Tema: CAPÍTULO 3: FENÓMENOS SONOROS
3.1
Directividad
3.2
Divergencia Geométrica
3.3
Absorción del aire
3.4
Reflexión
3.5
Interferencia
3.6
Absorción
3.7
Refracción
3.8
Rozamiento y calor
3.9
Transmisión
3.10
Difracción
3.11
Resonancia
Desarrollo
Cuando existe emisión
sonora por una fuente, se pueden presentar varios de los siguientes fenómenos
característicos de los movimientos ondulatorios : directividad sonora,
divergencia, Absorción del aire, reflexión, interferencia, superposición,
absorción, refracción, transformación en calor, transmisión, difracción y
percepción. En la gran mayoría de los problemas de control sonoro y de
acústica, se simplifica el estudio del campo sonoro aislando cada fenómeno y
diseñando particularmente. Esto es válido siempre y cuando las magnitudes y los
tiempos lo permitan. El conocimiento de los fenómenos permitirá al diseñador
evaluar cuales son los de mayor
importancia y eliminar los otros.
3.1 Directividad: Fenómeno que se presenta cuando la longitud de onda es pequeña con respecto a
las dimensiones de la fuente y cuando existen superficies reflectantes
cercanas, se presenta radiación del sonido en haces o fajas con
direccionalidad, lo que produce que la intensidad y presión sonora no sea igual
en diferentes puntos a la misma distancia r de la fuente.
Diferentes
intensidades para diferentes direcciones.
3.2 Divergencia Geométrica: Es
la expansión esférica de la energía acústica en un campo libre en función de la
distancia a la fuente puntual. La divergencia geométrica es una atenuación o
reducción del nivel de presión sonora al expandirse o incrementarse la
superficie de incidencia, por tanto, se
puede definir como atenuación por divergencia, Adiv, a la expresión:
Adiv = 20 log10 r + 10.9 –
A en dB Formula
3.1
Donde
r : Distancia a la fuente
en metros
A: Factor de corrección por
temperatura: A = 0.16 – 0.008 ºC
La atenuación por divergencia se conoce también como
atenuación por distancia
Como puede deducirse de la
fórmula 3.1, la atenuación por divergencia depende de la distancia a la fuente
o sitio de medida y es independiente de la frecuencia.
3.3 Absorción del aire: Se define
como absorción del aire a la transformación de parte de la energía sonora en
calor por vibración molecular. La atenuación por aire, Aaire, es directamente
proporcional a la distancia y se incrementa sustancialmente con el incremento
de la frecuencia. Depende también de la humedad relativa y de la temperatura.
La fórmula que permite calcular, la
Aaire , es:
Aaire = Ca . d /1000 en
dB Fórmula 3.2
Donde:
Ca = Coeficiente de
Atenuación aire en función de la
Temperatura y la humedad relativa, en dB/ km . Véase Tabla 3.1.
d= Distancia fuente receptor en metros.
3.4 Reflexión: Corresponde
al fenómeno de “rebote” del tren de ondas que viajan por el medio 1 y se
encuentran con la superficie límite al medio 2. Para la figura 2.1, cuando
viajando por el aire, la onda encuentra la superficie del muro con una densidad
mayor, y cuando la parte de la onda sonora que viaja dentro del muro, encuentra
la superficie límite de éste contra el espacio de aire al otro costado.
Cuando la superficie de
reflexión corresponde a un medio con una gran impedancia Z, el porcentaje de
reflexión es muy alto. Ninguna superficie es absolutamente reflectante o
absolutamente absorbente.
Se define como coeficiente
de reflexión, al cociente o relación entre la presión de la onda reflejada y la
presión de la onda incidente.
R = Pr / Pi Fórmula 3.3
Donde:
R = Coeficiente de
reflexión
Pr = Presión sonora
reflejada
Pi = Presión sonora
incidente
Es claro que el valor
matemático de R puede variar entre 0 para superficies “completamente
absorbentes” y 1.00 para superficies “completamente reflectantes”.
< Reflexión = < Incidencia Fórmula 3a.
Con éste principio general de los fenómenos ondulatorios, se puede trasladar la reflexión al sitio que deseemos, por ejemplo hacia zonas distantes de la fuente sonora, incrementando la intensidad total del sonido en el receptor. Es muy importante tener en cuenta que la onda reflejada no puede llegar en más de 100 milésimas de segundo (100ms) desplazada con respecto al rayo directo, pues genera en el cerebro del receptor una segunda fuente desplazada. Dicha variación o tiempo de retardo, varía con la frecuencia y el tipo de onda sonora. Este tema se estudiará más adelante en el diseño de espacios abiertos (eco) y en el de espacios cerrados (reverberación).
