenciales a largo plazo: (1) el número de personas que se espera estén muy molestas durante un largo período de tiempo debido al cambio en el ambiente sonoro y (2) el riesgo potencial de pérdida de audición inducida por el ruido como resultado de la exposición a largo plazo a niveles altos de ruido. Aunque estos dos criterios para el impacto del ruido no incluyen todos los efectos posibles del ruido sobre las personas (y aunque pueden emplearse otros criterios), estas dos consecuencias se recomiendan como indicadores fundamentales de los efectos del ruido ambiental sobre la salud y el bienestar públicos.

54.10

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

I Descripción del proyecto I I Análisis del ambiente sonoro ¿Cambia el ambiente sonoro? ¿Cambia la población expuesta? ¿Son los cambios suficientemente significativos como para documentación detallada?

I Definición del ambiente sonoro ("antes") Previsión de los ambientes futuros de ruido ("después")

I Determinación de la población presente en el rango de niveles sonoros ("antes") Determinación de la población futura en el rango de niveles sonoros ("después")

I Cálculo del nivel sonoro total ponderado para la población (o exposición ponderada) "antes· y ·después· Cálculo del cambio en el nivel sonoro ponderado para la población debido al proyecto Cálculo del indice de impacto del ruido (o exposición) Si Ldn > 75 dB. calcular pérdida auditiva de población ponderada

I Considerar: Ruido especial (ruido impulsivo. infrasonido. ultrasonido) Cambio en el ambiente de vibración

I Repetir el proceso para soluciones alternativas Comparar el impacto del ruido de soluciones alternativas

I Analizar y comentar resultados. soluciones alternativas (impacto del ruido sobre las personas. sobre suelo infradesarrollado. sobre la naturaleza. animales. monumentos. etc.)

I Comentarios sobre el impacto del ruido en el contexto de todos los impactos ambientales

FIGURA 54.2.

Pasos del estudio de impacto ambiental con respecto al ruido.

Descripción del ruido ambiental

La mayoría de los cambios en la situación del ambiente general audible de ruido se describen adecuadamente mediante el nivel sonoro corregido día-noche anual con ponderación de frecuencia A (YDNL) para exteriores. Sin embargo, en algunas situaciones, es aconsejable usar la versión lineal (no logarítmica) del nivel sonoro corregido día-noche. Esta cantidad es la exposición sonora día-noche con ponderación A (DNSE) en unidades de pascales al cuadrado·segundos2o.21 • Esta cantidad representa la exposición sonora diurna total más 10 veces la exposición sonora noc-

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.11

turna total. La Figura 54.3 ilustra la relación directa entre DNL y DNSE y presenta ejemplos de datos medidos en varias comunidades. Se recomienda el uso del DNSE para situaciones en que la exposición sonora resulte de una variedad compleja de fuentes y las alternativas de la acción propuesta impliquen distintos tratamientos de control del ruido de estas fuentes. Para estas situaciones, resulta cómoda la propiedad aditiva de la exposición sonora y la posibilidad de utilizar expresiones aritméticas convencionales, como porcentaje y reducción del porcentaje, puede facilitar la interacción con el público. El DNSE puede resultar útil en procesos legales, ya que representa claramente la exposición sonora total, en lugar del nivel sonoro medio implícito en el DNL. Cuando existe preocupación por los efectos del ruido durante un período corto de tiempo, en lugar del día completo de 24 horas, la medida utilizada es el nivel sonoro continuo equivalente (o exposición sonora) para el período de interés (por ejemplo, el nivel sonoro equivalente de 8 horas). Cuando la preocupación es el efecto producido por un suceso único, como un camión al pasar o un avión que sobrevuela, una medida adecuada es el nivel de exposición sonora. Todas estas medidas se definen en el Capítulo 2. Para un área específica que rodea al lugar ruidoso o sistema de transporte que se va a evaluar (por ejemplo, un aeropuerto, una zona de construcción, o autopista), la descripción del ruido debe incluir un mapa o dibujo mostrando las líneas isofónicas que representan valores constantes del nivel sonoro corregido día-noche anual o de la exposición sonora día-noche. El estudio de impacto ambiental suele incluir un conjunto de isófonas para el área afectada, dibujadas en incrementos de 5 dB, para las condiciones existentes y un conjunto de isófonas para cada implantación de planes alternativos a la acción propuesta. Las líneas isofónicas pueden basarse sobre: (1) medidas reales en la zona de estudio; (2) predicciones basadas sobre localizaciones parecidas a las que se están considerando; (3) métodos predictivos para estimar los niveles de ruido existentes o esperados, tales como los métodos de estimación de niveles de ruido o exposición sonora cerca de aeropuertos, autopistas y carreteras presentados en los Capítulos 46, 47 Y 48. Cuando se incluyen las líneas isofónicas en el estudio de impacto ambiental, hay que describir los procedimientos utilizados para su cálculo (junto con un comentario de la precisión), justificarlo y. si resultado adecuado. acompañarlo de referencias. Población (o área) afectada por el ruido

El siguiente paso es determinar el número de personas que viven entre dos isófonas adyacentes (véase Paso 3 de la Figura 54.2). La población puede estimarse a partir de datos del censo, mapas de la ciudad, recuento directo de viviendas u otros datos relevantes para la población. Estas estimaciones de la población afectada por los distintos niveles sonoros deben realizarse para el ambiente «antes» de la acción contemplada y para el caso «después». Hay que tabular para cada intervalo la población total que vive entre isófonas adyacentes, junto con los cambios en ésta para cada solución considerada. El aumento (o descenso) en el número de personas expuestas a los distintos rangos de ni-

54.12

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

r= " " ",", , , ,-",. , ,

Exposición sonora dia-noche. pascales al cuadrado-segundos (pasques)

3 2

10_000 7 5 3

2

1000 7 5 3 2

100 7 5 3 2

Nivel sonoro corregido dia-noche. decibelios re 20 micropascales

90-

junto a la autopista

Los Angeles: a 3/4 mi del aterrizaje en aeropuerto principal

Feo." . . .,

,~'ro oro." '00

actividad de construcción

~ Harlem: apartamento 2· planta

70-

~-

<

60 _

t'----.

__ 00' U'H .. _ . '" , . " . , """,,,,, Watts: a 8 mi del aterrizaje en aeropuerto principal Newport: a 3.5 mi del despegue en

"""oo•• """'''

Los Angeles: área residencial antigua

10 7 5 3 2 7 5

_ _ _ Fillmore: callejón sin salida de ciudad pequeña

f---..So'

mOO' ••",,,,,, oo' _o,

_ _ _ California: campo de tomates en granja

50-

FIGURA 54.3. Equivalencia entre la exposición sonora día-noche y el nivel sonoro corregido día-noche. Los ejemplos que se presentan corresponden a datos medidos.

veles sonoros es en sí una buena medida del impacto del ruido. Sin embargo, en algunos casos puede ser necesario informar de la exposición sonora de grupos definidos de población o vecindades de cada alternativa. Estos datos pueden resultar apropiados al examinar las distintas alternativas que producen distintas exposiciones de vecindades diferentes. Habitualmente, la población afectada dentro de cada isófona y las propias líneas isofónicas cambiarán con el tiempo. En tales casos, puede ser precisa una evaluación que indique tales cambios, incluyendo la peor situación que pueda anticiparse de manera realista. En otros casos, el área expuesta puede estar todavía deshabitada y el uso futuro del suelo y/o la densidad de población no estar determinados. (En tales casos, puede resultar útil asumir una densidad uniforme de población.) Impacto global del ruido

Distintos investigadores de varios países han intentado establecer diversos métodos para adscribir un grado numérico de impacto a los diferentes segmentos de la po-

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.13

blación, dependiendo del nivel sonoro continuo equivalente que soportan. Todos los métodos intentan relacionar la intensidad media de la respuesta humana (sonoridad, molestia, interferencia del habla o pérdida auditiva) con el nivel sonoro equivalente. Esta relación, en la cual sólo se selecciona un modo de respuesta y que se concentra sobre la población media e ignora las variaciones individuales en la respuesta humana, así como el carácter del ruido, sólo aporta una primera aproximación burda del impacto real. Sin embargo, su uso da como resultado la cuantificación mediante un número único deseada del impacto global del ruido. Cuanto mayor es la población y más largo el intervalo de tiempo considerado, mayor es la justificación para el uso de una cuantificación de número único. Se selecciona una función de ponderación (que es una medida de la respuesta humana), a continuación se multiplica el número de personas expuestas a los distintos niveles sonoros medios por el factor de ponderación correspondiente (véase Tabla 54.1). Este producto es una medida del grado de impacto sobre la población total dentro de un rango seleccionado de nivel sonoro (v.g., impacto hasta un límite determinado o en una respuesta medible) o, de otra manera, el porcentaje de la población que recibe el 100 por 100 de impacto. Sumando estos productos, se obtiene la población total ponderada TWP: (54.1 )

donde p¡ es el número de personas asociadas con el rango i de nivel sonoro corregido día-noche y W¡ es el factor de ponderación sin dimensión para este rango. Se asume que el impacto de los niveles altos de ruido sobre pocas personas es equivalente al impacto de los niveles inferiores de ruido sobre un número mayor de personas. El índice de impacto del ruido (NII) se ha utilizado para comparar el impacto reTABLA 54.1. Factor de ponderación de molestia W¡ para distintos rangos de nivel sonoro corregido día-noche Ldn Rango Ldn. dB

W¡

35-40 40-45 45-50 50-55 55-60 60-65 65-70 70-75 75-80 80-85 85-90

0,01 0,02 0,05 0,09 0,18 0.32 0,54 0,83 1,20 1.70 2,31

54.14

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

lativo sobre un ambiente sonoro con otro (como cuando se compara la implantación de dos planes alternativos): NII

=

TWP Pi

L

(54.2)

¡

donde

LP¡ es el número total de personas contenidas en el área bajo estudio.

Un enfoque adicional para evaluar el impacto es calcular la exposición sonora día-noche de la población ponderada (PDNSE) en pascal es al cuadrado·segundos22 . Esta cantidad es la suma directa de la población por la exposición sonora día-noche: PDNSE

=

L

(DNSE)iP¡

(54.3)

donde Pi es el número de personas asociadas con el rango i de exposición sonora y (DNSE)¡ es el valor medio de DNSE en el rango. Función de ponderación de la molestia general

La función de ponderación de la molestia utiliza la molestia expresada en las encuestas sociales por las poblaciones residentes en ambientes de ruido con distintos niveles sonoros corregidos día-noche exteriores. Esta respuesta de molestia se considera un buen indicador de la satisfacción o insatisfacción media a largo plazo, aunque habitualmente no es un predictor fiable de las situaciones individuales en puntos específicos en el tiempo. El análisis de 18 encuestas sociales de la respuesta de las personas frente al ruido de aviación, tráfico en las calles, autopistas y trenes dio como resultado una relación media, presentada en la Figura 23.1. entre la exposición al ruido y la proporción de población residencial que informa estar muy molesta. Para el análisis del impacto del ruido, esta relación se ha normalizado arbitrariamente a una unidad de 75 dB; se utiliza como la función de ponderación de la molestia W(Ldn ) que presenta la Figura 54.4. Al evaluar el impacto total de ruido determinado mediante las Ecuaciones (54.1) o (54.2), el factor de ponderación W i que se va a utilizar se define como la media aritmética de los factores de ponderación asociados con los límites superior e inferior de los incrementos de nivel seleccionados para la documentación del ruido y el análisis de impacto. La Tabla 54.1 muestra valores de W¡ que corresponden a los distintos rangos de los niveles de ruido corregidos día-noche.

Modificación del procedimiento para incluir ruido impulsivo de energía alta

Cuando el ruido impulsivo de energía baja o moderada forma parte de un ambiente audible de ruido y no se consideran la sorpresa y molestia debidas a lo inesperado,

54.15

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

2,5 t--i--+--t---t--+-~ 2,0 t--i--+--t---t--+--'f-i

i

e

1,5 ......-+--+--t---t---"'l-r-I

~~0--~~--·5~0~~OO~~70~-8~0--~OO NIVEL SONORO CORREGIDO OlA-NOCHE EN DECIBELIOS

FIGURA 54.4. Función de ponderación de molestia para la molestia general. Aunque VV\L dn ) está normalizado aquí para la unidad a 75 dB, puede interpretarse mediante la Figura 23.1 como porcentaje de una población residencial muy molesta por el ambiente de ruido, La función lineal de ponderación indicada se utilizó en primeros análisis de impacto23 •

la reacción humana frente al ruido combinado está todavía razonablemente bien correlacionada con el nivel sonoro corregido día-noche (con ponderación A). El sonido impulsivo de energía alta estimula la percepción por parte de las personas a través de otros mecanismos además de la audición directa, como son las vibraciones inducidas en los edificios y los efectos secundarios de «temblor de la casa». Dado que estos efectos están fundamentalmente causados por la parte de frecuencia baja del espectro del ruido impulsivo, el nivel sonoro con ponderación e correlaciona mejor con la reacción humana frente a este tipo de ruido que el nivel sonoro corregido día-noche con ponderación A. Por tanto, siempre que los sonidos impulsivos de alta energía, como estampidos sónicos, explosiones de canteras y fuego de armas grandes forme parte del ambiente de ruido, se recomienda una modificación del procedimiento descrito anteriormente: el ruido impulsivo de energía alta (el término alta se definirá a continuación): hay que determinar el nivel sonoro corregido día-noche con ponderación e y añadirlo, sobre una base tiempo medio cuadrático, al nivel sonoro corregido día-noche con ponderación A producido por todas las demás fuentes3.24.25. El nivel sonoro corregido día-noche compuesto resultante se usa entonces para determinar la función de ponderación de lo que, por lo demás, es un proceso idéntico de evaluación del impacto. El nivel sonoro corregido día-noche con ponderación e L Cdn se calcula a partir de los niveles con exposición sonora con ponderación e durante el tiempo de interés:

[15 L Cdn = 10 Iog ~ T o

donde

To

= 24 horas

X lOo.IL Cd

+9

X lOO.I(L(m •

10)]

(54.4 )

54.16

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

LCd

=

LCn =

Nivel sonoro medio con ponderación C durante un período diurno de 7:00 a.m. a 10:00 p.m. Nivel sonoro medio con ponderación C durante un período nocturno de 10:00 p.m. a 7:00 a.m. L

Cd

= 10 log 15.3600 1 [~ ~ ¡

Lc = 10 log _1_ n

100 ,lL Cdi ]

[~ 10

9.3600 ~

0 ,IL Cdi ]

y L CE; es el nivel de exposición sonora con ponderación C del suceso i. Este procedimiento se aplica a los impulsos de energía alta definidos como el L CE;, superior a 75 dB, para el que el nivel de exposición al ruido con ponderación C en cualquier período temporal de 2 segundos supera los niveles de exposición al ruido con ponderación C en períodos temporales adyacentes de 2 segundos en, al menos, 10 dB. Es preferible caracterizar de esta manera el impacto ambiental de los ruidos complejos que contienen muchos impulsos que describir y comentar los impulsos individuales mediante su presión pico, que es un procedimiento particularmente inadecuado para una sucesión de muchos impulsos solapados. Este procedimiento ha sido adoptado por las Fuerzas Armadas de los EE.UU. para la evaluación de la molestia general del impacto de ruidos impulsivos sobre la población. Cuando los niveles de presión sonora pico superan 140 dB, hay que comentar por separado los efectos potenciales para la salud y el riesgo para los edificios producido por los picos de impulsos individuales, además de la evaluación de la molestia del ambiente de ruido total. Se han documentado experiencias de daños producidos por estos ruidos habitualmente como resultado de ondas individuales de presión. EFECTOS DE IMPACTO SOBRE LA SALUD

Cuando los proyectos que hay que evaluar conducen a exposiciones humanas diarias de niveles sonoros continuos equivalentes que superan los 75 dB durante 8 horas o más tiempo, no es suficiente el uso de una función de ponderación para caracterizar la severidad potencial del impacto en el análisis global del mismo (Figura 54.3). La exposición humana durante muchos años a niveles sonoros por encima de este límite conlleva un aumento del riesgo de la pérdida de audición inducida por el ruido (Capítulo 26). Si los niveles aumentan considerablemente por encima de 75 dB. la pérdida auditiva puede ser simplemente el indicador más obvio de otros posibles efectos generales sobre la salud inducidos por el ruido. Para tales exposiciones, el impacto sobre la salud de unos pocos no puede considerarse equivalente a la molestia sobre un gran número de personas. Por tanto, además de evaluar el impacto general del ruido mediante la función de ponderación de la molestia, es necesaria otra función de ponderación para caracterizar por separado el impacto potencial sobre la salud de los niveles sonoros equivalentes por encima de 75 dB. Se ha

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.17

seleccionado una función de ponderación que aumenta con el nivel de forma proporcional al riesgo de la pérdida auditiva inducida por el ruido y se denomina función de ponderación de protección de la audición 3 • El riesgo de la pérdida auditiva inducida por el ruido, debido a niveles de ruido ambiental exterior muy altos, sólo existe para una parte muy pequeña de la población que pasa una porción apreciable del día en exteriores, durante un período de 40 años. Este porcentaje cambia con la estación, el clima, las condiciones de movilidad y la edad. Dado que la relación más fiable entre dosis y respuesta, para la pérdida auditiva inducida por el ruido, se ha establecido para exposiciones laborales de 8 horas diarias durante varias décadas, hasta toda una vida de trabajo, la función de ponderación de la protección de la audición es numéricamente idéntica a la pérdida auditiva media que se observaría en una población expuesta a los niveles exteriores de ruido ambiental, durante 8 horas diarias, para un período de 40 años 26 • Puede que este enfoque no se justifique para gran parte de la población. Sin embargo, incluso para la fracción de la población expuesta durante menos de 8 horas diarias a los niveles exteriores, hay que asumir que parte de ella, mientras está en el interior, está adicionalmente expuesta a niveles de ruido por encima de 75 dB procedentes de fuentes laborales, de ocio o transporte y, en consecuencia, merece protección contra el riesgo potencial aumentado por la exposición adicional en exteriores. La Tabla 54.2 presenta la función de ponderación de protección de la audición H(L dn ). La función representa el desplazamiento permanente del umbral inducido por el ruido (NIPTS), promediado para las frecuencias de interferencia del habla de TABLA 54.2. Factor H¡ de ponderación de la protección de la audición. Rango L dn , dB

H,

75-76 76-77 77-78 78-79 70-80 80-81 81-82 82-83 83-84 84-85 85-86 86-87 87-88 88-89 89-90 90-91 91-92 92-93 93-94 94-95

0,01 0,05 0,2 0,3 0,5 0,8 1,1

1,4 1,8 2,3 2,8 3,3 3,9 4,6 5,3 6,0 6,8 7,7 8,5 9,5

54.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

500,1000,2000 Y4000 Hz, y para un período de exposición de 40 años, en función del nivel sonoro continuo equivalente26•27 . El nivel sonoro medio para 8 horas, para el que se deriva la relación, se reemplaza en la tabla 54.2 por el nivel corregido díanoche aproximado, ya que esto puede hacerse con un error insignificante. Para niveles sonoros corregidos día-noche en el rango de 75 dB y superiores, Ldn ,." Leq24h + 4,4 dB. Por tanto, un Ldn = 75 dB es equivalente a Leq24h ,." 70 dB y a un L eq8h de 75 dB; V.g., Ldn ,." L eq8h . Cuando se sustituye la función general de ponderación W(L dn ) de la Ecuación (54.2) por esta función de protección de la audición H(L dn ), la expresión se hace equivalente a la pérdida auditiva potencial media en la población total expuesta (PHL), es decir, el cambio potencial medio en el nivel auditivo en decibelios (promediado para las cuatro frecuencias consideradas) para una población expuesta a los distintos niveles equivalentes continuos durante 8 horas diarias a lo largo de 40 años:

PHL= LP'¡

(54.5)

donde P '¡ denota el número de personas en el rango i en el valor del nivel sonoro corregido día-noche por encima de 75 dB, y H¡ el factor de ponderación de la protección de la audición para este rango. El rápido aumento del riesgo de pérdida auditiva por encima de los 75 dB hace deseable elegir incrementos inferiores a 5 dB en el nivel sonoro corregido día-noche para la evaluación de la Ecuación (54.5). Si se utiliza la pérdida auditiva potencial media (para niveles sonoros corregidos día-noche por encima de 75 dB), debe hacerse además del, y no en vez del, índice general de impacto del ruido (NII). Se han propuesto otras funciones de ponderación para utilizarse en conexión con la Ecuación (54.1), para calcular los cambios relativos en la alteración del sueño y la interferencia del habla en exteriores28 , pero las comentadas en este capítulo son suficientes para la mayoría de las situaciones.