3.5 Interferencia
sonora: Se define como interferencia sónica, al fenómeno
de superposición de las ondas del sonido debido a la presencia de varias
fuentes o a la superposición de la onda original con su reflexión o
reflexiones.
El principio de
superposición dice: “Cuando dos o más
ondas interfieren en un medio, la elongación de la onda resultante en cada
punto, es la suma algebraica de las elongaciones de cada una de las ondas
presentes.”
Supongamos que dos fuentes
producen simultáneamente ondas circulares idénticas, conformadas por crestas
(sobre presiones, línea continua) y
valles (sub presiones, línea punteada). Cuando las ondas avanzan, los puntos en
los cuales se cruzan se identifican con puntos. Los puntos negros, donde se
superponen dos crestas o sobre presiones, un círculo blanco, donde se
superponen dos valles o sub presiones y los puntos blanco y negro, donde se
superponen sobre presiones y sub presiones (cresta y valle). Los puntos blancos
o negros, las ondas llegan en fase, dando lugar a una mayor amplitud o valor
absoluto de la presión sonora lo que se denomina interferencia constructiva.
Los puntos mitad negro y mitad blanco presentan interferencia destructiva,
reduciendo o anulando el valor de la presión dependiendo del desfase.
A las líneas imaginarias
que unen los puntos de interferencia destructiva, se las denomina líneas
nodales y a las que unen los puntos de interferencia constructiva, líneas
antinodales.
Éste fenómeno toma relevancia en el diseño de silenciadores "reactivos" utilizados para los motores de combustión.
Ondas estacionarias: Se
generan cuando hay superposición entre ondas idénticas o con su reflexión,
generando puntos nodales y antinodales que no varían su posición con el tiempo.
En cuerdas se ven los nodos y antinodos, pero no hay desplazamiento aparente. Para que se presenten ondas estacionarias se
deben cumplir condiciones de geometría, tipos de superficies y frecuencias.
En sentido práctico se
busca que la interferencia de las ondas de sonido, sea:
-
Destructiva, para que haya atenuación de ruido
molesto.
-
Constructiva, para que haya refuerzo de la
intensidad o nivel de presión sonora en por ejemplo auditorios, conchas
acústicas, teatros, sin que se presente pérdida de la “claridad” o calidad del
sonido.
3.6 Absorción: Se define como absorción a la
parte de la energía acústica que no es reflejada y que se transforma en
vibración y transmisión de la superficie y en calor. En la figura 3.1, numeral 6.
El coeficiente de
absorción es por tanto, el complemento del de reflexión,
Abs = 1 – R Fórmula
3.4
Abs = ( Pi – Pr ) /
Pi = PAbs / Pi Fórmula 3.5
Los materiales que tienen
una alta absorción acústica se denominan Materiales absorbentes acústicos o
simplemente materiales acústicos. Están conformados por materiales porosos con
los poros interconectados que permitan a las moléculas de aire vibrar y
trasladar dicha vibración a las fibras, celdas o gránulos que lo conforman,
transformando en últimas ésta vibración en calor. La fricción actúa como una
resistencia acústica cuyo valor depende fundamentalmente de la resistencia del material
al flujo directo.
Si la resistencia al flujo
es muy alta, materiales poco porosos o muy densos, la onda sonora no puede
penetrar fácilmente; si el material es muy blando, la baja densidad o alta
porosidad no permite transformar la suficiente energía en calor por fricción.
Hay también una transformación de energía sonora o de vibración en movimiento del material flexible, lo que produce una reducción en la energía reflejada y por tanto se puede considerar como absorción sonora. Este proceso produce reducciones inferiores a las de la absorción propiamente dicha, pero cubre la ineficiencia de la absorción por porosidad de las bajas frecuencias.
También es claro que el
espesor del material o superficie absorbente tiene una gran incidencia en el
coeficiente de absorción, aunque los grandes incrementos se producen en los incrementos de pequeños espesores, es decir para grandes espesores (superiores a 4"), un incremento de 1", produce muy leves "mejorías" en los coeficientes.
Para hallar los
coeficientes de absorción sonora de un material en función de la frecuencia, se
utiliza el método de la “Cámara reverberante”, en donde se analiza el efecto de
colocar una muestra de una medida normalizada,
sobre la presión sonora. Véase el capítulo “Absorción sonora”. Como es un método indirecto, se pueden
obtener valores mayores que 1.00, que contradicen la definición del coeficiente
de absorción. Las Figuras 2.3 y 2.4, muestran dos curvas de coeficientes de
absorción típicas, en función de las frecuencias.