IMPACTO DE LA VIBRACION A menudo, los ambientes de ruido se acompañan de vibraciones de las estructuras, que son transmitidas a través del suelo o inducidas por el sonido transmitido por el aire. En ambos casos, pueden relacionarse directamente con las fuentes de ruido, como sucede con las vibraciones producidas por el tráfico en las calles o por explosiones de canteras o estallidos sónicos. Los cambios en estos ambientes de vibración y su aceptabilidad con respecto a las molestias y los daños potenciales para los edificios se documentan y comentan más adecuadamente en conexión con el estudio de impacto ambiental relacionado con el ruido. Hay que medir, ponderar e informar del ambiente de vibración, como recomiendan las normas ISO y ANSI correspondientes (Capítulo 26); la aceptabilidad y extensión del impacto se evalúan me-

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.19

diante criterios de vibración para áreas residenciales (p. ej., Figura 26.5 y Tabla 26.2) y se informa del número de personas y/o casas afectadas en distinto grado.

Ejemplos de evaluación del impacto de las medidas de reducción del ruido

Ejemplo del tráfico. La Tabla 54.3 muestra las estimaciones del número de personas expuestas a distintos niveles de tráfico urbano por encima de 55 dB en áreas residenciales de un estudi029 . ¿Cuál es el impacto actual del tráfico urbano para estas personas? Si todas las fuentes del ruido del tráfico se redujeran en 5 dB Y en 10 dB, ¿cómo cambiaría este impacto? Para realizar estos análisis se tabula el número de personas afectadas para incrementos sucesivos de 5 dB del nivel sonoro corregido día-noche DNL. Para cada condición, el número de personas en cada incremento sucesivo de 5 dB del DNL se multiplica por el factor de ponderación adecuado de la Tabla 54.1 y los valores resultantes se suman, de acuerdo con la Ecuación (54.1), para obtener la población total ponderada TWP. El índice de impacto del ruido NIl se obtiene, para cada condición, dividiendo la población total ponderada adecuada entre la población total no ponderada, como muestra la Tabla 54.3. En el ejemplo que se muestra, cada reducción de 5 dB en el nivel sonoro corregido día-noche reduce el impacto del ruido en un factor de aproximadamente 2 dB; sólo la mitad de las personas están muy molestas por el ruido después de una reducción de 5 dB. Con el fin de evaluar el beneficio de la reducción propuesta, este resultado también puede comentarse en términos de la reducción del número de personas que ya no están muy molestas por el ruido. Mientras la aplicación de una función de ponderación general uniforme está justificada para un ejemplo como el anterior, que implica todo el suelo de uso residencial en EE.UU., su aplicación a situaciones locales específicas, con patrones de uso del suelo bien establecidos y zonas variables, suelen requerir un mayor refinamiento del procedimiento. La cuantificación global de impacto del ruido presentada aquí no es más que un enfoque para caracterizar el impacto sobre el suelo de uso residencial presente o futuro. En cualquier caso específico, hay que identificar y comentar los proyectos locales y todos los usos o actividades existentes o previstos para el suelo, que pueden verse afectados por el cambio en el ambiente sonoro. Estas cIases de compatibilidad de uso del suelo están promulgadas, por ejemplo en EE.UU., por la Federal Highway Administratian con respecto al ruido de los proyectos de autopistas, la Federal A viatian Administration en F AR Parte 150 F (las directrices interinstitucionales de uso del suelo urbano) y el Department af Hausing and Urban Develapment (con respecto a la financiación) para la compatibilidad de zonas de ruido para un rango amplio de usos del suelo (véase Capítulo 49?O-34. La caracterización global del impacto de las soluciones individuales no hace innecesario un análisis detallado de las consecuencias de los cambios en la compatibilidad del uso del suelo existente producida por el cambio en el ambiente sonoro. Ejemplo de aeropuerto35 . ¿Cuál es el impacto del ruido resultante de introducir un nuevo tipo de avión X en el funcionamiento de un aeropuerto existente? En la Figura 54.5 se presentan las isófonas previstas correspondientes al nivel sonoro co-

54.18

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

500,1000,2000 Y4000 Hz, y para un período de exposición de 40 años, en función del nivel sonoro continuo equivalente26.27 . El nivel sonoro medio para 8 horas, para el que se deriva la relación, se reemplaza en la tabla 54.2 por el nivel corregido díanoche aproximado, ya que esto puede hacerse con un error insignificante. Para niveles sonoros corregidos día-noche en el rango de 75 dB Y superiores, L dn "" Leq24h + 4,4 dB. Por tanto, un L dn = 75 dB es equivalente a Leq24h "" 70 dB Y a un L eq8h de 75 dB; V.g., Ldn == L eqHh . Cuando se sustituye la función general de ponderación W(L dn ) de la Ecuación (54.2) por esta función de protección de la audición H(L dn ), la expresión se hace equivalente a la pérdida auditiva potencial media en la población total expuesta (PHL), es decir, el cambio potencial medio en el nivel auditivo en decibelios (promediado para las cuatro frecuencias consideradas) para una población expuesta a los distintos niveles equivalentes continuos durante 8 horas diarias a lo largo de 40 años: LH¡P'¡

PHL

= -;¡=--

LP'¡

(54.5)

donde p'¡ denota el número de personas en el rango i en el valor del nivel sonoro corregido día-noche por encima de 75 dB, YH¡ el factor de ponderación de la protección de la audición para este rango. El rápido aumento del riesgo de pérdida auditiva por encima de los 75 dB hace deseable elegir incrementos inferiores a 5 dB en el nivel sonoro corregido día-noche para la evaluación de la Ecuación (54.5). Si se utiliza la pérdida auditiva potencial media (para niveles sonoros corregidos día-noche por encima de 75 dB), debe hacerse además del, y no en vez del, índice general de impacto del ruido (NII). Se han propuesto otras funciones de ponderación para utilizarse en conexión con la Ecuación (54.1), para calcular los cambios relativos en la alteración del sueño y la interferencia del habla en exteriorescH , pero las comentadas en este capítulo son suficientes para la mayoría de las situaciones.

IMPACTO DE LA VIBRACION A menudo, los ambientes de ruido se acompañan de vibraciones de las estructuras, que son transmitidas a través del suelo o inducidas por el sonido transmitido por el aire. En ambos casos, pueden relacionarse directamente con las fuentes de ruido, como sucede con las vibraciones producidas por el tráfico en las calles o por explosiones de canteras o estallidos sónicos. Los cambios en estos ambientes de vibración y su aceptabilidad con respecto a las molestias y los daños potenciales para los edificios se documentan y comentan más adecuadamente en conexión con el estudio de impacto ambiental relacionado con el ruido. Hay que medir, ponderar e informar del ambiente de vibración, como recomiendan las normas ISO y ANSI correspondientes (Capítulo 26): la aceptabilidad y extensión del impacto se evalúan me-

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.19

diante criterios de vibración para áreas residenciales (p. ej., Figura 26.5 y Tabla 26.2) y se informa del número de personas y/o casas afectadas en distinto grado.

Ejemplos de evaluación del impacto de las medidas de reducción del ruido

Ejemplo del tráfico. La Tabla 54.3 muestra las estimaciones del número de personas expuestas a distintos niveles de tráfico urbano por encima de 55 dB en áreas residenciales de un estudi0 29 • ¿Cuál es el impacto actual del tráfico urbano para estas personas? Si todas las fuentes del ruido del tráfico se redujeran en 5 dB Y en 10 dB, ¿cómo cambiaría este impacto? Para realizar estos análisis se tabula el número de personas afectadas para incrementos sucesivos de 5 dB del nivel sonoro corregido día-noche DNL. Para cada condición, el número de personas en cada incremento sucesivo de 5 dB del DNL se multiplica por el factor de ponderación adecuado de la Tabla 54.1 y los valores resultantes se suman, de acuerdo con la Ecuación (54.1), para obtener la población total ponderada TWP. El índice de impacto del ruido NII se obtiene, para cada condición, dividiendo la población total ponderada adecuada entre la población total no ponderada, como muestra la Tabla 54.3. En el ejemplo que se muestra, cada reducción de 5 dB en el nivel sonoro corregido día-noche reduce el impacto del ruido en un factor de aproximadamente 2 dB; sólo la mitad de las personas están muy molestas por el ruido después de una reducción de 5 dB. Con el fin de evaluar el beneficio de la reducción propuesta, este resultado también puede comentarse en términos de la reducción del número de personas que ya no están muy molestas por el ruido. Mientras la aplicación de una función de ponderación general uniforme está justificada para un ejemplo como el anterior, que implica todo el suelo de uso residencial en EE.UU., su aplicación a situaciones locales específicas, con patrones de uso del suelo bien establecidos y zonas variables, suelen requerir un mayor refinamiento del procedimiento. La cuantificación global de impacto del ruido presentada aquí no es más que un enfoque para caracterizar el impacto sobre el suelo de uso residencial presente o futuro. En cualquier caso específico, hay que identificar y comentar los proyectos locales y todos los usos o actividades existentes o previstos para el suelo, que pueden verse afectados por el cambio en el ambiente sonoro. Estas clases de compatibilidad de uso del suelo están promulgadas, por ejemplo en EE.UU., por la Federal Highway Administratian con respecto al ruido de los proyectos de autopistas, la Federal A viatian Administratian en F AR Parte 150 F (las directrices interinstitucionales de uso del suelo urbano) y el Department of Housing and Urban Develapment (con respecto a la financiación) para la compatibilidad de zonas de ruido para un rango amplio de usos del suelo (véase Capítulo 49)30-34. La caracterización global del impacto de las soluciones individuales no hace innecesario un análisis detallado de las consecuencias de los cambios en la compatibilidad del uso del suelo existente producida por el cambio en el ambiente sonoro. Ejemplo de aeropuerto3S • ¿Cuál es el impacto del ruido resultante de introducir un nuevo tipo de avión X en el funcionamiento de un aeropuerto existente? En la Figura 54.5 se presentan las isófonas previstas correspondientes al nivel sonoro co-

-

• TWP: Población total ponderada.

Indice de impacto del ruido (NII)

= 19,3

19,3 = 02 96,0 '

TWP' 10,6 96,0

TWP

'

= O1

= 10,6

1,8 3,1 3,1 1,8 0,7 0,1

3,3 6,3 5,6 3.0 1,0 0,1

37,0 34,7 17,4 5,6 1,2 0,1

50·55 55·60 60-65 65·70 70-75 75-80

1 = 96,0

SdB

96,0

'

~=006

TWP = 5,5

0,7 1,7 1,6 1,0 0,4 0,1

IOdB

Para una reducción del DNL de

OdB

(Actual)

Población PI dentro de cada isófona. en millones

Población con ponderación de molestia

Nivel de isófonas L dm dB

Estimaciones de las condiciones actuales19

Total 3992

--

228 674 1070 1088 738 194

OdB

(Actual)

Reducción = 68%

1262

Reducción = 68%

448

-

72 67 107 109 74 19 72 213 338 344 233 62

--

IOdB

SdB

Para una reducción del DNL de

Exposición sonora día-noche ponderada para la poblaciónllOOO pascales al cuadrado' segundos

TABLA 54.3. Evaluación del impacto global del ruido del tráfico urbano sobre la población en EE.UU. El significado de estos resultados viene determinado por la precisión de los datos de entrada; hay que redondear los resultados e interpretarlos de manera acorde.

~

o

O

e

::IJ

m

O r

or

::IJ

Z -1

o

» Ul -< (')

ñ

-1

Ul

e

Ul

» » (')

O

O

m

m

o

~

» z e » r

C)

•PI"

U'I

-,

AREADE

¡ MILLA CUADRADA

2000 PERSONAS POR

ylNTERES

.¡

.\

·...

IpA~nlJíf\ 1\~~.1'1nAI I

......

AMBIENTE DE RUIDO EN 1980 CON EL AVION X

4000 PERSONAS POR MILLA CUADRADA

1 MILLA

FIGURA 54.5. Evaluación del impacto del ruido de un nuevo tipo de avión: líneas isofónicas previstas del nivel sonoro corregido día-noche alrededor de un aeropuerto antes (izquierda) y después (derecha) de la introducción del nuevo tipo de avión X. Los números sobre las isófonas indican los valores de los niveles sonoros corregidos día-noche anuales. La línea de puntos en la figura de la izquierda indica el área de interés para determinar ¡P, en la Ecuación (54.2), en este caso, determinado por la curva del nivel sonoro corregido día-noche anual de 55 dB. Los números en círculos indican situaciones especiales: (') parque, (2) escuelas, (3) iglesia, (4) hospital, (5) iglesia.

AMBIENTE DE RUIDO EN 1980 SIN EL AVION X

4000 PERSONAS POR MILLA CUADRADA

./

0 00

...

en .... N

; .-

z

iñ

al

3:

O l>

~ ~

~

om

m

~ e o o en

54.22

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTlCAS y CONTROL DEL RUIDO

rregido día-noche para el año 1980, cuando el nuevo avión entre en funcionamiento. La Tabla 54.4 recoge los datos requeridos: (1) el área total de suelo afectado por la exposición al ruido, (2) el área de suelo para usos industriales y comerciales, (3) el área de suelo residencial y (4) la población residente afectada por el ruido. El área de suelo afectada por el ruido se utiliza para comentar el impacto del cambio en el ambiente sonoro sobre el desarrollo potencial de este suelo y las restricciones que puede imponer sobre la compatibilidad de usos del suelo. El potencial desarrollo residencial en períodos de tiempo posteriores (con o sin el cambio anticipado de las isófonas) puede llevar a una caracterización del impacto con la función de ponderación para la molestia general, para hacer que parte o todo este suelo resulte deseable. Las áreas residenciales proyectadas y las poblaciones afectadas son la base del impacto para el análisis de 1980. La población total ponderada sin el avión X es de 8022 personas, el índice de impacto del ruido es 0,15 y el PDSNE es 1439. La introducción del avión X, por lo que muestran las isófonas, aumenta la población total ponderada hasta 13940, el índice de impacto del ruido hasta 0,12 y el PDSNE hasta 2656. Las situaciones especiales (parques, escuelas e igleTABLA 54.4. Evaluación del impacto del ruido de un nuevo tipo de avión: hoja de cálculo recomendada para los resultados extraídos de las isófonas de la Figura 54.5

YDNL, dB

Area total del suelo, mi 2

Areade suelo industrialcomercial. mi 2

Area de suelo residencial, mi 2

Población residente

Situaciones especiales'

Ambiente de ruido en 1980 sin el avión X Base: Medidas de ruido de 1977, estimaciones de la población para 1980

70-75 65-70 60-65 55-60 50-55 Total TWP

O.
0.00 0.84 4.48 12.62 15.38 33.32

0.00 0.96 6.24 14.30 10.26 31.76

0,00 816 9.696 33.120 10.417 54.049

28 % de (1). (3) 72 % de (1), (2) (4). (5)

8022

8.022

NII

= 54.049 = 0,15

Ambiente de ruido en 1980 con el avión X

70-75 65-70 60-65 55-60

1.(Xl 6.32 20.20 47.56

0.5 2.9 9.0 20.92

Total

75.08

33.32

TWP = \3.940

0.50 3.42 11.20 26.64 41.76

200 4.969 15.760 33.120

24% de (1), (3) 50% de (1) 26% de (1). (2). (4). (5)

54.049 13.940 NII = 54.049 = 0.26

• Las situaciones especiales hacen rderencia a parques. escuelas. hospitales. etc. identificados en la Figura 54.5.

ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL

54.23

sias, dentro o fuera de las áreas de zonas residenciales, y hospitales) se tabulan con su correspondiente rango de valores de nivel sonoro corregido día-noche. El impacto sobre estas situaciones suele comentarse mejor de manera individual, sobre la base de las instalaciones existentes y su reducción del ruido o, en el caso de edificios proyectados, mediante la evaluación de sus requisitos adicionales de reducción del ruido.

REFERENCIAS 1. United States Congress. National Environmental Policy Act of 1969. Pub. L. 91-190,91." Cong., 1." Sess .• 1969. S. 1075. En United Sta tes statutes at large. vol. 83. p. 852. 2. Council on Environmental Quality. Fifth Annual Report. 1974, pp. 421-426. 3. Guidelines for preparing environmental impact statements on noise. Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics. National Academy of Sciences, Washington. D.C., 1977. 4. People of Enewetak v. Laird. 353 F. Supp. 811.818 (D. Ha. 1973) (énfasis añadido); véase también, Davis v. Morton. 469 F.2d 593, 596 (lO." Cir. 1972). 5. United States v. Kaiser Aetna, 408 F. Supp. 42. 55 n.36 (D. Ha. 1976). rev'd in part on other grounds. 100 S. Ct. 383.444 U.S. 164 (1979). 6. 40 C.F.R. § 1508.12. 7. People, etc. v. city of South Lake Tahoe, 466 F. Supp. 527 (E. D. Cal. 1978). 8. 40 C.F.R. § 1508.18(b). 9. Davis v. Morton, 469 F.2d 593 (lO." Cir. 1972). 10. lndian lookout al/iance v. Volpe,484 F.2d 11 (8." Cir. 1973); Homeowners emergency life protection committee v. Lynn, 541 F.2d 814 (9." Cir. 1976). 11. Atlanta coalition on the transportation crisis, lnc. v. Atlanta regional commission, 599 F.2d 1333 (5." Cir. 1979). 12. City of Boston v. Volpe,464 F.2d 254 (l." Cir. 1972). 13. State of Alaska v. Andrus. 591 F.2d 537 (9." Cir. 1979). 14. Flint Ridge Development Co. v. Scenic Rivers Association. 426 U.S. 776. 788. 96 S. CL 2430,2438 (1976). 15. 40 C.F.R. § 1508. 16. 40 C.F.R. § 1508.9. 17. 40 C.F.R. § 1506.2. 18. Sierra Club v. Lynn. 502 F.2d 43 (5: Cir. 1974). 19. 40 C.F.R. § 1502.10 20. K. McK. Eldred, «Sound exposure without decibels». Proceedings of INTER-NOISE 86. Noise Control Foundation. Poughkeepsie. N. Y.. 1986, pp. 111-115. 21. Quantities and procedures for description and measurement of environmental sound, Part 1, ANSI SI2.9-1988. American National Standards Institute, Nueva York, NY 1988. 22. K. McK. Eldred. «Noise at the year 2(XXJ", Proceedings of the 5th International Congre.H on Noise as a Public Healt/z Pmblem, Part 2. Swedish Council for Building Research, Estocolmo. Suecia. 1990, pp. 355-382. 23. S. L. Yaniv. Evaluation of the effects of motor vehicle noise regulations on population, Special Report 152. Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., 1975. 24. Method for assessment of high energ)' impulsive sounds with re.\pect to residential communities, ANSI SI2.4-1986. American National Standards Institute, Nueva York. 1986. 25. W. G. Galloway y cols., «Assessment of community response to high energy impulsive

=

54.24

26. 27.