Por ser un tema de suma importancia en el diseño acústico de espacios cerrados, le dedicaremos un capítulo a tratarlo.
3.7 Refracción:
Fenómeno que se presenta en la onda sonora cuando pasa de un medio de un medio
de transmisión a otro de diferentes densidades. Por dicho cambio de densidad la
onda sonora sufre:
- Cambio en la dirección
de desplazamiento del frente sonoro
- Cambio en la velocidad
de desplazamiento de la onda.
3.8 Rozamiento y calor
: Similar a la pérdida por aire, al ingresar la onda a un medio sólido o
líquido, sufre pérdidas de intensidad sonora por rozamiento y su posterior
transformación en calor.
.
Debido a la refracción en medios sólidos, se generan ondas longitudinales y
transversales que transmiten el sonido por vía “Sólida”, a todos los elementos en contacto.
1- Este tipo de
transmisión de ondas vibratorias es típico de losas con motores vibrando,
anclados o mal aislados, las cuales transmiten las ondas a las estructuras de
apoyo o contacto como columnas y muros inferiores. El recorrido de la onda sonora en el medio
sólido, es más rápido, más grave y menos
atenuado que en el medio aéreo inicial.
3.9 Transmisión: También conocida como
“Transmitancia” y se refiere a la cantidad de energía sonora que se transmite a
la otra cara de la pared o división cuando al vibrar la cara opuesta a la
fuente hace vibrar las moléculas de aire en contacto generándose ondas de
sonido.
De acuerdo a la ley de
conservación de la energía, tendemos:
Lp (Fuente) =
Lp(transmitido) + Pérdida por pared Fórmula
3.6
Si llamamos :
Lp (Fuente): Lp(F)
Lp(Transmitido): Lp(T)
Pérdida por pared : TL
Y despejando de la
ecuación 3.6, tendremos:
TL = Lp(F) – Lp(T)
Fórmula 3.7
El valor de TL ó pérdida
de transmisión por muros o divisiones, se puede hallar por dos formas:
1)
Calculado de acuerdo a las características
de los materiales que lo conforman, su espesor, densidad, rigidez, etc., y mediante fórmulas semi - empíricas.
2)
Por medio de tablas con valores
obtenidos por ensayos de laboratorio.
Para cualquiera de ambas
alternativas, el nivel de sonido transmitido al otro ambiente será por tanto:
Lp (T) = Lp(F) – TL Fórmula
3.8
Es decir, al nivel de la
fuente (conocido) se le resta la pérdida por transmisión, obteniéndose el nivel
sonoro en el “otro” ambiente.
3.10 Difracción: Se define como difracción
al fenómeno de “doblamiento” y cambio de dirección de las ondas sonoras cuando
encuentran un obstáculo de dimensiones pequeñas con respecto a la longitud de
la onda. Cuando la onda llega al borde del obstáculo parte de la onda, sigue
propagándose sin alteración y parte se dobla alrededor de éste. El resultado es
que detrás del obstáculo se genera una sombra acústica, que depende de la
longitud de la onda y de las dimensiones del obstáculo.
Es muy común el uso de
barreras u obstáculos sólidos al sonido, en carreteras, en zonas de recreación, en industria, en
aeropuertos. Pueden ser construidas como
barreras en muros o diques de tierra, o “ya existentes” como edificios y casas.
La pérdida por barrera
(difracción) depende de las frecuencias, a mayor frecuencia, menor longitud de
onda y mayor atenuación y de las relaciones de distancias entre la fuente, el
receptor y la altura del muro.
3.11 Resonancia: Fenómeno en el que un sistema
mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada que
coincide con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima.
Cuando una onda sonora
choca contra una superficie, incide sobre esta una fuerza resultado de la
presión sonora. La frecuencia de la onda sónica que coincide con la de
vibración natural de la división, se denomina frecuencia de coincidencia o
frecuencia crítica, Fc, y en dicha
frecuencia, la división vibra en mayor intensidad que en las otras frecuencias,
produciéndose por tanto una mayor transmisión sonora al otro costado. Las
vibraciones cuya frecuencia no es la natural tienden a amortiguarse
rápidamente.
Para impedir que una
estructura resuene a una frecuencia determinada suele cambiarse su rigidez o su
masa. El aumento de la flexibilidad aumenta la frecuencia natural, el aumento
de la rigidez disminuye la frecuencia natural o crítica, también el aumento de
la masa la disminuye.
Cada uno de éstos fenómenos sonoros, serán tratados más adelante, en función de su importancia en el análisis acústico del espacio: abierto, cerrado o semi-cerrado.