28.

29.

30. 3\.

32. 33.

34.

35.

MANUAL DE MEDIDAS ACUSTICAS y CONTROL DEL RUIDO

sounds», Committee on Hearing, Bioacustics and Biomechanics, National Research Council, Washington, D.C., 1981. Information on levels of environmental noise requisite to proteet publie health and welfare with an adequate margin of safety, Documento 550/9-74-004, Environmental Protection Agency, marzo 1974. H. E. von Gierke y D. L. Johnson, «Quantification of the environmental impact of noise and hearing». Proe. 9th /nternational Congress on Acousties, Sevilla Symposium on Hearing and Industrial Noise Environments, Sociedad Española Acústica, Madrid. julio 1977. J. Goldstein. «Assessing the impact of transportation noise: Human response measures», en G. C. Maling (Ed.). Proc. NO/SE-CON 77, Noise Control Foundation, Poughkeepsie, N.Y.,1977. Population distribution of the United States as a funetion of outdoors noise levels, Documento 55019-74-009, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC 20460, 1974. Medium and heavy duty trueks teehnology and eost information, EPA Documento 550/974-015, U.S. Environmental Protection Agency. Washington, DC 20460, septiembre 1974. Federal Aviation Administration, «Airport noise compatibility planning, development and submission of airport operated noise exposure map and noise compatibility planning program», 14 C.F.R. Part 150. enero 1985. Federal aid highway program manual. vol. 7. Capítulo 7, U.S. Department ofTransportation. Federal Highway Administration, Transmittal192, 14 mayo 1976. Federal interagency committee on urban noise. Guidelines for eonsidering noise in land use planning and control. U.S. Government Printing Office, 1981-338-006/8071, junio 1980. Noise abatement and control: Department policy implementation, responsibilities, and' standards. U.S. Department of Housing and Urban Development, Circular 1390.2, 4 agosto 1971. H. E. von Gierke. «Guidelines ror environmental impact statements with respect to noise». en G. C. Maling (Ed.). Proe. NO/SE-CON 77. Noise Control Foundation, Poughkeepsie. N.Y., 1977.

INDICE

frecuencia de resonancia, 7.14 impedancia, 7.14 mediciones, 10.4 peso de, 7.9 piezoeléctrico. 7.1. 7.9 piezoeléctrico de impedancia baja, 7.16 piezorresistente, 7.1 preamplificadores, 6.2 principios de funcionamiento de, 7.2, 7.9 rango de aceleración, 7.6 rango de frecuencia de, 7.5, 7.11. 7.14 relación de amplificación, 7.14 resolución de, 7.2 selección de, 10.2, 10.4, 38.7,39.3 sensibilidad de, 7.2, 7.15 técnicas de montaje, 10.6 tipo cizallamiento, 7.13 tipo compresión, 7.12 tipos de, 7.12 Acelerómetros: de tipo compresión. 7.12 piezoeléctricos. 7.1, 7.9, 7. 16 piezorresistentes, 7.1 tipo cizallamiento, 7.13 Acondicionadores de señal, 6.2. 38.7, 38.13 Acoplador: acústico, 2.1, 5.18,19.4,19.9 auricular, 19.4, 19.9 NBS 9-A. 19.9 Acoplamientos flexibles, 28.14, 40.16 Acristalamiento: de ventanas. 31.25 simple, 31.25 triple. 31.29 Acrónimos, 2.22 Acta de 1900 sobre Ruido de Aeropuerto y Capacidad (Airpor/ Noise and Capaci/y Ae/ o( 1900).52.3

Abastecimiento, sistemas (HV AC) de calefacción, ventilación y aire acondicionado, 42,2 Abastecimiento, ventiladores, 42.1, 44.1 Abreviaturas, 2.22 Absorbente dinámico, 28.10 Absorbentes suspensivos, 30.12 Absorción: acústica (véase coeficiente de absorción del sonido) atmosférica, 3.2. 4.4 coeficientes de (véase coeficiente de absorción del sonido) aire. 3.2, 3.10, 4.4 cantidad requerida de, 4.12, 40.13 de sillas, 4.4. 16.6 de superficies, 4.3 definición de, 2.5 en exteriores. 3.2, 3.10 en habitaciones, 4.3 total en una habitación, 4.3 de habitación. 2.5. 4.3 de referencia, 32.6 sabino, 2.19 superficie. 4.3 Accidentes. efectos del ruido en el número de. 24.22 Aceleración: de la gravedad, 2.1 mediciones. 10.4, 39.3 nivel (véase vibración. nivel de aceleración) valores aceptables de, en edificios. 26.12 Acelerómetros: calibración. 10.14 características de. 7.3. 7.14, 7.18 carga de masa de. 7.9 construcción de, 7.1 1 efectos de la temperatura en. 7.7, 7.18

1.1

1.2

INDICE

Acta de 1958 de Aviación Federal (Federal Aviation Act (!{1958), 53.1, 53.12 Acta de 1972 sobre Control del Ruido (Noise Control Act Q{1972), 51.10, 53.12, 53.20 Acta de 1979 sobre Seguridad y Reducción del Ruido de Aviación (Aviation Salety and Noise Abatement Act oI 1979),53.13 Acta de Desarrollo de Aeropuertos y Vías Aéreas (Airport and Airway Development Aet). 53.3 Acta Federal de Compensación de los Empleados (Federal Employees Compensation Aet). 20.6 Acta Nacional de Política Ambiental (National Environmental Po/icy Act). 51.6.53.4,53.\\,54.3,54.6 Activación, efectos del ruido en, 24.14 Acústica: definición de, 2.2 sombra, 1.9 (véase también acústico) Acústico: definición de, 2.2 trauma. 2.6, 18.\, 20.4 Administración de Seguridad y Salud Laboral (Occupational SaletJ' and Health Administration), 12.8, 18.14, 19.11. 20.4, 20.12,21.24,26.8.51.7 Administración de Veteranos (/'eterans Administration).53.9 Administración Federal de Autopistas (Federal HighwaJ' Administration), 48.3. 48.\6, 48.20, 49.8 Administración Federal de Aviación (Federal Aviation Administration). 51.6. 52.7. 52.12, 53.3. 53.\ O proceso de elaboración de normas. 53.2\ Admisión acústica. 7.19 Agencia de Protección Ambiental (Enl'ironmental Protection Agcn(l'), 23.2. 23.10, 26.2.46.\7.51.8. 51.9. 53.19. 53.10 Agravio indemnizahle en juicio civil, 51.2 Al (I'éase índice de articulación) AlCUZ. 49.6. 53.7 Aire: ahierto. propagación del sonido en. 3.1 absorción del sonido en. 3.2. 4.4 atenuación en. 3.\. 3.2. 4.4 difusores de. 42.4 efectos de la temperatura en. 1.2 presión atmosférica de. 1.5 propagación del sonido en. 3.\ velocidad del sonido en, 1.2

Aislamiento (véase aislamiento del ruido; aislamiento del sonido, transmitido por la estructura; aislantes de la vibración) de fibra de vidrio, 30.1, 31.13, 31.20, 32.\9, 32.26 de los sonidos de impacto, 31.3, 32.6 del impacto, 31.3 cIase, 2.4,31.3,31.3\,33.7 de campo. clase, 31.4 del sonido: clase de aislamiento de impacto, 31.30, 32.7,33.7 criterios, 33.7 cubiertas elásticas, 32.27 detalles de construcción, 32.\ O, 33.\6 discontinuidades en, 32.22 en edificios, 33.\ entre habitaciones, 31.\ mejora en la clase de aislamiento de impacto, 31.32,32.9 métodos de valoración, 31.2 para ruidos de exterior, 33.41 paredes (véase particiones) particiones, 31.1 pérdida de, mediante flanqueo, 33.3, 33.\9 planificación de. 33.7 puenteo de (véase flanqueo) puertas. 31.\8 requisitos. 33.5. 33.30. 33.31 suelos flotantes, 31.31, 32.20, 32.25, 33.5, 33.2 \. 33.26 suelos/techo. 31.29 transmitido por el aire. 31.1 (véase aislamiento sonoro) transmitido por la estructura. 32.\ ventanas. 31.26 del ruido: clase. 2.4,31.3.32.9 clase normalizada. 31.3 transmitido por la estructura. 32.6 (I'éase también aislamiento del sonido transmitido por la estructura) en dos fases. 28.18 Aisladores (I'éase aisladores de la vibración): activos de la vibración, 28.10 de la vibración anclados. 29.3 de la vibración de muelles de aire. 28.\\ de vibración: activos. 28.\\ características de. 29.7, 29.8 combinaciones de. 29.25 comercializados, 29.8 conectados. 29.3

INDICE

definición de, 2.17 elastoméricos, 29.2, 29.19, 29.24 en paralelo, 29.25 en serie, 29.25 espaciamiento entre, 29.20, 29.22 especificaciones para, 29.25 localización de, 29.21 muelle de aire, 28.10 no conectados, 29.3 péndulo, 28.10 rigidez de, 29.6 selección de, 29.1 tipos de, 29.9 de vibración de carga, tipos de, 29.5 de vibración no conectados, 29.3 de vibración tipo péndulo, 28.10 elastoméricos de la vibración, 29.2, 29.19, 29.24 Alarmas de incendio, audibilidad de, 33.8 Alfabeto, deletreo internacional. 16.20 Alfombras: absorción del sonido por, 30.20 reducción en el impacto de ruido aportado por, 31.32,32.6,32.7,32.21,33.6 Alabes: curvados hacia atrás, 41.9 inclinados hacia atrás, 41.9 Aliasing, 8.11 Ambiente, definición de, 2.2 Amortiguada, frecuencia natural, 2.8 Amortiguador, 29.22 Amortiguadores, 42.3, 42.20 (véase también amortiguamiento, tratamientos) Amortiguamiento: capa constreñida, 28.22 capa libre, 28.22 crítica, 27.6 crítica. coeficiente de, 2.5, 27.6 de capas aprisionadas, 28.21 de capas libres, 28.21 definición de, 2.2 de vibración: capa libre. 28.21 capa restringida. 28.21 tratamientos. 28.20, 46.13 viscoelástico, 28.21 efectos de, en sistemas vibratorios, 27.6 estructural, 28.1 7, 28. 19 materiales para, 28. 19 relación, 2.19 relación crítica de, 2.19. 27.28 tipo cubierta, 28.19, 40.18 tratamientos, 28.19, 40.22

»

1.3

viscoelástico, 28.21 viscoso, 2.2, 27.3 Amplificadores, 5.14 Amplitud: de pulso dactilar, 25.10 definición de, 2.2 demodulación, 38.16 desplazamiento, 1.2 presión, 1.5 raiz cuadrática media, 1.7, 7.3 rms, 1.7,7.3 vibración, 27.1 Amtrak, 46.25 Análisis: acústico, 8.1 anchura de banda constante, 5.19, 39.6 barrido de frecuencia, 8.6 cepstrum, 8.21, 39.21 de frecuencia (véase análisis) de orden, 8.20 de porcentaje constante de anchura de banda, 39.6 del ruido de la maquinaria, 38.6 detección de cobertura, 8.23, 39.19 espectro de aceleración, 39.14 espectro, interpretación de, 39.10 examen de impacto, 39.22 fase, 39.19 FFT, 8.10, 8.12, 38.16, 39.9 (véase análisis rápido de transformada de Fourier) porcentaje constante de anchura de banda, 39.5 rápido de transformada de Fourier, 8.9, 8.11,38.16 rastreo, 39.21 rastreo promedio, 8.18 seguimiento, 8.20, 36.23 señal de tiempo, 39.22 señales no estacionarias, 8.19 tendencia, 39.7, 39.26 tiempo medio sincrónico, 39.22 tiempo real. 8.7 transiente, 8.18 velocidad de, 8.8 vibración, 8.1. 39.2 vibración de entrada, 39.26 zoom, 8.14. 8.18. 39.16 Analizadores: de anchura de banda proporcional (véase analizadores de espectro) de banda de octava, 5.21. 9.22, 39.5 de banda de tercio de octava, 5.21, 9.22 de espectro: anchura de banda constante, 5.23, 39.5

1.4

IN DICE

Analizadores (con/.) banda de octava, 5.21, 9.22 banda de tercio de octava, 5.21, 9.22 características de, 8.3 frecuencia central de bandas en, 8.3 límites de banda de, 5.21, 8.3 normas, 8.4 selección de, 9.22, 39.5, 39.19 tipos de, 8.1 transformada rápida de Fourier (FFf), 8.10,8.13,39.10 uso de, ejemplos, 9.22, 39.16, 39.18 de frecuencia (véase analizadores de espectro) de ruido (véase analizadores de espectro) (I'éase analizadores de espectro) Anchura de banda: crítica, 17.19 definición de. 8.3 efectiva, 8.3 de ruido. 8.3 selección de, 8.4 ANSI [véase Instituto Nacional Estadounidense de Normas (American National Standards InstitUle))

Apantallamiento acústico: árboles, 3.10, 48.16 barreras. 3.21, 48.16, 48.22 casas. 3.10 vegetación, 3.10 Aparatos de alarma, 46.11 Aparatos de movimiento del aire [\'éase ventilador(es») Aparatos de protección auditiva. 2.2. 21.1 activos. 21.15 atenuación plana. 21.16 atenuación que aportan, 21.12 auriculares (\'éasc auriculares) calcular la protección aportada por. 21.5 características del rendimiento de. 21.4. 21.10 cuidado de. 21.15 distribución de. 21.14 efectos sobre la comunicación hablada. 16.21.21.15 efectos sobre la localización del sonido. 21.15 lucha contra. 21.16 mediciones sobre. 21.10. 21.18 normas con respecto a. 21.24 normas para. 21.24 reducción del ruido aportada por. 21.8. 21.13 rendimiento en el lugar de trabajo. 21.21

sensibles a la amplitud, 21.15 tapones (véase tapones) tipos especiales de, 21.15 Aparatos de protección del oído (véase aparatos de protección auditiva) Aparatos de señalización, 46.10 Aparatos de señalización de emergencia, 46.10 Aparatos indicadores, 5.17 Aparatos terminales de aire, 42.4 Aparente, masa. 7.19 Aproximación, 52.3 de diferencia finita. 14.6 Arboles. 3.10. 48.16 Area de sensación auditiva, 17.6 Areas residenciales, ruido ambiental en, SO. 1 ARI [véase Instituto de Aire Acondicionado y Refrigeración (Air Conditioning and R~(rigeration InstitUle»)

Armónico. 1.5,2.7 Articulación, 2.2 ASHRAE [véase Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (American Society o( Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers»)

Asociación de Movimiento y Control del Aire [Jlol'emen/ and Control Association

(AMCAl).41.17 Aspas. tipos de ventilador. 41.8 Atenuación: de exceso de suelo, 48.14 de oído real. 21.19 del sonido: cálculo de. 3.2. 3.1 1 de línea de fuentes. 3.28 debida a la vegetación. 3.10 en codos de conductos. 42.13 en conductos. 42.8 en el aire. 3.2,4.4, 48.22 exceso de suelo, 48.14 mediante árboles. 3.10, 48.16 mediante arbustos. 3.10 mediante atenuadores del sonido. 42.13 mediante barreras. 3.21, 48.16.48.21 mediante estructuras de edificios, 3.10, 48.16 mediante paredes (véase aislamiento del sonido) por divergencia. 3.2 por divergencia esférica, 3.2 por divergencia geométrica. 3.2 por efecto del suelo. 3.3, 48.14 por gradientes de temperatura. 3.11

1.5

INDICE

por gradientes de viento, 3.1 I por humedad. 3.3, 4.4 transmitida por la estructura, 32.1 1, 32.23, 32.24 normalizada de techo. 30.15 Atenuador (véase atenuadores del sonido) Atenuadores del sonido, 42.13 activos. 42.16 para ventiladores, 41.14 pérdida por inserción de, 42.15 ruido generado por, 42.16 Atmósfera. propagación del sonido en la, 3.1, 48.23 Atmosférico, coeficiente de atenuación, 3.3. 4.4 Audición: caracteristicas de. 17.1 desplazamiento de umbral. 17.4, 18.1, 18.14,18.15,19.11 efectos de la edad sobre, 17.8, 26.4 estadísticas poblacionales de, 17.7 examen, 19.1 limitación (véase limitación auditiva) mecanismo, 17.2 mediante conducción ósea. 19.15 nivel (I'éase nivel auditivo) nivel de umbral, 2.13. 17.6, 19.1 normal, 17.6. 19.2 pérdida de (I'éase pérdida auditiva) programas de conservación (véase programas de conservación de la audición) protección (I'éase aparatos de protección auditiva) riesgo de lesión para, 18.6. 26.2 umbral, 2.21. 17.4, 17.6 umbral auditivo. 17.6 Audiograma: definición de. 2.3. 19.2 tono puro, 2.21. 19.2, 19.4 Audiometria: conducción ósea. 19.3 habla, 19.4 Audiómetro(s): apantallamiento. 19.1 auriculares para. 19.4. 19.11 autorregistro. 19.6 controlado por ordenador. 19.8 calibración de, 19.8 definición de. 2.3 diagnóstico, 19.1, 19.3 manual. 19.4 nivel cero de referencia. 19.2 normas para. 19.3

-

tono puro, 19.1 automático, 19.6 de autorreconocimiento, 19.6 grabador, 19.6 Audiómetros controlados por ordenador, 19.8 de filtrado, 19.1 diagnósticos, 19.1, 19.3 manuales, 19.4 Auditorios, criterios de ruido para, 43.16 (veáse también cerramientos) Auricular, 2.3, 19.11 acoplador, 19.9 almohadilla, 19.11 audiómetro, 2.3.19.11 circunaural, 2.3 insetado, 2.3, 19,4 supraaural, 2.3 Auriculares. 2.3, 21.15 definición de, 21.2 en combinación con tapones, 21.12 protección a frecuencias infrasónicas, 21.14 protección a frecuencias ultrasónicas, 21.14 protección contra detonaciones de armas, 21.12 rendimiento de, 21.9 (véase también auricular) Autorruido, atenuador del sonido, 42.16 Bajada sellada (para puertas), 31.23 Bajantes: de basuras, 32.28 para residuos, 32.28 Balasto lejano, 35.10 Banda: auditiva crítica, 2.3, 17.19 critica (auditiva), 2.3,17.19 de frecuencia (véase banda) de octava, definición de, 1.20 definición de. 2.3 Barreras (acústicas): atenuación que aporta. 3.21, 4.10 diseño, 48.18. 48.22 en oficinas de planta abierta, 33.35 exteriores. 3.21, 48.15, 48.23 Base de datos audiométrica, 22.12. 22.15 Basuras. bajantes, 32.29 Belio. 1.1 O. 1.26, 2.3, 13.2 Berma.3.25 Berma de tierra. 3.25 BF1 (véase incremento de la frecuencia de las aspas) Blindaje. 10.20 electrostático. 10.21

z:

1.6 Blindaje (con/.) magnético, 10.21 (Veáse también revestimiento acústico) bloque de inercia, 28.15,40.18,41.15 Bocinas (véase aparatos de aviso) Bombas, 39.15, 45.7. 45.16 Cabezal de impedancia, 7.19 Cabina audiométrica (habitación audiométrica), 2.3, 19.5, 19.9 Cabinas: audiómetro, 19.5 personal. 40.13 Cabinas para el personal. 40.13 Cables: consideraciones en la selección de, 10.17 corrección por pérdidas en, 9.13 extensión. 5.13. 9.13 para micrófonos y recogidas de vibración, 5.13,10.17 ruido generado por, 10.19 Cables de extensión, 5.13, 9.13 Cajas con potencia de ventilador, 42.22 Cajas de mezcla. 42.22 Calibración: acelerómetro, 10.14 acústica. 5.19 audiómetro. 19.8 biológica. 19.8 de extremo a extremo. 10.14 fono-pistón. 5.19 funcional, 19.8 global. 10.14 instrumentación. 5.19. 38.10 intensidad. 14.8 método de caída libre. 10.14 método de comparación. 10.14 método de sustitución de voltaje. 10.16 micrófono. 5.13. 5.16. 38.5 reciprocidad. 5.13 sistema. 9.9 sistema de medición. 5.19.10.14.38.8 sonómetro. 5.13 toma de vibración. 10.14 transductor. 5.18.10.14.38.5 utilizando un calibrador de tipo altavoz. 5.19 vibrador de conducción ósea. 19.15 Calibradores acústicos. 5.18 Calibres de fuerza. 7.19 Cámara: anecoica (habitación de campo libre). 2.3 de expansión (plenum). 42.20 de reverberación. 2.3. 13.7. 30.15

INDICE

semiecoica, 2.3 campo: libre, 1.12,2.3,4.1,9.7,13.3,14.5,17.4 próximo, 2.4, 9.9, 14.2 sonoro, 2.4, 14.2 sonoro activo, 14.2 sonoro reactivo, 14.2 Campo: de sonido difuso, 2.4, 4.10, 4.14 de sonido directo, 2.4 gravitacional de la tierra, uso en calibración, 10.13 lejano, 2.3, 9.9 libre: definición de, 1.14,2.3,4.1,17.4 mediciones en: 9.7. 13.3, 14.3 próximo, 2.4, 9.9, 14.2 reactivo de sonido, 14.2 sonoro. 2.4 activo, 2.3 directo. 14.2 libre (véase campo libre) reactivo, 14.2 reverberante, 2.4 método para medir la potencia sonona en, 13.6 Campos: electrostáticos. efectos de. 9.17 magnéticos, efectos de, 9.17, 34.9 Canales elásticos incrustados, 31.15, 31.30, 31.31. 32.27 Cantidad periódica, 2.4 Cantidades de referencia: aceleración de la vibración, 2.1 absorción. 32.7 cero. para audiómetros. 19.2 intensidad sonora. 1.17, 14.5 nivel medio de emisión, 48.13 potencia sonora. 1.9. 2.17. 13.1 presión sonora. 2.17, 12.11 velocidad de vibración, 41.16 Características del ruido de sobrevuelo. 47.5 a 47.13 cálculo de. 3.17, 3.19. 47.20 Carga: de cizallamiento. 29.8 de compresión. 29.6 de pandeo. 29.6 de tensión. 29.7 de torsión. 29.7 Casco circunaural. 21.2 Cascos. 21.4 Casos legales. ruido de aviación/aeropuerto. 52.1 Caucho. 29.2

1.7

INDICE

de silicona, 29.2 sintético. 29.3 Cavidades: de resonancia (véase resonadores Helmholtz) en las paredes, 31.9 Centava, definición de, 2.4 Centrífugo, compresor. 39.14 Centro de gravedad, 29.21 CEQ [véase Consejo de Calidad Ambiental (Council oI Em'ironmental Quality)] Cero audiométrico, 17.6 Cerramientos: absorbentes del sonido (forrados), 40.12 cámara plenum, 41.6, 42.18, 42.20 descenso del sonido en, 4.9 para controlar fuentes de ruido. 40.13 parciales, 40. 10 resonancias en, 4.17 reverberación en. 4.9 revestidos, 40.10, 40.12 ventilación para. 40.16 Ciclo, 204 Ciclos por segundo, 1.3. 204. 27.1 Cierre automático de umbral. 31.24 Cierres elásticos de raíles. 46.14 Circulación de la sangre. efectos del ruido en. 25.5 Circunaurales, cascos. 21.2 Clase de aislamiento de impacto. 31.32. 32.6, 33.6 de campo (FIIC). 204. 31.5 mejora en. 31.32. 32.8 tablas de valores. 32.10 Clase de aislamiento del ruido normalizado. 2.5.31.3 Clase de articulación. 33.35 Clase de transmisión de sonido. 204. 30.15. 31.3.31.17. 33.7. 33.12.33041 de campo. 2.5. 31.3 exterior-interior. 33.41 Clima. efectos sobre la propagación del sonido. 3.1 1 CNEL (I'éase nivel de ruido equivalente en la comunidad) Cobertura. tubería. 45.13 Coberturas elásticas de pared. 32.26 Cóclea. 17.3 Coches de pasajeros. 48.9. 48.12 Código(s) de examen: definición de. 15.1 directrices para la preparación de. 15.13 relación entre normas y. 15.2 (r'éase tamhién normas y códigos de examen)

-

Código de ensayo AMCA. 41.17. 41.18 Codos de conductos. 42.13 Coeficiente: de absorción del sonido. 30.2 defi nición de. 2.5. 4.3. 12.1 efectos de montaje sobre, 30.3 medidas de. 30.2 relación con el coeficiente de reducción del ruido. 30.3 de amortiguamiento crítico. 2.5. 27.6 de atenuación atmosférica, 3.3, 4.4 de reducción del ruido. 2.5. 30.3 de transmisión. 33.11 Cognición. vigilancia. 24.10 Cojinete(s): análisis de faltas locales en. 39.20 espectro de aceleración de un buen cojinete. 39.22.39.23 hidrodinámicos. 37.3. 37.11. 37.18 hidrostáticos. 37.4. 37.12. 37.19 precisión. 37.12 selección de. 37.12 tipos de. 37.1 Colgadores elásticos (aisladores). 32.25. 32.26 Collares flexibles. 28.14. 42.2 Comisión Internacional Electrotécnica [International Electrotechnical Commission (lEC)]. 15.3. 15.8 Combinación: de aisladores de la vibración. 29.25 de niveles de potencia sonora. 1.25 de niveles sonoros. 1.20 de tapones y auriculares. 21.13 Comparaciones emparejadas. 2304 Compatibilidad de uso del suelo. SO.3. 53.6 Compensación: a los trabajadores. 20.2. 2004. 20.12. 22.20. 51.4 por pérdida de la audición. 20.2. 2004. 20.12.22.19.51.5 Componentes de frecuencia discreta. 4.19 Compresión. 1.1 Compresor centrífugo. 39.14 Comunicación: auriculares. 2.3. 21.15 cara a cara (habla). 16.1 sistemas, uso de, 16.20 hablada: criterios para, 16.12 efectos de la reverberación sobre, 16.7 efectos de los aparatos de protección auditiva sobre. 16.21,21.15 efectos del ruido sobre, 16.7, 16.12

Lb

•

1.8 Comunicación (cont.) inteligibilidad (véase inteligibilidad) relación entre habla y ruido en, 16.2 Condena inversa. 51.2, 52.4 Condensador, micrófono, 2.10, 5.8 Condiciones ambientales, correcciones por, 1.2, 1.15, 5.4 Conducción: de aire, 2.5, 19.3 ósea, 19.15 Conducto(s): atenuadores en, 42.13 bifurcaciones en, 42.10 codos en, 42.13 curvas en, 42.13 flexibles, 28.14 revestidos, 34.10, 40.14, 42.9, 44.13 ruido aerodinámico en, 42.5, 42.13, 42.15 sin revestir, 42.7 Conectores flexibles, 28.14, 32.26, 40.17, 45.16 Consejo de Calidad Ambiental (Council of Environmental Quality), 53.4, 54.6, 54.9 Consideraciones de cableado, 10.17 Constante de tiempo, 2.5, 11.2 rápida ({ast), 5.17, 11.2 lenta (slow), 5.17, 11.2 Construcciones de suelo-techo, aislamiento del ruido de impacto de, 31.31, 32.6 Contornos de igual sonoridad, 2.5, 17.10 Control de ruido: administrativo, 22.4 aeropuertos, 47.10 aspectos legales de, 51.1 autopista, 48.23 aviación, 47.8 criterios, 42.25, 43.16, 46.23, 48.4, 54.17 de cojinetes, 37.1. 37.13 de engranajes, 36.1 definición de, 1.26 edificios, 33.1 en sistemas de fontaneria. 45.1. 45.6 en tuberias, 33.25 importancia económica de, 1.27,40.5 legislación. 51.4. 51.5 maquinaria, 33.27 problemas de cumplimiento de. 51.11 requisitos de la Administración Federal de Autopistas (federal Highll'a.r Administration).48.23 sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. 42.1 sistemas de transporte ferroviario, 46.13. 46.22

INDICE

sistemas HVAC, 42.1 técnicas, 1.31, 40.17 Control de vibración, 27.1 de tuberias, 45.6, 45.13 en el receptor. 1.32, 28.8 en la fuente, 28.2 en maquinaria, 38.1, 40.5, 40.17 mediante bloques de inercia, 28.15, 40.12 mediante conectores flexibles, 28.13, 40.6 mediante discontinuidades en vía, 28.5 técnicas para. 28.1 Controles: administrativos del ruido, 22.4 de nivel de rango, 5.16 técnicos del ruido, 22.4 Convención de Chicago, 53.21 Corazas electrostáticas, 10.21 Corazón, efectos del ruido sobre, 25.5 Corporación de Pasajeros Ferroviarios de EE.UU. (l/S. Railroad Passenger Corporation),46.23 Corporación del gobierno central, 15.2 Corporaciones nacionales de normas, 15.2 Corrección: cable del micrófono, 9.13 nivel de potencia sonora, 4.7 onda estacionaria, 9.18 para reflejos sobre las superficies cercanas. 9.13 presión ambiental, 1.14, 9.13 presión barométrica, 1.14 ruido de fondo, 9.11 temperatura ambiental, 1.15 Cortinas, absorción del sonido por, 30.16 CPS (réase ciclos por segundo) Cristal. ventana. 31.25 Criterio de tolerancia humana: para ruido, 26.2 para vibración. 26.10 Criterios: aislamiento, 33.7 definición de, 26.1 para auditorios, 43.19 para cabinas audiométricas. 19.9 para comunicación hablada. 16.10 para edificios. 26.9 para exposición a la vibración. 26.10 para exposición al ruido, 26.1. 54.15 para infrasonido. 26.10 para la respuesta de la comunidad, 23.14. 54.15 para niveles de ruido en habitaciones, 33.41, 43.19 para reducción del ruido del tráfico, 48.4

1.9

INDICE

para ruido impulsivo, 26.8 para sistemas HV AC, 42.24, 43.19 para tráfico de autopista, 48.4 para ultrasonido, 26.11 para uso aceptable del suelo, SO.3 ruido aceptable de habitación, 43.19 (véase también criterios de ruido) Criterios de riesgo de lesión, 18.6, 26.2 Criterios de ruido: auditorios. 43.19 curvas de criterio NC, 43.4 curvas de criterio NCB, 43.7 curvas de criterio RC, 43.10 definición de, 26.1 dosis diaria de ruido, 12.6, 12.8, 26.2, 26.3 edificios, 33.41, 43.19 para ruido de autopista, 48.4 ruido de tráfico, 48.4 (véase también criterios) Cubierta de tejado, 30.12 Cuerpo regulador, 15.3 Curtosis. 6.9 Curv~ de resistencia del sistema. 44.12 Curvas: (RC) de criterio de habitación. 2.5.43.9 de deflexión de carga. 28.8 de deflexión de fuerza, 29.8 de flujo de cabeza de ventiladores. 44.5 de rendimiento de ventiladores. 44.5 de rendimiento de ventiladores. 44.5 NC, 43.4 NCB,43.7 RC, 2.5,43.10 Chorro de agua. 45.5 Datos: almacenamiento, 38.7 grabación, 6.10, 38.14 procesamiento. 38.15 recogida, 38.14 ventanas, 8.12 dB [véase decibelio(sl] Decibelio(s): definición de, 1.9,2.5 suma de niveles expresados en, 1.20 [véase también nivel(es)] Declaración negativa. 54.6 Decremento logarítmico, 2.6, 27.5 Definiciones de términos empleados en sonido y vibración. 2.1 Deflexión estática, 27.4 Densidad: de energía espectral. 8.18

-

de potencia espectral, 2.6 espectral: energía, 8.18 potencia, 2.6 Departamento de Regulación del Trabajo de EE.UU. (US. Department of Labor Regulations), 26.8 Departamento de Transporte de EE.UU. (US. Department ofTransportation), 49.7 Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano de EE.UU. (US. Department of f10using and Urban Development), 49.7 Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano [Department of Housing and Urban Development (HUD)], 49.7, 53.3 Derecho preferente de compra, 51.3, 51.8, 53.9 Derecho preferente de compra federal, 51.3, 51.8,53.9 Descenso logarítmico, 2.6, 27.5 Descriptores del ruido del tráfico, 48.2, 48.12 Desequilibrio: fuerzas, 28.3 rotor, 34.7 Designación de clase de fuego, 30.13 Desintonizar, 28.8 Desplazamiento: amplitud, 1.2 de partículas, 2.6 de umbral asintótico, 18.3 medida de, 10.6, 39.3 permanente de umbral, 18.1, 18.2, 18.14, 20.7,26.6 temporal de umbral, 2.6,17.6,18.1, 18.2, 18.14,19.11,26.3 transductores, 39.3 Detasación, 21.23 Detección: cobertura, 6.7, 39.19 de faltas en maquinaria, 39.6 señal,6.5 Detectores: cobertura, 6.7 punta. 6.7 rms,6.5 Determinación negativa, 54.8 Diagnóstico de faltas, 39.6 Diagrama de Campbell, 36.22 Diferencia de nivel de presión sonora normalizada, 31.4 Difracción, 1.8, 2.6 Difusores de aire, 42.4 Dinámica. rigidez, 7.19, 28. 10,29.8, 29.27

111'

1.10

INDICE

Discontinuidades estructurales, 32.23 Dispersión, 2.6, 4.2 Distorsión no lineal. 5.7 Distribución acumulativa de niveles sonoros, SO.12 Divergencia: esférica, 3.2 geométrica. 1.15, 2.6. 3.2 Divisores, oficina, 30.12, 33.35 Doble acistalamiento, 31.26 Dosímetros. 12.13, 12.15 de ruido, 12.13, 12.15 Dosis: de ruido (véase dosis diaria de ruido) diaria de ruido, 12.6. 12.8, 12.16, 26.2, 26.3 Eco, 2.6 oscilación, 2.6 Edificios: control del ruido de la fontanería en. 45.8. 45.16 control del ruido de la maquinaria y el equipamiento en. 33.27. 35.30, 40.1. 40.17 criterio de vibración de. 26.12 criterio del ruido para, 43.16 disposición para control del ruido. 33.8 espectro de ruido en. SO.9 lugares. evaluación del ruido de. 49.2. 49.4. 49.9 materiales (véase materiales acústicos) niveles de ruido en. SO.12. SO.20 residenciales: aceptabilidad de la vibración en. 26.12 evaluación del ruido de los estados para. 49.7.49.10 Efecto: de coincidencia (bajada). 2.7.31.7 de oclusión. 21.5. 21.16 de precedente. 17.24 de puntas de sierra. 8.12 de rebote. 18.12 del plenum del techo. 42.23 plenum/techo. 42.23 Efectos: a largo plazo del ruido sobre humanos. 25.16 bioquímicos del ruido. 25.12 endocri nológicos del ruido. 25.12 fisiológicos: a corto plazo. 25.2 a largo plazo. 25.16 de estalIidos sónicos. 25.14 de la vibración. 26.10

del infrasonido, 25.15, 26.9 del ruido, 25.1 del ruido de frecuencia alta, 25.15 del ruido de frecuencia baja, 25.15 del ruido de intensidad alta, 25.14 del ruido impulsivo, 25.14, 26.8 del ultrasonido, 25.15, 26.10 homeostasis, 25.17 Eficiencia: de radiación, 14.17 humana, efectos del ruido sobre, 24.1 EIA (véase estudio de impacto ambiental) Elásticos, colgadores, 32.25, 32.27 Elastómeros, tipos de, 29.2 Electricidad, toma de tierra, 10.21 Emisión de ruido: de superficies vibratorias, 32.31 límites, 15.4 medida de, 44.16 modelos de fuentes de, 38.4, 47.22 niveles de potencia, 1.26, 2.12, 13.2, 44.10 niveles permisibles de. 15.5, 54.17 Encuestas: ruido de la comunidad, 50.23 social, 23.5 sonido. 22.2, 23.4, 50.23 técnicas de entrevista, 23.9 Enchufe de ventilador, 41.5, 42.18 Engranaje(s): análisis de faltas locales en. 39.19 cilíndrico. 36.1 ensamblajes de. 36.3 tipos de. 36.1 Enmascaramiento: características de, 17.1 7 de fuente en oficinas mediante añadir ruido, 33.36 definición de. 2.7. 17.16. 19.16 efectivo. 19.16 interaural. 17.20 Enmienda de Conservación de la Audición (Hearing Consen'afion Amendment). 26.8

Ennrecimiento. 1.2 Equipamiento de medición del ruido: analizadores de espectro. 8.1. 9.22 calibración de. 38.11 dosímetros, 12.13. 12.15 seguimiento del estado, 39.1 sonómetros, 1.17. 2.20, 5.1, 9.20 uso de, 9.1 Equipamiento de ventilación: cubierto. 42.17. 42.19 incorporado. 42.16 Error estático de transmisión. 36.5

INDICE

1.11

Escaleras, 33.8 auditivo. 19.1 Escape, 8.11 códigos de. 15.1. 15.2, 15.13 sonido, 33.14, 40.14 de impacto. 39.21 Escudos magnéticos, 10.21 Excitación: Esfuerzo vocal, 16.2 de fuerza. 7.20 Espacio de balanceo, 29.22 estado estable. 32, I Especificaciones de compra, normas para, 15.4 vibración de. 27.4 impacto. 32.3 Especificaciones. ventilador. 41.18 Espectro: no sinusoidal. 27.7 vibración. 28.2 análisis (véase análisis) analizadores (véase analizadores de Exposición (véase exposición al ruido; espectro) exposición sonora: exposición a la vibración) banda de octava, 1.20, 2.7 Exposición al ruido: banda de tercio de octava. 1.21 criterios. 26.1, 54.15 continuo, 2.7 criterios para infrasonido. 26.9 de picado de biela, 43.10, 43.14 criterios para ultrasonido, 26.10 de ruido: de la comunidad. molestia por. 23.2, 23.10 de engranajes, 36.9, 36.14 diaria personal. 12.6 de maquinaria, 38.5 implicaciones para la salud de. 25.13, de transformador. 35.2. 35.4 25.18.26.1 de ventilador, 1.21. 41.6, 42.3. 44.8 intermitente. 18.20 de sonido: límites aceptables para. 26.2 análisis (I'éase análisis) límites de. 26.1. 54.17 analizadores (véase analizadores de máxima permitida diaria. 12.8 espectro) niveles (l'éa.\C' exposición sonora. niveles) definición de, 2.7 interpretación de. 39.10 normas del Departamento de Trabajo de definiciones de. 2.7 EE.UU. (U.s. Department orLahor) para. 26.8 del ruido de la comunidad. 50.4 lineal. 2.7 normas OSHA sobre [1'éasC' Administración neutro. 43.10. 43.14 de Seguridad y Salud Laboral promediar. 8.18 (OcclIpational Saretl' and f1ealth Administration))' . silbido. 43.10. 43.15 tonal. 43.10. 43.15 pérdida auditiva como resultado de, 18.1. 20.1.22.1.26.2 vibración. de ruido de cojinetes. 37.10 (I'éase tamhién espectro de ruido) permisible (véase criterios de ruido) previsión (NEF), 47.18. 53.5. 53.7 Estallidos sónidos. 25.14. 26.12.47.9 (J 'éa\(' tamhién exposición sonora) Estática: Exposición de vibración. 26.10 detlexión. 27.4 Exposición sonora. 2.7. 12.1 rigidez. 29.8 cálculo de. 12.2 Estatuto. 51.3 definición de. 26.7 Estrés como fuente de efectos fisiológicos. día-noche, 2.11. 54.13 25.17 Estructura. aislamiento del sonido transmitido día-noche ponderada para la población, 54.15 día-tarde-noche, 2.7 por. 32.1 duración de, 12.3 Estructurales. discontinuidades. 32.23 efectos sobre la audición, 18.1 Estudios de impacto ambiental: medida de. 12.1 acciones que requieren. 54.4 medidores, 12.1 l. 12.1 3 contenidos de. 54.8 nivel. 2.11. 11.18,12.2,12.3 definición de. 54.3 normas OSHA sobre, 26.7 directrices para. 54.9 personal normalizada diaria, 12.6 procesos. 54.10 unidades de. 2.11, 12.2 Examen: (VéasC' tamhién exposición al ruido) audiométrico. 19.5. 19.9. 20.8

-

1.12 FAA [véase Administración Federal de Aviación (Federal Aviation Administration)]

FAAct [véase Acta de 1958 de Aviación Federal (Federal A~'iation Act 011958)] Fábricas, 24.20 Factor: pico (cresta), 2.7.6.7.12.14.26.1 de directividad. 2.7 de ponderación de protección auditiva, 54.17 de transferencia plenum/techo, 42.23 Faltas: estacionarias, 39.14 rotatorias, 39.14 FAR [véase Normas de Aviación Federal (Federal Aviation Regulations)]

Fase, 1.7, 2.8 Fatiga auditiva, 17.6. 18.2 FHW A [véase Administración Federal de Autopistas (Federalllighway Administration)]

Fibra de vidrio, aislamiento. JO.I. 31.13. 31.19.32.19.32.25 Filtro(s): activos (atenuadores), 42.16 acústicos (véase silenciadores) anchura de banda de, 8.3 antialiasing. 6.11. 8.11 banda de octava, 5.21, 8.10 banda de tercio de octava. 5.21. 9.22 definición de, 2.8. 8.1 digital. 8.2 electrónico, 8.1 ideal. 8.3 paso de banda. 2.8. 8.1 propiedades de, 8.2 respuesta de impulso de. 8.3 seguimiento. 8.1 selección de. 8.4. 39.5 Flanqueo, 33.16 a 33.21 Flexibles: acoplamientos. 28.14. 40.16 collares. 28.14. 42.2 Flexiones en conductos. 42.12 Flujo: laminar. 45.1 líquido. 45.1 turbulento. 45.1 Follaje. efectos de. 3.10 Fonio.17.1O Forma de onda. habla. 16.3 FPT (I'ám' terminal con potencia de ventilador)

INDICE

Fracción (relación) de amortiguamiento critico. 2.8. 27.26 Fracción de dosis diaria de ruido (véase dosis diaria de ruido) Fragilidad. 29.20 Frases CHABA-CID. 16.6 Frecuencia: angular. definición de. 2.8 central. 8.3 coi ncidencia. 31.6 critica. 2.8. 27.6. 31.8 de álabe. 41.5. 44.6 definición de. 1.3.2.8. 27.1 discreta. 4.19 fundamental. 2.8 infrasónica. 2.9. 21.13. 26.9 natural. 2.8. 27.3 amortiguada. 2.8 no amortiguada. 2.8 normal (véase frecuencia natural) resonancia. 2.8 ultrasónica. 2.21. 21.13. 26.10 Frecuencias: discretas (I'éase tono puro) infrasónicas. 2.9. 21.14. 26.9 ultrasónicas. 2.21. 21.13. 26.10 Frentes de onda. 1.2. 2.8 Fuelles. 44.1 [¡'éase tamhién ventiladoJies)] Fuelles y ventiladores centrífugos. 41.2. 41.6. 42.3.44.1 Fuente (I'cáse fuente sonora) Fuente acústica (I'(;ase fuente sonora) Fuente(s) de ruido: cavitación. 45.3 cerramientos alrededor. 40.8. 40.13 chorro de agua. 45.5 en sistemas de fontanería. 45.1 flujo de agua. 45.5 flujo turbulento. 45.1 golpe de ariete. 45.5 lineal. 3.28. 48.12 atenuación de. 3.28 localización de. 4.14. 14.16 modelado de. 38.4. 47.22 monopolar de sonido. 2.8 múltiple. 4.15. 4.18 (¡'éasc tamhién fuente de sonido) puntual. 1.15. 2.8 sonora: direccional. 1.1 1 lineal. 3.28. 48.10 monopolo. 2.8 múltiple. 4.15.4.19.4.20 puntual. 1.15. 2.8

1.13

IN DICE

simple, 2.8 Fuentes: de sonido direccionales, 1.11 múltiples de sonido, 4.15, 4.18 Fuerza(s): desequilibradas, 28.3 dinámica, 29.19 electromagnéticas, 28.4 fluidas, 28.4 fricción, 28.4 impacto, 28.3 inestables, 28.4 interacción fluido-estructura, 28.4 magnéticas, 34.4 reducción de, en vibración, 28.4 Función: de coherencia, uso de, 38.16 de correlación cruzada, 38.17 de ponderación general para molestia, 54.14 de ponderación para molestia, 54.14 G (aceleración de la gravedad), 2.1 Gaitas. 1.9 Ganancia direccional, 1.14. 2.8 Glosario (véase terminología) Golpe de ariete, 45.5, 45.15 Grabadora magnética, 2.8, 2.9.6.7,38.6,38.8 Grabadoras: de cinta magnética, 2.8,6.7,38.6.38.8 de nivel gráfico, 5.23, 8.8 (Véase también grabadoras de cinta magnética) digitales, 6.11, 38.6 Grado único de libertad. 2.9 sistema, 27.2 Grados de libertad, 2.5, 27.1 Gráfica: de cascada, 8.20 de distribución estadística. SO.8. SO.13 Gravedad, aceleración de, 2.1 Habitación: de campo libre, 2.3 fuente, 2.9 muerta, 2.9 receptora, 31.1, 32.4 viva, 2.9 (Véase también cámara de reverberación) Habitaciones de equipamiento mecánico. 41.13 Habla: audiometría,19.16 características temporales de. 16.3

-

comunicación (véase comunicación hablada) cruzada, 10.16 efectos de la reverberación sobre, 16.7 efectos de los aparatos de protección auditiva sobre, 16.21,21.13 efectos del ruido sobre, 16.6, 16.11, 24.23 espectro de, 16.2 forma de onda, 16.3 índice de transmisión, 2.9, 16.17 inteligibilidad (véase inteligibilidad) modulación, profundidad de, 16.3 nivel de interferencia, 2.11,16.10,43.9 niveles sonoros de, 16.2 potencia instantánea, 2.17 potencia media, 2.1 7 potencia punta, 2.17 potencia sonora instantánea de, 2.17 privacidad,33.28 prueba de inteligibilidad, definición de, 2.18 relación entre senal y ruido, 16.2 sistemas de amplificación, uso de, 16.20 umbral de reconocimiento. 19.17 Hanning, ventana, 8.12 Helmholtz, resonador, 30.21 Herzio, 1.3, 2.9, 27.1 Hidrodinámicos, cojinetes, 37.3, 37.12, 37.18 Hidrostáticos, cojinetes, 37.4, 37.13, 37.19 Hipótesis de igual energía (regla de 3 dB), 12.7, 18.7,23.9,26.3 Histogramas de niveles sonoros, SO. IO HL (véase nivel auditivo) Homeostasis, 25.17 Hora peor de ruido, 48.2 Horario, nivel sonoro medio, 2.15, 11.14, SO. 10 HUD [véase Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano de EE.UU. (V. S. Department of Housing and Urban Development)] Humedad, efectos de: sobre el descenso del sonido en habitaciones, 4.6 sobre la absorción del sonido, 3.3, 4.6 sobre la propagación del sonido, 3.3 sobre micrófonos, 9.14 [~'éase Comisión Internacional Electrotécnica (/nternational Electrotechnical Commi.uion)] HC (véase aislamiento de impacto, clase: clase de aislamiento de impacto) Imagen, 4.1. 48.21

lEC

::

1.14

IN DICE

Impacto(s): clase de aislamiento (lIe). 32.6 definición de, 2.9 excitación de, 32.3 global del ruido. 54.13 máquina de tecleo para producir, 31.3. 32.4 normalizado. nivel de transmisión de sonido. 32.6 Impedancia: de acelerómetros. 7.14 acústica: característica. 2.4 específica, 2.9 mecánica. 7.19 mediciones de (meCánica). 7.19 punto conductor. 7.19 transferencia. 7.19 Implicaciones para la salud de la exposición al ruido, 25.13. 25.18. 26.1 Incorporar equipamiento de ventilación. 42.16 Incremento de frecuencia de álabe. 41.5. 42.26 Incrustación de canales elásticos. 31.15. 31.30. 31.31. 32.26 Indicador. 5.16 Indicadores: analógicos. 5.18 cuasi-analógicos. 5.18 digitales. 5.18 Indice: de articulación. 2.9. 16.14 de directividad. 1.14. 2.9 de presión-intensidad. 14.5 de propagación de llamas. 30.14 de reducción del sonido. 31.5 de reducción del sonido ponderado. 31.5 de ruido de impacto. 54.14 de transmisión del habla. 2.9. 16.17 de transmisión rápida del hahla. 16.19 del ruido del tráfico. 50.12 Inducida por el ruido. molestia. 23.3.43.12. 49.4. 54.15 Infrasonido: criterios para. 26.9 definición. 2.9 efectos fisiológicos de. 25.15. 26.9 Injertado. auricular. 2.3. 19.4 Insonorización. 30. I. 31. IJ. 31.20. 32.19. 32.25 (¡'éase tamhic¡1l materiales acústicos) Insonorización del ruido (\'éase insonorización)

Instituto Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (Natiana! Institute far Occllpatiana! Safety and Hea!th), 18.14 Instituto Nacional Estadounidense de Normas (American Natiana! Standards Institute): comités, 15.7 normas. 15.8 Instrumentos de medición: ruido, 5.1 selección de equipamiento para, 9.4 vibración. 6.1, 10.3 Inteligibilidad: 2.9, 16.1 efectos de la reverberación sobre. 16.7 efectos del ruido sobre, 16.6 métodos para mejorar, 16.19 predecir. 16.9 pruebas de. 16.3 (¡'éase también articulación) Intensidad (véase intensidad del sonido) Intensidad acústica (\'éase intensidad del sonido) Intensidad del sonido. 1.15,2.9.14.1. 15.2 activa. 14.2 analizadores. 14.3, 14.5 cantidad de referencia. 1.15, 14.3 media, 14.1 medidas de. 14.5.38.15 negativa. 14.15 nivel. 1.J 7, 2.11. 14.1 reactiva. 14.2 relación con el nivel de presión sonora. 14.5 sondeos. 14.6. 14.8 Interacción fluido-estructura, 28.4 Interferencia: electrica. toma de tierra para evitar. 10.21 inducida magnéticamente. 38.12 Internacional. alfabeto. 16.20 Intervalo de confianza. 9.8 ISO [réase Organización Internacional para la Normalización (lnternationa! Organi=ationfÍlr Standardi=ation)] lsófonas: de ruido de aviación. 47.3. 47.18. 47.22. 54.21 igualdad sonoridad. 2.6. 17.10 NEF. 47.18. 53.5. 53.6 niveles sonoros medios día-noche anuales. 54.9 isointensidad. líneas de. 14.16 Juicio civil. 51.2 Juntas: de expansión. 32.23 puerta. 31.22

INDICE

Lectura. efectos de ruido sobre, 24.18 Legislación: control del ruido, 51.3 definiciones de términos legales, 51.2 estatal. 51.4 federal. 51.5 local. 51.4 Letras de símbolos, 2.22 Ley: común. 51.3 de masa, 31.5 del retlejo, 4.1 inversa del cuadrado. 1.16.2.9 Limitación auditiva: biaural. 19.13. 20.7 evaluación de. 19.12. 19.15,20.7 inducida por el ruido (véase pérdida auditiva inducida por el ruido) media de tonos puros. 19.13 monoauraI. 19.13,20.7 porcentaje. 19.13 Límites: confianza, 9.8 de banda, 5.23 de la exposición a la vibración, 26.10 de la exposición al sonido. 26.1. 54.17 Litigación. ruido aviación/aeropuerto, 52.3 Localización: auditiva. 4.12, 17.21,21.15 biauraI. 4.12,17.21. 21.13 de fuentes de ruido. 4.14, 14.16 del sonido, 4.14.17.21. 21.15 efecto de los aparatos de protección auditiva. 21.13 Longitud de onda, 1.4. 2. \O Lugares de edificación. evaluación de, 49.6, 49.8 (Lw - Lp ).1.l4.4.14.4.17, 13.6.42.25,44.15 Llamas. índice de propagación de. 30.13 Llave indicadora de sobrecarga. 12.12 Magnetostricción. 35.2. 35.6 Mantenimiento: de funcionamiento a fallo, 39.1 del estado. 39.1 preventivo, 39.1 Máquina de tecleo. 2.10.31.3.32.4 Maquinaria: alternador. 39.24 detección de faltas y diagnóstico en. 39.2. 39.5.39.8 eléctrica (véase motores eléctricos) mantenimiento de. 39.1

1.15

seguimiento de las condiciones de, 38.4. 39.1 vibración en. 33.27. 38.\0, 39.2. 39.3, 40.5. 40.16 Maquinaria rotatoria (véase máquina) Máquinas: alternadoras, 39.24 de tecleo normalizadas. 31.3, 32.4 Masa: aparente. 7.19 de carga. 10.13 dinámica. 7.19 Mastoide artificial, 2.10, 16.14 Materiales absorbentes del sonido (véase materiales acústicos) Materiales acústicos): atenuación mediante. 30.15 comercializados. 30.4 definición de. 30.1 efectos del montaje sobre. 30.3 envolturas de tuberías y conductos. 45.13 especificaciones de. 30.15 para revestir cerramientos. 40.13 piezoeléctricos. 7.1 resistencia de flujo de. 2.19, 30.1 selección de. 30.13 tipos de. 30.4 valoración contra el fuego de, 30.13 valoración de. 30.2 Materiales de acústica (véase materiales acústicos) Mediciones: aceleración, 10.5. 39.3 aparatos de protección auditiva, 21. \O. 21.18 audición, 19.5 campo libre. 9.7,13.3.14.5 coeficientes de absorción del sonido, 30.2 conformal.14.11 desplazamiento, 10.5, 39.3 dosis de ruido. 12.16 dosis diaria de ruido, 12.16 efectos de la caja de los instrumentos sobre. 9.15 efectos de la vibración sobre, 9.16 efectos de las condiciones ambientales sobre. 1.15, 5.6, 5.8. 5. \O. 9.13, 9.14. 9.16 efectos del observador sobre, 9.15 emisión de ruido, 44.16 en unidades de terminales de aire. 42.22 encuesta de sonido. 22.2. 23.4. 50.23 equipamiento para. 5.1. 8.1. 10.3 inteligibilidad del habla. 16.1

1.16

IN DICE

Mediciones (cont.) intensidad, 4.4, 38.16 intensidad del sonido, 14.5, 38.15 localización, 39.4 lugar de-edificación, 49.6, 49.9 máquina de tecleo, 31.3, 32.4 materiales acústicos, JO.3 método de habitación semirreverberante, 41.16 método de la habitación reverberante, 41.18 método en conducto, 41.16 molestia, 23.5,54.15 nivel de emisión de potencia de ruido, 2.11, 13.2 nivel sonoro, 5.20, 9.1, 12.1, SO.2, SO.24 ponderación exponencial de tiempo, 5.17,11.4 rápido (fast), 5.17, 11.3 lento (slow), 5.17, 11.3 nivel sonoro continuo equivalente, 9.20, 11.6,12.3,12.18, SO.22 nivel sonoro corregido día-noche, 2.14, 11.4, SO.3, SO.9, SO.22, 53.6, 54.9, 54.21 normas para, 15.1 número de, vs. desviación típica, 9.8 pantalla antiviento utilizada en, 9.19 pérdida de transmisión, 31.1 pérdida por inserción (véase pérdida por inserción) planificación, 10.1 posiciones utilizadas en, 9.7 reducción del ruido, 14.15, 33.2 registro de datos en, 9.23 ruido ambiental, SO.24 ruido de autopista, 48.2 ruido de aviación, 47.1 ruido de cojinetes, 34.7, 37.1 ruido de engranajes, 36.1 ruido de fondo, SO.23 ruido de impacto, 31.31, 32.4, 32.6 ruido de la comunidad, SO.25 ruido de motor eléctrico, 34.1 ruido de transformador. 35.1 ruido de transporte ferroviario, 46.16 ruido de ventilador. 41.16. 44.16 ruido [I'éase medida(s) del ruido] seguimiento del estado, 39.1 selección de equipamiento para. 8.4. 8.8. 9.4, 38.5. 39.3. 39.5. 39.21 selección de parámetro. 39.3 tasa de reducción del ruido. 21.7 tensión. 10.5 tiempo de reverberación. 4.9

velocidad, 10.5,39.3 vibración, 10.1 (véase también mediciones acústicas; medida(s) de ruido; medidas de vibración) Mediciones acústicas: efectos de la caja del instrumento sobre, 9.15 efectos de la vibración sobre, 9.16 efectos de los campos electrostáticos sobre, 9.17 efectos de los campos magnéticos sobre, 9.17 en habitaciones, 4.15 exteriores, 9.19 interiores, 4.15, 9.18 posiciones del micrófono en, 9.7 procedimientos para, 9.2 registro de datos en, 9.23 selección de instrumentos, 9.4 selección de la ponderación de frecuencia. 9.20 selección del equipamiento para, 9.4 selección del tiempo promedio, 9.2 (Veáse también mediciones) Medida(s) de ruido: comunidad, SO. 1, SO.24 de intensidad, 14.5 en áreas de trabajo, 22.2, 23.4 en lugares de edificación, 49.6, 49.8 exterior, 9.19, SO. 1 interior. 9.18 maquinaria, 38.5. 39.1 normas y códigos de examen, 15.1, 15.13 programas para, 38.5 sistema de transporte ferroviario, 46.16. 46.24 ventilador, 41.16 (Véase también medidas acústicas; mediciones) Medidas acústicas exteriores, 9.19 Medidas de tensión. 10.5 Medidas de velocidad. 10.5. 39.3 Medidas de vibración, 10.1 factores importantes en. 10.3 instrumentos para, 6.1 planificación. 10.1 sistemas para, 6.1 técnicas utilizadas en, 10.1 Medidas exteriores. 9.19, SO. 1 Medidas psicoacústicas, 23.3 Medidor personal de exposición sonora, 12.1 1. 12.1 3 Melio.2.10

INDICE

Membrana del tímpano, 17.1 Memoria, efectos del ruido sobre, 24.18 Método: de ajuste, 23.4 de calibración de alternancia, 5.13 de calibración de caída libre, 10.14 de comparaciones emparejadas, 23.4 de ensayo, 15.3 de ensayo en conducto, 41.17 de ensayo plenum, 44.16 de evaluación AAO/AMA (1959),19.14, 20.7 de evaluación AAO-HNS (AMA 1979), 19.14,20.7 de evaluación AMA, 19.14,20.7 de la cámara reverberante, 41.18 de habitación semirreverberante, 41.17 de límites, 23.4 de sustitución de voltaje, 10.16 Microfonías, 9.16 Micrófono(s), 5.2 cables de extensión para, 5.13, 9.13 calibración de, 5.13, 5.19, 38.5 características de, 5.2 cerámico, 5.12 condensador, 2.10, 5.8 condiciones ambientales que afectan, 1.15, 5.6 correcciones aplicadas a, 5.4, 9.4, 9.6 de gradiente de presión, 2.10 direccional, 2.10, 5.3 distorsión no lineal en, 5.7 efectos de la humedad sobre, 5.6, 9.14 efectos de la temperatura sobre, 9.15 efectos de las condiciones ambientales sobre, 5.6 electret, 5.8, 5.10 electrostático, 2.10 estabilidad de, 5.7 habla próxima, 2.10 incidencia aleatoria (random), 5.5 medidas, 5.8 omnidireccional, 2.10 patrones de directividad, 5.4 piezoeléctrico, 5.12 posiciones de, durante medición, 9.7, 13.4, 14.12,38.7 prepolarizado, 5.11 presión, 9.4 respuesta de, 5.2,9.4 respuesta de incidencia frontal, 5.4,9.4 respuesta de incidencia horizontal. 5.4. 9.4 respuesta de incidencia perpendicular, 5.4, 9.4

1.17

respuesta direccional de, 5.3 selección de, 9.4, 38.9 sensibilidad de, 5.2 sonda, 2.10 tipos de, 5.7 Micrófonos: cerámicos, 5.12 de condensador, 2.10, 5.7 direccionales, 2.10, 5.3 electret, 5.8. 5.10 piezoeléctricos, 5.12 prepolarizados, 5.10 Micropascal, 1.11 Milibar, 1.14 Mínima diferencia perceptible, 17.24 Modelado, 38.4, 47.22 Modelado paramétrico, 38.4, 38.17 Modo fundamental, 2.10 Modulación, 2.10, 16.4 Molestia, 51.3, 52.4 a largo plazo, 23.5, 54.15 en la comunidad, 23.2, 43.13, 49.4, 54.15 función de ponderación de, 54.13 inducida por el ruido, 23.1, 43.13, 49.4, 54.15 exposición de la comunidad al ruido y, 23.3,23.5 predicción de, 23.12 Montajes de vibración (véase aisladores de vibración) Motilidad gastrointestinal, efectos del ruido sobre, 25.12 Motores: de corriente continua, 34.13 de inducción (véase motores eléctricos) eléctricos, 34.1 análisis del espectro de, 39.15, 39.17 corriente continua, 34.12 fuentes de ruido en, 34.2 métodos de control del ruido en, 34.9 tipos de, 34.1 Movilidad, 7.19 Movimiento armónico simple, 1.4, 2.10 Movimiento periódico, 27.4 Muebles sistema, 33.36 Muelles: combinación de, 24.24 curvas de deflexión para, 29.6 elastoméricos, 29.2, 29.19, 29.23 rigidez de, 29.6,29.7,29.24,29.25 (véase también aislante de vibración) Muestra: aleatoria, 23.7 propositiva, 23.7

1.18

INDICE

Muestreo: al azar, 23.7 encuesta social, 23.9 señal,8.6 NEF (véase exposición al ruido, previsión) NEMA,35.8 neopreno, 29.2 NEPA [véase Acta Nacional de Política Ambiental (National Environmental Po/icy Act)] NIC (véase aislamiento de ruido, clase) NIOSH [véase Instituto Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (National lnstitute for Occupational Safety and Health)] NIPTS (véase pérdida auditiva inducida por el ruido, desplazamiento permanente de umbral) NITTS (véase pérdida auditiva inducida por el ruido, desplazamiento temporal de umbral) Nivel(es): aceleración, 2.11 auditivo, 2.10,17.8,19.1 cero, 19.13 medio de tonos puros, 19. 13 banda de octava, 1.20 banda de tercio de octava, 1.20, 2.12, 5.20 combinar dos o más, 1.20 confianza, 9.8, 38.2 contaminación del ruido, SO. 10 crítico, 26.3 de audición cero, 19.2 de emisión: medio de referencia, 48.13 potencia del ruido, 1.26,2.12,13.2,44.8, 44.16 de exposición al ruido de episodio único. 2.11 de exposición sonora día-noche, 2.11 de exposición sonora día-tarde-noche, 2.11 de intensidad (véase intensidad del sonido. nivel) de percentil 10.48.2 (véase también nivel sonoro de percentil x excedido) definición de. 2.10 distribuciones de, SO. 1O. SO.13 equivalente (véase nivel sonoro continuo equivalente) espectro [véase nivel(es) de espectro de presión sonora]

excedidos, SO.7 intensidad (véase intensidad del sonido) interferencia del habla, 2.11, 16.10,43.9 mediana, SO.5 medio con ponderación temporal exponencial, 5.16,11.1 medio [véase nivel(es) sonoro(s), medio] potencia sonora [véase nivel(es) de potencia sonora] presión sonora [véase nivel(es) de presión sonora] registros, gráficos, 5.23, 8.8 ruido percibido, 2.13, 2.15, 47.14 sensación, 2.13 sonido [véase nivel(es) sonoro(s)] sonoridad,2.13,17.1O [Véase también nivel(es) sonoros(s)] Nivel(es) de potencia sonora, 1.10, 2.12, 3.15, 13.1, 13.3, 15.2 banda de octava, 1.24 banda de tercio de octava, 1.24 combinar, 1.25 corrección, 4.8 de motores eléctricos, 34.1 de presión de espectro, 2.13 de varias fuentes, 1.9 de ventiladores, 41.4, 44.10, 44.11, 44.16 específica, 41.19 medida de, 13.1, 13.3 normas para la medida de, 13.4, 13.6, 13.9, 13.14,44.16 ponderación A, 1.25,2.12,3.13, 13.10 relación con el nivel de presión sonora, 1.14,4.14,13.6,42.25,44.16 Nivel(es) de presión sonora: combinar, 1.22 de banda, 2. 12 de banda de octava, 1.20 de banda de tercio de octava, 2.12 de impacto, 2.12. 31.3, 31.5 definición de, 1.11,2.12 global, cálculo de, 1.24 impacto normalizado, 2.14 impacto ponderado normalizado, 31.5 instantáneo, 2.13, 11.5 medio, 1.20,5.16 normalizada de impacto, 2.14, 31.17 pico, 2.13, 5.20,11.11 pico a rms, 2.12 promediado en el tiempo, 2.12 relación con el nivel de intensidad sonora, 14.5 tablas para varias fuentes, 1.1 l [Véase también nivel(es) sonoro(s)]

INDICE

Nivel de ruido: aceptable (véase criterios de ruido) ambiente, 1.26,2.19, SO. 1 camiones, 48.7 de fondo, 2.19 definición de, 2.13 equivalente en la comunidad, 2.13, 11.15, 48.2, SO.IO, SO.17 anual,II.17 interior vs. exterior, 33.40, SO.13 percibido, 2.13, 47.12 corregido para tono, 2.13, 47.16 percibido efectivo, 2.13, 47.14, S3.13 residual, 1.14 tráfico, 48.3 variación con altura, SO.22 [Véase también nivel(es) sonoro(s») Nivel: de sensación, 2.13 de sonido directo, 4.7 de sonoridad, 2.13,17.10 de transmisión del sonido de impacto normalizado, 32.6 de transmisión sonora de impacto normalizado, 32.6 del espectro de presión sonora, 2.13 efectivo de ruido percibido, 2.13, 47.14, 53.13 entre señal y ruido, 2.13 específico de potencia sonora. 41.19 percentil. 2.14, S.21 residual de ruido. 1.12 Nivel(es) sonoro(s). 1.9. 11.1 banda de octava. S.21. 9.22 banda de un tercio de octava, 2.12, S.21. S.23,9.22 combinar, 1.22 continuo equivalente. 2.12, 11.7, 12.3. 12.18, SO.24 con ponderación A (véase nivel sonoro continuo equivalente) de impulso, 11.9 corregido día-noche. 2.14, 11.16. 48.2, SO.3. SO.9. SO.22, S3.6 relación entre molestia y. 23.10. 54.13 criterios. 12.7 de habla. 16.2 de ruido equivalente en la comunidad. 2.13. 11.15.48.2. SO.9. SO.17 definición de. 2.14 directo. 4.7 directo más reflejado. 4.14 distribución acumulativa de. SO.II

1.19

equivalente de ruido anual en la comunidad. 11.16 exterior. 33.41. SO.I global. 1.24 impacto. 2.8.31.3.31.5 impulso. 1.5. 11.10 instantáneo, 2.13. 11.6 instrumentos para registrar (véase registros gráficos de nivel) interior. 33.41 lento (s!ow). S.17. 9.21. 11.2 máximo. S.19. 11.6 medida de. S.17. S.19, 9.1. 11.3. 12.1. SO.2. SO.25 medio. 1.18. 2.13, 3.13. S.13. 9.18. 11.8, SO.2 medio a largo plazo. 3.15 medio anual día-noche. 2.14,11.16.54.9 medio con ponderación exponencial de tiempo. S.16. 11.1 medio de I hora. 11.12. 11.14. 48.2, 48.17. SO.8. SO.12 medio de 24 horas. 11.15 medio de 8 horas. 2.14. 11.13. 12.10. 12.18 medio de tiempo de funcionamiento. 11.2 medio día-tarde-noche. 2.15. 11.15 medio diurno. 11.14 medio horario. 2.15. 11.14. SO.8 medio nocturno, 2.15. 11.14 medio normalizado de 8 horas. 12.6, 12.10. 12.18 mínimo. S.19 percentil excedido, 2.15. S.20 percentil x excedido. 2.15. 48.2. SO.8 pico. 2.14. S.20. 11.11 ponderación A (véase niveles sonoros con ponderación A) ponderación B. 1.18. S.15 ponderación C. 1.18. 2.14. S.15. 9.20. 11.2 ponderado. 1.17.9.21. 12.10.26.7 promediado en el tiempo. 2.14. 11.7, 11.17. 12.10. 12.15 rápido ((ast). S.17. 9.21,11.2 reducción en, 4.1 1 reflejado. 4.6. 4.10 reverberante. 4.10 umbral. 12.8 variaciones temporales en. SO.7 vespertino medio. 2.15. 11.14 Niveles: aceptables (I'éase criterio de ruido; vibración. criterio para exposición a) acústicos [I'éase nivel(es) acústico(s»

1.20

INDICE

Niveles (con/.) de potencia sonora con ponderación A, 1.25,2.12,3.13,13.10 de ruido de tráfico, 48.3 excedidos, 50.7 medios a largo plazo, 3.15 del espectro del habla. 16.2 medios del habla, 16.2 permisibles de ruido (véase criterios de ruido) sonoros con ponderación A: 1.18. 2.14, 5.14, 9.20. 11.2. 11.6, 16.10, 43.2, 50.9, 50.23 banda de octava. 1.25 cálculo de. 1.24. 3.13 definición de. 1.24. 3.15 en edificios. 43.19. 50.14 impulsivo equivalente continuo, 11.10 lento (0510"'), 5.17. 9.21, 11.2 máximo. 2.15 permisible (véase criterio de ruido) pico. 2.15 rápido (fast). 5.17, 9.21. 11.2 sonoros de impulso, 11.6, 11.9 sonoros de percentil excedido. 2.15, 5.20 sonoros lentos (510",). 5.17. 9.21, 11.2 sonoros máximos. 5.19, 11.7 sonoros mínimos. 5.19 sonoros rápidos ((ast), 5.17,9.21, 11.2 NNIC (I'éase clase normalizada de aislamiento de ruido) No amortiguada, frecuenCia natural. 2.8 No lineal, rigidez. 27.10, 29.7 Norma: de Exposición al Ruido Laboral (Occupational Noise Exposure Standard), 26.10

internacional, 15.2 obligatoria, 15.2 voluntaria, 15.2 Normas: acústicas, 15.1 de Aviación Federal [Federal AI'iatio" Ref(ulations (FAR)). 53.11

sobre ruido de la Comunidad Europea. 26.9 Normas y códigos de ensayo: conformidad con. 15.4 definición de, 15.1 internacionales. 15.2, 15.7 obligatorios, 15.2 organizaciones, directorio de, 15.10 para analizadores de espectro, 8.4 para audiómetros, 19.3 para cojinetes. 37.14

para especificaciones de compra, 15.4 para medición de ruido de caminón, 48.7 para niveles de ruido de automóviles, 48.9 para ruido de transformador, 35.6 para ventiladores, 41.16, 44.15 requisitos legislativos implicados, 15.4 terminología, 15.2 voluntarios, 15.2 Nosoacusia, 26.4 Noys, 47.15 NRC (véase coeficiente de reducción del ruido) NRR (véase valoración de reducción del ruido) Número Fresnel, 3.21, 48.17 mach,47.8 Reynolds, 45.3

Objetivos de disefto en el control del ruido, 40.4 Octava, 2.16 Oficinas: divisores (barreras) para, 30.13, 33.35 particiones de altura parcial para, 30.13, 33.3 planta abierta, 30.13, 33.34 sonido enmascarador en, 33.39 tratamiento absorbente del sonido para, 33.35 Ohm acústico, 30.1 Oído: artificial, 2.16 descripción de, 17.1 electroacústico, 19.9 externo, 17.1 interno, 17.3 medio, 17.2 OITC (véase clase de transmisión del sonido exterior-interior) Onda(s): acústicas (véase ondas sonoras) compleja. 1.8 definición de, 2.16 difractada. 2.16 esférica, 1.2. 2.16 estacionaria. 2.16. 4.19, 9.18 periódica, 1.8 plana. 1.2, 2.16 progresiva libre. 2.16 sacudida. 47.9 sinusoidal. 1.5 combinación de. 1.6

INDICE

definición de, 1.5 sonora, 1.2 Ordenanzas sobre zonas de uso del suelo, 49.4 Organización Internacional de Normas [Intemational Standards Organization (ISO], 15.3, 15.8 Organización Internacional para la Normalización [Intemational Organizationjor Standardization (ISO)], 15.3, 15.8 Oscilación del eco, 2.6 OSHA [véase Administración de Seguridad y Salud Laboral (Occupational Sajety and Health Administration)] PAL, listas de frases fonéticamente equilibradas, 16.5 Pantalla(s) [véase barreras (acústicas)] Pantalla antiviento, 2.16, 9.19 Parámetro de impulso, 11.10 Pared(es) [véase barreras (acústicas); particiones] de bloques de hormigón, 31.16 de bloques huecos, 31.17 de hormigón, 31.20 de mampostena, 31.7, 31.1 5, 31.19 Partición: compuesta, 33.12 de hoja doble, 31.7 Particiones: altura parcial, 30.13, 33.35 bloque hueco, 31.18 compuesta, 33.12 de cartón, 31.\5 escayola, 31.15 funcionales, 31.26 hoja doble, 31.7 hoja única, 31.5 ley de masa para, 31.5 mampostena, 31.7, 31.17, 31.19 multielemento, 33.10 plegable, 31.25 rendimiento de campo de. 31.3 requisitos para, 33.5 selección de, 33.5 sólida,31.5 tablero de yeso, 31. 15 travesano, 31. 15 [ Véase también barreras (acústicas)] Pascal. 1.5, 2.16 Patrón: de directividad, 5.4 de radiación. 1.1 1 de respuesta direccional. 1.14

-

1.21

direccional, 2.16 Pérdida: de audición (véase pérdida auditiva) de transmisión, 2.16, 14.18. 31.1, 33.12 auditiva: compensación de, 20.1, 20.4 evaluación de, 19.12. 20.1, 20.7 inducida por el ruido, 18.1, 18.14, 20.4, 26.1,26.5 responsabilidad del producto por, 20.12 responsabilidad legal por, 20.1 desplazamiento permanente de umbral, 18.1. 18.2, 18.14, 20.7, 26.5 desplazamiento temporal de umbral, 2.6, 17.6.18.1, 18.2, 18.14, 19.11,26.3 efectos de la longitud de la exposición sobre, 18.5, 18.16, 18.18 por inserción. 2.16, 42.15, 44.13, 48.16, 48.18 de barreras. 3.21. 48.15 de discontinuidades estructurales, 32.23 de los atenuadores del sonido. 42.15 dinámica. 42.15 transmisión de sonido. 2.17. 14.18.31.1. 33.12 Pérdidas de reflejo final. 42.12 Período. 1.4. 2.17. 27.1 Picovatio. 1.9, 2.17 Pifión. 36.1 Pista de carreras. 37.1 Pistófono. 2.17, 5.19 Plancha de yeso. propiedades de. 31.15 Plano reflectante. 1.4 Plenum (cámara de aire), 42.20 Población total ponderada. 54.13 Ponderación: frecuencia (véase ponderación de frecuencia) tiempo (I'éase ponderación de tiempo) Ponderación A: mediciones. 9.20 objetivos de diseno para. 5.14 tabla de valores para. 1.20 tolerancia permisible para. 5.14 ponderación de todo paso. 11.1 Ponderación B. 5.15 Ponderación C. 1. 18. 5.15, 11.1 Ponderación de frecuencia. 1.18. 5.14 selección de. 9.20 ( J 'éasl' tamhién ponderación A: ponderación B: ponderación C: ponderación plana) Ponderación lineal. 11.1 Ponderación plana. 5.15. 11.1

1.22

INDICE

Ponderación temporal, 5.16,11.1 exponencial, 5.17, 9.21, 11.2 impulsivo exponencial, 9.21,11.6 lenta (slow), 5.17, 9.21, 11.2 punta, 9.21 rápida (fast), 5.1 7, 9.2 1, 11.1 selección· de, 9.21 uniforme, 11.1 Porcentaje: de dosis diaria (véase dosis diaria de ruido) de limitación auditiva, 19.13,20.7 de limitación auditiva biaural, 19.13 monoaural de limitación auditiva, 19. D, 20.7 peor secuencia, 22.13 Potencia (véase potencia sonora) acústica (véase potencia sonora) cepstrum, 8.21, 38.16 eléctrica limpia, 38.13 requisitos para, 38.13 instantánea, 1.9 instantánea del habla, 2.17 media del habla, 2.17 pico, 1.9 pico del habla, 2.17 sonora, 1.9, 2.17,13.1 cantidad de referencia, 1.9, 2.17, 13.1 conversión a nivel de potencia sonora, 1.10, 13.1 fuente referencia para medida de, 13.10 instantánea, 1.9, 2.17 media, 1.9 medida de, 13.1 punta, 1.9 relación con la intensidad sonora, 1.16, 14.9 Potenciar las señales, 8.21 Preamplificadores, 38.5 acelerómetro, 6.2 carga,6.2 conducción de línea, 6.2 voltaje, 6.2 Predicción del ruido de episodio único, 47.19 Presbiacusia. 17.8, 26.3 Presión: amplitud, 1.5 atmosférica, 1.5 corrección para, 1.15 efectiva, 1.8, 2.10 estática, 1.5, 2.17 (Véase presión sonora) sanguínea, efectos del ruido en, 25.5 sonora: amplitud de, 1.10

cantidad de referencia, 2.17, 12.10 conversión a nivel de presión sonora, 1.11 definición de, 1.5, 2.17 efectiva, 1.8, 2.18 gradiente de, 14.6 instantánea, 2.18 máxima, 2.18 media día-noche, 2.4 media día-tarde-noche, 2.4 ponderada para frecuencia, 2.17 punta, 2.18, 5.20, 12.11 rms [véase presión (sonora) efectiva] tiempo medio, 2.17,11.2 Privacidad del habla, 33.28 Problemas de cumplimiento en el control del ruido, 51.12 Procedimiento: de equilibrio de aire, 42.24 de valoración Re, 43.8 Productividad, efectos del ruido en, 24.1 Profundidad de modulación, 16.3 Programas de conservación de la audición: beneficios de, 22.20 definición de, 22.1 caracteristicas deseadas para, 22.8 encuestas sobre sonido para, 22.2 listado para, 22.24 a 22.27 personal implicado en, 22.8 problemas frecuentes en, 22.9 recogida de datos para, 22.3 Promediadores de tiempo, 5.16 Promedio: señal, 6.5, 8.19,38.16 sincrónico, 8.19, 38.16, 39.20 temporal, 1.20 Propagación del sonido: efecto de la temperatura sobre, 3.11 efecto de las barreras sobre, 3.21, 48.16, 48.18 efecto de las casas sobre, 3.10 efecto de los árboles sobre, 3.10 efecto del follaje sobre, 3.10 efecto del viento sobre, 3.11 en la atmósfera, 3.1, 48.22 en el aire, 3.1 en exteriores, 3.1 efecto de la humedad sobre, 3.3 efecto de los árboles sobre, 3.10 efecto de los gradientes de temperatura sobre, 3.1 1 sobre barreras, 3.21, 48.15, 48.22 sobre hierba, 3.3 sobre un plano reflectante, 3.3

1.23

INDICE

Protectores: auditivos (véase aparatos de protección auditiva) del oído (véase aparatos de protección auditiva) Proyectos de aeropuerto, revisión ambiental de, 53.4, 54.20 Prueba: de respuesta abierta, 16.5 de rima, 16.6 de rima modificada, 16.6 del conducto para ruido de ventilador, 41.16 Stroop, 24.11 Puentes en estructuras, 28.11, 33.3, 33.19 (Véase también flanqueo) Puerta de bajo automático, 31.23 Puertas, 31.18 juntas, 31.20 dobles, 31.21 plegables, 31.25 Punto: de funcionamiento de ventiladores, 42.3, 44.6,44.12 de más eficiencia de ventiladores, 42.3, 44.6,44.8 Puntos rama, 28.13

Raíl soldado, 46.2 RASTI (véase índice de transmisión rápida del habla) RA YL, 2.18, 30.17 Rayo sonoro, 1.3, 2.18, 4.1, 48.20 Reactor válvula, 35.5 Recepción, 7.19 Receptor, 1.28, 2.18, 28.1,40.2 Recogida de zumbido, 10.20 Recogidas [véase transductor(es)] Redes de ponderación (véase ponderación) Reducción: de nivel, 4.10 del nivel sonoro, 4.12 del ruido, 1.27,2.18 absorción del sonido para lograr, 46.14 coeficiente, 30.3 definición de, 2.18 entre habitaciones, 31.1, 33.2 mediante aparatos de protección auditiva, 21.9,21.18 mediante materiales acústicos, 4.12 medida de la eficacia de, 14.15 normalizada, 31.2 objetivos para, 40.3

l

requisitos de, 1.28, 4.12, 40.3 ( Véase también clase de transmisión del

sonido) Reflejo: de defensa, 25.3 de la luz de los materiales, 30.7 de orientación, 25.3 respiratorio, 25.4 Reflexión(es): correcciones, como resultado de, 4.7, 9.13 final, 42.13 ley de, 4.1 múltiple, 4.4 sobre las superficies próximas, 9.13 Refracción, 2.18, 3.11 Registro de medidas del ruido, 38.14 Registros gráficos de nivel, 5.23, 8.9 Regla: de 3 dB (hipótesis de igual energía), 12.7, 18.7,23,8,26.3 de 5 dB, 26.3 del espectro más plano, 10.2,39.4 sobre fracción, 18.7 Reglas locales sobre ruido, 53.17 Regulación: de zonas, 49.4 definición de, 15.1 del ruido y la ley, 51.1 federal de aviación, 53.7 Rejillas: retomo, 42.4 ruido generado por, 42.4 Relación: crítica, 17.20 de amortiguamiento crítico, 2.19 de amplificación, 7.14 de contacto agregado, 36.7 de radiación, 14.1 7 transversal de contacto, 36.2 Rendimiento humano: combinaciones de tareas y, 24.22 de campo de las particiones, 31.3, 31.4 efectos de señales inesperadas sobre, 24.22 efectos del ruido sobre, 24.1, 24.8, 24.22 estudios industriales sobre, 24.2, 24.20 Requerimientos, 51.2, 51.9 Requisitos de almacenamiento en cinta magnética, 38.8 Resistencia: al flujo de los materiales, 2.19,30.1 características, 1.1 7 Resonadores: acústicos, 30.20 Helmholtz, 30.20

1.24 Resonancia, 2.19 Responsabilidad: del producto por pérdida auditiva, 20.12 legal por pérdida auditiva, 20.1 por pérdida auditiva, 20.1 Respuesta: auditiva, 17.4 base, 32.2 de asombro, 25.3 de frecuencia: de acelerómetros, 7.14 de micrófonos, 5.2 de impulso de filtros, 8.3 de incidencia al azar, 5.4, 9.4 de incidencia frontal, 5.4, 9.4 de incidencia horizontal, 5.4, 9.4 de incidencia perpendicular, 5.4, 9.4 de medidor, 5.17 de tensión muscular, 25.3 de todo paso, 5.4 lenta (slow), 1.20, 2.19 permisible, 29.20 pico, 9.21 pupilar del ojo, efectos del ruido sobre, 25.10 rápida (jast), 1.20, 2.19 Restablecimiento de sonoridad, 17.21 Retraso, en tuberías, 45.11 Reverberación: definición de, 2.19,4.9 efectos de, sobre localización del sonido, 17.24 efectos de, sobre el habla, 16.7 en habitaciones, 4.9 medidas de, 4.9 Riesgo de lesión para la audición, 18.6, 26.1 Rigidez, 27.4 dinámica, 7.19, 28.9, 29.7, 29.26 estática, 29.7 no lineal. 27.9, 29.6 Rodamiento de bolas, 34.7, 37.2 Ruedas elásticas. 46.4 Ruido: aerodinámico (I'éase ruido aerodinámico, fuentes de) aeropuerto (véase ruido de aeropuerto) al azar (random). 2.19 aleatorio, 2.19 ambiente (véase ruido de ambiente) analizadores (véase analizadores de espectro) andén de estación. 46.22 aparato de alarma, 46.9 ascensor. 32.31

INDICE

aterrizaje, aviación, 47.10 automóvil, 3.29, 11.20,48.8,48.9 autopista, 3.27, 11.20, 48.1, 48.5 aviación (véase ruido de aviación) avión propulsor, 47.1 balasto, 35.8 balasto fluorescente, 35.8 blanco, 2.19, 33.39 cable, 10.19 calefacción, ventilación y aire acondicionado, 42.1 camión, 3.29,11.20,48.6,48.11 cavitación, 45.3 coche (véase ruido de automóvil) cojinetes (véase ruido de cojinetes) contornos (véase contornos) criterios (véase criterios; criterios de ruido) criterios de reducción, 48.4 de aeroplano (véase ruido de aviación) de vehículos, 3.25,11.20,48.2,48.6,48.11 definición de, 1.26, 2.19 dosímetros, 12.13, 12.15 dosis (véase dosis diaria de ruido) efectos bioquímicos de, 25.11 efectos de, en fábricas, 24.21 efectos de, sobre accidentes, 24.23 efectos de, sobre activación, 24.24 efectos de, sobre el corazón, 25.5 efectos de, sobre el habla, 16.6, 16.11, 24.21 efectos de, sobre el sueño, 24.14 efectos de, sobre el tracto respiratorio, 25.4, 25.11 efectos de, sobre la circulación de la sangre, 25.5 efectos de, sobre la lectura, 24.1 7 efectos de, sobre la memoria, 24.16 efectos de, sobre la presión sanguínea, 25.5 efectos de, sobre la salud, 25.16, 26.1, 54.16 efectos de, sobre motilídad gastrointestinal, 25.1\ efectos de, sobre pérdida auditiva, 18.1 efectos de, sobre rendimiento humano, 24.1,24.8,24.20 efectos de, sobre respuesta pupilar del ojo, 25.10 efectos de, sobre tareas verbales, 24.16 efectos del infrasonido, 25.13 efectos del ultrasonido, 25.13 efectos fisiológicos de: corto plazo, 25.2 largo plazo, 25.14 efectos relacionados con la salud de, 25.16, 26.1,54.16 en edificios, 33.41, 43.18, SO.II, SO.20

IN DICE

encuestas, 22.2, 23.4, SO.23 engranaje (véase ruido de engranaje) escobilla (motor eléctrico), 34.4 espectro de, 2.7 evaluación de los lugares de edificación, 49.1,49.6,49.8 exposición (véase exposición al ruido; exposición sonora) exterior, SO.I flanqueo, 33.3, 33.18 flujo de agua, 45.1 flujo de aire (véase ruido aerodinámico, fuentes de) fondo (véase ruido de fondo) fondo permisible, 43.19, 54.16 fontanería, 45.5 frecuencia alta, 25.12 frecuencia de aspas, 41.5, 42.26, 44.6 generador, 34.13 helicóptero, 47.6 HVAC,42.1 impacto (véase ruido de impacto) impacto global de, 54.13 impulsivo, 18.8, 26.3, 54.18 impulso, 2.9, 25.12 inducido por el viento, 9.19 industrial, 24.18 intensidad alta, efectos fisiológicos de, 25.12 intermitente, 18.20, 24.4 locomotora, 46.8 maquinaria (véase ruido de maquinaria) martillo de agua, 45.5, 45.16 microfonía, 9.16 motor de corriente continua, 34.10 motor de inducción, 34.4 motor de reactor, 47.1 motor turboventilador, 47.2 motores eléctricos, 34.1 neutral, 43.13 nivel (véase nivel de ruido) patrones de distribución estadística, SO. 13 perfil de comienzo de reducción, 53.12 picado de la biela, 43.13 radiación de superficies vibratorias, 32.31 reacciones endocrinológicas a, 25.1 1 reactor (véase ruido de motor turboventilador; ruido de motor de reactor) reactor, 35.5 reducción (véase control del ruido; regulación del ruido y la ley) registro de, 38.13 rejilla, 42.4 respuesta de la comunidad a, 23.2

-

1.25

retrete, 45.12 rosa, 2.19 rueda, 48. lO silbido, 43.15 sistema elevado de transporte ferroviario, 46.10 sistemas de valoración, 43.2 sobrevuelo, 3.17, 3.19, 47.4 a 47.13 sobrevuelo de avión, 3.17, 3.19, 47.4 a 47.13,52.4 tiempo de muestreo, SO.25 tonal,43.14 tráfico, 3.29,11.20,48.2,48.3,48.10 transformador (véase ruido de transformador) transmitido por la estructura (véase ruido transmitido por la estructura) transporte ferroviario, 3.27, 46.1 tren, 3.27, 3.30, 46.1 tuberías, 45.7 túnel, 46.22 ventilador [véase ve'ntilador(es» vuelo supersónico, 47.7 (Véase también ruido aerodinámico, fuentes de) Ruido aerodinámico, fuentes de: aviación, 47.3 en sistemas de transporte ferroviario, 46.6 en sistemas HV AC, 42.5, 42.11, 42.15 Ruido ambiental, 1.26 correcciones por, 9.9 definiciones de, 2.19, SO. 1 mediciones de, 2. lO, SO. 1 ( Véase también ruido de fondo) Ruido de aeropuerto: adjudicación de autoridad regulatoría, 52.8 litigación, 52.3 niveles sonoros de, 47.4 a 47.13 papel de los tribunales estatales con respecto a, 52.6 papel de los tribunales federales con respecto a, 52.5 planificación de cOmpatibilidad con, 53.2 potencia regulatoría con respecto a, 52.9 responsabilidad del propietario por, 52.2 revisión de casos legales, 52.1 Ruido de autopista, 48.1 barreras para el control de, 48.15, 48.20, 48.21 cálculo de, 3.27, 11.20 descriptores, 48.2 evaluación de, 48.3 medidas para reducción del ruido, 48.15, 48.20, 48.21

1.26

1NDICE

Ruido de autopista (cont.) predicción de, 48.10 procedimientos de evaluación, 48.3 Ruido de aviación: aspectos legales de, 52.1 cálculo de los niveles de, 3.17, 47.19 consideraciones internacionales, 53.18 contornos de, 47.3, 47.18, 47.23, 54.20 control de, 47.8 molestia a la comunidad producida por, 23.2, 43.10, 49.4, 54.15 niveles estimados de, 3.17, 53.15 normas locales de ruido y, 53.16 predicción de, 3.17, 47.20 procedimientos de establecimiento de normas con respecto a, 53.18 regulación de, 53.1 regulación federal de, 52.1, 53.7 ruido de sobrevuelo, 3.17, 47.4 a 47.13, 52.2 variaciones en, 50.15 ( Véase también ruido de aeropuerto) Ruido de carretera: barreras para control de, 48.15, 48.18 de ruedas, 48.10 descriptores, 48.2, 48.1 1 efectos de, sobre lugares de edificación, 49.7 evaluación de, 48.2, 48.3, 48.11 predicción de, 3.29 (Véase también ruido de autopista) Ruido de cojinete, 34.7, 37.1, 39.10 fuentes de, 37.6 métodos para controlar, 37.11 Ruido de construcción (autopistas), 48.5 Ruido de despegue, aviación, 47.9 Ruido de equipamiento. 40.16 Ruido de engranaje. 36.3 análisis de frecuencia. 8.22. 36.22 armónicos de puntas mezcladas. 36.10. 36.13 espectro de respuesta, 36.8. 36.12 fuentes de ex.citación. 36.3 generación de. 36.3 Ruido de espiral (transformadores). 35.4 Ruido de flujo de agua. 45.1 Ruido de fondo: corrección por. 9.11 criterio para. 19.9. 43.15. 54.13 definición de. 2.19.9.9 medición de. 50.23 uso de. en oficinas. 33.39 (Véase también ruido ambiental) Ruido de frecuencia de álabe. 41.5.42.26, 44.6

Ruido de generador, 34.11 Ruido de helicóptero, 47.6 Ruido de impacto: aislamiento que aportan suelos/techos, 31.32,32.6 definición de, 2.19 efectos de, 26.7 en habitaciones. 18.8 mediciones de, 31.29. 32.4, 32.6 sobre escaleras. 33.8 sobre suelos. 32.3. 32.5, 32.22. 33.4 valoración. 32.6, 32.22 Ruido de impulso: definición. 2.19 efectos fisiológicos de, 25.12, 26.7 Ruido de locomotora, 46.8 Ruido de maquinaria: alternador, 39.24 análisis de, 38.5, 39.5 control de, 33.25, 40.1, 40.15 diagnóstico de, 38.3. 39.5,39.12 efectos sobre las personas, 38.4 listado para medidas de, 38.7 modelo de emisión de ruido, 38.4 objetivos y medidas de, 38.1 planificación de mediciones de, 38.7 procesamiento de datos de, 38.15 programa de medición de, 38.5, 39.2 recogida de datos de. 38.12 reducción de, 38.3 registro de. 38.12 selección de equipamiento para análisis de, 38.5.39.2 técnicas de medición. 38.9 Ruido de metro. 46.22 Ruido de motor (véase ruido de automóvil; ruido de maquinaria; ruido de motor turboventilador, ruido de motor de reactor) Ruido de motor de vehículo (véase ruido de automóvil; ruido de camión) Ruido de motor turborreactor, 47.1 Ruido de motor turboventilador, 47.2 Ruido de propulsor de avión, 47.4 Ruido de raíles unidos. 46.2 Ruido de reactor (véase ruido de aviación; ruido de motor turboventilador, ruido de motor de reactor) Ruido de reactor. fuente de, 35.5 Ruido de retrete. 45.12 Ruido de ruedas, 48.10 Ruido de sierna. 34.8 Ruido de tráfico de ciudad (véase ruido de tráfico)

INDICE

Ruido de transformador: control de, 35.7 espectro de, 35.2, 35.4 fuentes de, 35.5 normas, 35.6 normas de ruido para, 35.6 Ruido de tren (véase ruido y vibración de transporte ferroviario) Ruido de túnel, 46.20 Ruido de vehículo, 3.29, 11.20, 48.2, 48.6, 48.13 Ruido del núcleo, transformador, 35.2 Ruido del tráfico, 3.29,11.20,48.2,48.3, 48.10 Ruido eléctrico, efectos sobre las mediciones de, 10.21 Ruido en la comunidad: cambios temporales en, SO. 7, SO.13 características de, SO.I contenido espectral de, SO.4 criterios de, 23.12, 54.16 definición, SO. 1 descriptores de, SO.2, SO.8 instrumentos para medir, SO.24 métodos para describir, SO.2 muestreo de medidas, SO.25 permisible, 23.12,49.4,54.17 planificar una encuesta sobre, SO.23 predicción de, SO.18 respuesta a, 23.12, 54.13 sondeos de, SO.23 variabilidad de, SO. 7, SO. 1 1 variaciones especiales en, SO.18 Ruido impulsivo: criterios para, 26.7 efectos de, 18.8, 26.3, 26.8, 54.18 Ruido inducido por el viento, 9.19 (Véase también ruido aerodinámico, fuentes de) Ruido industrial, 24.18 Ruido intermitente, efectos de, sobre la audición, 18.20 Ruido laboral, regulación de, 26.7 Ruido rosa, 36.1 Ruido transiente (véase ruido de impacto, ruido de impulso; ruido impulsivo) Ruido transmitido por la estructura: aislamiento de, 32.4 atenuación de, en bifurcaciones, 32.24 control de, 32.9, 32.27 definición de, 2.15,32.1 excitación de, 32.1, 32.3 generado por ventiladores, 44.11 métodos de control de, 32.9

L

1.27

Ruido transmitido por sólidos (véase ruido transmitido por la estructura) Ruido y vibración del transporte ferroviario: a distancia de la vía, 46.2 aparatos de señalización y aviso, 46.9 cálculo de, 3.27 criterios para, 46.18 en andenes de estación, 46.22 en interiores de coche, 46.23 en vagones, 46.24 en vagones con ruedas de caucho, 46.2, 46.9 fuentes de, 46.1, 46.15 locomotoras, 46.8 medidas de, 46.14 metro, 46.22 niveles de ruido, 46.3, 46.8, 46.12, 46.20 puentes, 46.10 rueda-raíl,46.3 ruido transmitido por el suelo de, 46.16 sobre estucturas elevadas, 46.10 sobre raíles soldados, 46.2 sobre nules unidos, 46.2 técnicas de control del ruido, 46.12, 46.22 túnel, 46.22 Sabino, 2.19, 4.3 Sabino métrico, 4.3, 30.9 (Véase también sabino) Sacudida: aislamiento, 29.19, 29.31 mecánica, 2.19, 2.20, 29.19, 29.31 ondas,47.8 Sacudida mecánica, 2.19, 2.20, 29.19,29.31 SAE (véase Sociedad de Ingenieros del Automóvil (Society of Automotive Engineers) Secretaria de Defensa (Secretary of Defense), 53.5 Seguimiento: audiométrico, 22.6 de las condiciones de la maquinaria, 39.1 programas de medición para, 38.5, 39.2 tipos de sistemas de seguimiento para, 39.1 del estado de la máquina (véase seguimiento de las condiciones de la maquinaria) Sensibilidad: acelerómetro, 7.3, 7.15 axial,2.20 carga,7.15 de presión, 2.20 micrófono, 5.2

1.28

IN DICE

Sensibilidau (cunt.) transductor, 7.2, 7.14 voltaip, S.3, 7.15 Scu:.ores [véase transduclor(es») Señal: acondicionadores, 6.2, 38.5, 38.10 al azar, 8.6 análisis (véase análisis; analizadores de espectro) detección, 6.5 estacionaria, 8.16, 8.17 mejora, 8.21 muestreo, 8.6 no estacionaria, 8.19 periódica, 8.6 promedio, 6.5, 8.21, 38.15 transiente, 8.16 Señales: estacionarias, 8.13, 8.1 7 no estacionarias, 8.19 periódicas, 8.6 transientes, 8.16 SIL (véase habla, nivel de interferencia) Silenciadores, 44.13 (véase atenuadores del sonido) Símbolos, 2.22 de cantidad, 2.22 de unidad, 2.22 Sincrónico, promedio de tiempo, 8.21, 38.15, 39.21 Sistema: de seguimiento intermitente, 39.2 de seguimiento permanente, 39.2 de volumen constante, 42.2, 42.24 de volumen de aire variable, 42.2. 42.16. 42.24, 42.33 Sistemas: de aire acondicionado (véase sistemas HVAC) de aire acondicionado cubienos, 42.15. 42.17,43.1 de aire acondicionado de tejado, 42.17 de amplificación, sonido. 16.20 de calefacción, ventilación y aire acondicionado (véase HVAC) de flujo fluido. 4S.1 de fontanería, control de ruido en, 4S.I. 4S.6 de intercomunicación, 16.20 de megafonía pública, 16.20 de ponencia, 16.20 de valoración de ruido: de aviación, 47.1 1 para ruido de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HV AC), 43.2

ferroviarios elevados, 46.10 HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): atenuación precisa en, 42.26, 42.32 atenuación requerida en, 42.26 atenuadores del sonido para, 42.11 cajas mixtas para, 42.20 conducto de trabajo, 33.21, 42.7 consideraciones de diseño, 42.9, 43.14 consideraciones de espacio en el diseño de, 43.1 criterios de ruido para, 43.14 difusores para, 42.4 equipamiento de ventilación cubieno, 42.16,43.1 equipamiento de ventilación en el plenum, 42.17 equipamiento incorporado, 42.14 especificación, 43.2 plenums, absorbente del sonido, 42.20 rejillas para, 42.4 selección de ventilador para, 42.3, 42.30 sistemas de valoración, 43.2 tejado, 42.17 unidades de tratamiento del aire, 42.15 Sobreenmascaramiento,19.16 Sociedad de Ingenieros de Automóvil (Society ofAutomotive Engineers), 48.7, 48.9 Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers), IS.IO, 41.15,

44.15 método ASHRAE en conductos, 44.15 Socioacusia, 26.4 Sombra acústica. 1.10 Sonido: absorción, 2.1, 4.3, 30.1 aislamiento (véase aislamiento del sonido) aislamiento, transmitido por la estructura, 32.1 ambiental, 2.20. SO. 1 análisis (véase análisis) analizadores (véase analizadores de espectro) atenuación (véase atenuación del sonido) atenuadores (véase atenuadores del sonido) audible. 2.20 calibradores, S.19 clase de transmisión (véase clase de transmisión del sonido) coeficientes de absorción (véase coeficiente de absorción del sonido) de campo. 2.4, 14.2

1.29

INDICE

de frecuencia baja (vease infrasonido) definición de, 1.1, 2.20 difuso, 4.10., 4.14 directo, 2.20 dispersión de, 4.2 en cerramientos, 4.1, 40.9, 40.11 en habitaciones, 4.1, 4.4 encuestas, 22.2, 23.4, 50.23 energía, 2.7 escapes. 33.12, 40.12 exposición (vease exposición sonora) fuente (véase fuente sonora) generado por superficie vibratoria, 32.29 intensidad (véase intensidad del sonido) localización, 4.14,17.21,21.13 materiales absorbentes, JO. l nivel de presión [véase nivel(es) de presión sonora) nivel [véase nivel de ruido; nivel(es) sonoro(s)) pantallas [véase barreras (acústicas)) potencia (véase potencia sonora) presión (véase presión sonora) propagación (véase propagación del sonido) propiedades de. 1.2 rayo. 1.3. 2.18. 4.1. 48.19 reflejado, 4.10 reflejo [véase reflejo(s)) refracción. 2.18. 3.1 l residual. 2.20 reverberante. 4.10 ruido de autopista (véase ruido de autopista) silenciadores (véase atenuadores del sonido) sistemas. 16.13 sistemas de amplificación. 16.20 sonómetro [I'éase sonómetro(s)) trampas (véase atenuadores del sonido) transmitido por la estructura. 2.20. 32.1. 32.24 (I'éase tambien ruido transmitido por la estructura) velocidad de. 1.2 (I'ease tambien ruido) Sonio. 2.20. 17.10 Sonómetro(s), 1.17. 2.20, 5.1. 9.20 calibración de, 5.13 clasificación de precisión, 5.18 integrador pro mediador. 5.17 micrófonos para, 5.2 ponderación de frecuencia en, 5.14, 9.20 ponderación para, 5.14, 9.20 selección de, 9.20 tiempo promedio, 5.16, 9.21

uso de. 9.1 [I'ease tambien micrófono(s))

Sonoridad: contornos iguales, 17.10 definición de, 17.8 estimación de, 17.10 escala de, 17.10 para sonidos de corta duración. 17.16 procedimientos de cálculo, 17.12 STC (Véase clase de transmisión del sonido) STI (véase índice de transmisión del habla) Subenmascaramiento, 19.16 Suelo(s). acabado elástico sobre, 31.31, 32.2, 32.5 aislamiento del sonido de, 31.3 aislamiento del sonido de impacto, 31.3 aislamiento del sonido transmitido por el aire. 31.3 flotantes, 31.32, 32.18, 32.25, 33.4, 33.19, 33.25 Suelo/techo elástico, 32.25, 33.4 Sueño, efectos del ruido sobre, 24.14, 25.14 Supraarual, auricular, 2.3 Tapones, 2.21. 21.1 características de, 21.9 en combinación con auriculares, 21.13 injertados, 21.1 protección aportada por. 21.13, 21.14 rendimiento de, 21.9 semiinjertado, 21.2 Tareas verbales, efectos del ruido sobre, 24.16 Tasa(s): de descenso, 2.21, 4.9 de igual intercambio de energía, 12.7, 18.7, 23.8,26.3 de intercambio, 12.7, 18.7, 23.8,26.3 Técnicas de calibración de campo, 10.14 de transformación de Hilbert, 8.23, 38.15 Techo(s): atenuación, normalizada, JO.15. clase de atenuación, 31.3 clase de transmisión del sonido de, JO.15, 33.6 colgado. 33.31 colgado elásticamente, 32.25, 32.27 planta abierta, 33.36 suspendidos, 33.31 Temperatura: efecto de, sobre micrófonos, 9.15 gradientes, efecto sobre propagación, 3.11 inversión, 3.12 lapso, 3.1 1

1.30

INDICE

Teoría probabillstica, 23.10 Terminal con potencia de ventilador, 42.2\ Terminología, 2.\ legal,51.2 relacionada con el control del ruido, 51.2 normas, 15. Terreno, efectos de la propagación del sonido, 3.26 Tiempo: de aumento del pulso, 2.2\ de parada, 8.9 de reverberación, 2.2\, 4.9 promedio, 5.\6, 8.9,11.2,11.7 selección de, 9.2\ Tierra: absorción, 3.3 atenuación, 3.3, 48.\2 bucles, 10.2\,38.10 efecto, 3.3 factor, 3.5 reflejo, 3.3, 3.10 Toma de tierra eléctrica, 10.2\ Tono: base, 36.9 complejo, 2.2\ definición de, 2.2\ puro, 1.4, 2.2\ audiograma, 2.3, 19.2,19.4 audiómetros, 19.\ definición de, 2.2\ limitación auditiva, 19.\3 nivel medio de audición, 19.\3 Torbellino de aceite, 37.6, 37.10, 37.\8 Tráfico: análisis, 48.3 predicción de, 48.\ O Transductor( es): calibración, 5.18,10.\4,38.5 definición, 2.2\ desplazamiento, 39.3 efectos del ambiente sobre. 7.7, 7.18 electroacústico, 2.21 masa-muelle, 7.2 micrófonos [véase micrófono(s)] montaje de, 10.3 piezoeléctrico, 7.1, 7.9 preamplificador para, 38.5 referencia fija. 7.2 relación de amplificación, 7.14 resolución, 7.2 selección de, 6.9, 10.4.38.9.39.2,39.3 sensibilidad, 7.2, 7.15 sísmico, 7.2 sujeto con la mano, 10.12

velocidad,39.3 vibración, 2.2\,7.2,7.\\,10.4,10.5 [Véase también acelerómetros; transductor(es) de la vibración) de vibración: calibración de, 10.\4 definición de, 2.2\ montaje de, 10.6 selección de, 10.4 sujeto con la mano, 10.\2 tipos de, 7.2, 7.\2 Transformada de Fourier, rápida (véase análisis rápido de transformada de Fourier) Transformada discreta de Fourier, 8.10, 8.\3 Transformador: distribución, 35.\ subida/bajada, 35.\ Transmisibilidad,27.6 Transmisión (véase transmisión del sonido) de ruido, 1.28, 31.1, 32.22, 33.\ de sonido: a través de techo suspendido, 30.\ S entre habitaciones, 33.2 flanqueo, 2.21, 31.19, 33.3, 33.\7, 33.22 pérdida, 2.16, 14.\8,31.1,33.10 por flanqueo (del sonido), 2.2\,31.19,33.3, 33.\7, 33.22 Trauma acústico. 2.2, 18.\,20.4 Triboelectricidad,10.19 Tribunales federales, 52.5 TTS (I'éase desplazamiento temporal de umbral) Tuberías de agua: control del ruido irradiado por, 45.7 retraso para, 45.13 Tuberías flexibles. 28.13, 45.14 Turbulencia, corriente de aire, 42.3 TWA (véase nivel sonoro medio con ponderación temporal) TWP (véase población total ponderada) Ubicación: de aisladores de vibración, 29.20 de las mediciones. 39.4 Ultrasónico. definición de, 2.21 Ultrasonido: definición de. 2.21 efectos fisiológicos de. 25.13, 26.9 Umbral: biaural. 17.6 cambio asintótico, 18.3 campo mínimo audible (MAF), 17.4 conducción ósea, 19.1 S

1.31

INDICE

de audibilidad, 2.21, 17.4, 17.6 de audición, 2.21. 17.6, 19.1 de audición normalizado, 2.21 de cosqui1\eo, 17.5 de dolor, 2.22, 17.6 de dolor normal, 2.22, 17.6 de exposición sonora día-noche, 2.22 de exposición sonora día-larde-noche, 2.22 de inteligibilidad del habla, 2.22 de malestar, 17.6 de presión audible mínima (MAP), 17.6 de reconocimiento del habla, 19.17 de sensación de tacto, 17.6 desplazamiento permanente, 18.1, 18.2, 18.14,20.7,26.5 desplazamiento transitorio, 2.6, 17.6, 18.1, 18.2,18.14,19.11,26.3 enmascarado, 17.16 MAF,17.4 normalizado, 2.21 U nidades de tratamiento del aire, 42.15 Vagones con ruedas de caucho, 46.9 Valor: de pico a pico, 2.22, 7.3 medio de la población, 23.10 Valoración: compuesta de ruido, 2.4, 53.6 de reducción del ruido, 21.7, 21.23 Valores: de resistencia al fuego, 30.11 de tiempo medio, 9.21 Válvula de aire variable, 42.20 Valla: alta, 19.13 baja, 19.13 V:lIlas [véase barreras (acústicas)] Vanos guía, 41.2, 42.3. 44.3 Variaciones espaciales en ni veles sonoros. 4.15 Vegetación, atenuación del sonido debida a. 3.10 Velocidad: de barrido, 8.8 de escritura, 5.23, 8.8 de partículas, 1.2, 2.22, 14.2 del sonido, 1.2 Ventanas: acristalamiento doble, 31.26 acristalamiento sencillo, 31.25 acristalamiento triple, 31.27 aislamiento sonoro de, 31.25 datos, 8.12 dobles, 31.25

=

Hanning, 8.12 Ventilado~es):

abastecimiento, 42.1, 44.1 ajuste de eficiencia, 42.5 caracteristicas del rendimiento de, 41.22 caracteristicas del ruido de, 41.4, 44.7 centrifugos, 41.2, 41.6, 42.3 curvado hacia delante, 41.9 curvas de flujo de cabeza, 44.5 definición de, 41.1 directrices para la instalación de, 44.8 de retomo, 42.1 eficiencia estática de, 44.6 enchufe, 41.5, 42.16 especificaciones para ruido re, 41.15 espectros, 1.21,41.6,42.3,44.7 estimaciones de ruido generado por, 41.19 flujo axial, 41.2, 41.1 O, 44.2, 44.10 flujo mixto, 44.4 impulsor, 41.3, 41.11, 44.4 leyes, 41.20 medidas del ruido, 41.15,44.14 métodos de examen, 41.15, 44.14 nivel sonoro producido por, 41.5 niveles de potencia sonora, 41.4, 44.8, 44.9, 44.14 pequeños, 44.1 plenum, 41.5, 42.17 propulsor, 41.3, 41.11, 44.4 punto de funcionamiento, 44.5 punto de más eficiencia, 41.20, 42.3, 44.6, 44.8 radial, 41.8 retomo, 42.1 ruido aerodinámico producido por, 42.3, 44.6 ruido producido por transmitido por la estructura, 44.1 1 selección de, 41.2, 42.31, 44.8 tipos de, 41.6, 44.2 tuboaxial, 41.3, 41.11,44.2 vanoaxial, 41.3, 41.11, 42.3, 44.2 Vespertino, nivel sonoro medio, 2.15,11.14 Vía(s), 1.28, 28.5, 32.22, 33.3, 40.2 de flanqueo, 33.3, 33.19 de transmisión, 2.21, 32.22, 33.3, 33.19 ( Véase también vía) Vibración: aceleración, 2.1 aisladores (véase aisladores de la vibración) ambiente, 2.22 amortiguada,27.5 amplitud de, 27.1 análisis, 8.1, 39.2

1.32

INDICE

Vibración (cont.) caja de transmisiones, 39.7, 39.25 calibración, 10.14 camión, 11.20,26.16 conducción ósea, 19.13 conformidad variable, 37.6 criterios de tolerancia, 26.9 criterios para exposición a, 26.9 de automóvil, 26.16 de aviación, 26.16 de caja de transmisiones, 39.7, 39.24 de camión, 11.20,26.16 de cumplimiento variable, 37.6 de engranaje, espectro de, 39.19 definición de, 2.22 efectos de, sobre mediciones acústicas, 9.16 en aviación, 26.16 en edificios, 26.10 en helicópteros, 26.16 espectro, de ruido de cojinetes, 37.9 estado-estable, 27.4 forzada, 27.6 fuentes de, 28.2, 38.3 impacto ambiental de, 54.18 impacto de, 54.16 inducida acústicamente, 43.10, 43.14, 43.17 mano-brazo, 26.13 mano-herramienta, 26.16 maquinaria, 33.27. 38.9, 39.2, 39.3, 40.5, 40.15 medidor, 2.10, 6.8 montaje (véase aislante de la vibración)

motor de inducción, 39.1 S motor eléctrico, 39.15 nivel de aceleración, 2.11, 32.29 nivel,2.17 niveles aceptables de, 26.10 recogidas [véase transductor(es) de vibración] reducción de (véase control de la vibración) respuesta humana a, 26.9, 43.16 selección de localización de medidas, 10.3, 39.4 selección de parámetro de medida, 39.3 sistemas de un grado de libertad, 2.20, 27.2 tarjeta de localización de averías, 39.10 tiempo entre medidas de, 39.5 tractor, 26.16 transiente, 27.4 transmitida por el suelo, 46.15 transporte ferroviario (véase ruido' y vibración de transporte ferroviario) vehículo de transporte, 26.16 Viento, efectos de, 3.12 Vigilancia cognitiva, 24.8 Violar normas, 52.4 Voltaje: polarizador, 5.20 prepolarizador.5.8 Vuelo supersónico, 47.7

Zona de sombra, 3.12 Zonas de uso del suelo, ordenanzas, 49.4