Acustica Final

5/11/2018 Acustica Final - slidepdf.com

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Investigación realizada por: César Ávila

Presentado a: David …….

Fundamentos de Acústica

Pontificia Universidad Javeriana

Carrera de Estudios Musicales.

Bogotá, Noviembre 23 de 2011

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Introducción

Se realizó una completa exploración en el campo de la absorción acústica con elfin de recoger información relevante para mejorar problemas acústicos de unestudio de grabación semi-casero, mediante la implementación de absorbentesacústicos, específicamente resonadores.

Los resultados conseguidos serán descritos a lo largo del escrito de una maneradidáctica, organizada y concisa.Luego de lograr obtener una claridad en el tema se dispondrá de las matemáticaspara realizar los cálculos necesarios y por último se ejecutara la toma dedecisiones en lo que respecta a materiales, dimensiones, posicionamientos ydemás cosas relevantes a la hora de hacer y/o escoger y colocar los nuevosabsorbentes que acompañaran el estudio.

El uso de imágenes, gráficas y cuadros será parte esencial a lo largo del escritopara proporcionar un entendimiento más claro al lector.



Resultados de la investigación

Antes que nada vale la pena recordar que dentro de una habitación disponemostanto de sonido directo como de sonido reflejado, este se da debido a las

diferentes superficies y elementos que hay en la sala. Obviamente, nos llega antesel primero que el segundo.Al primero se le conoce como campo directo y al segundo como camporeverberante. El sonido proveniente de las reflexiones (que está retardado ymodificado en cada una de ellas) se suma con el sonido directo, modificándoloprofundamente. Entonces en las frecuencias e instantes de tiempo coincidentes seproducirán sumas coherentes o "realces" y en las demás, sumas incoherentes o"atenuaciones", pudiéndose incluso producir cancelaciones perfectas.

Ahora bien ese sonido rebota en ciertas clases de superficies:

Reflectantes: Son los materiales lisos, rígidos y pulidos como por ejemplo,cemento, baldosas, vidrio, etc.). La energía del sonido reflejado es casi tanfuerte como la del incidente en dicha superficie.

Absorbentes y resonadores: Son los materiales porosos y blandos. Porejemplo, sofás, alfombras, sillas, personas... La energía del sonido reflejadoes muy pequeña como la del incidente. Este será el tema en el que nosenfocaremos, y más particularmente en los resonadores.

Difusoras: Son los materiales rígidos pero rugosos y de superficie irregular.El ejemplo más típico y común es una estantería.

Dentro de los materiales absorbentes podemos tener de espectro ancho y de unafrecuencia concreta. Este último caso, se le conoce como resonadores.

Como bien sabemos las frecuencias bajas tienen longitudes de onda mucho másgrandes que las frecuencias altas, por lo que se hace más difícil controlar dichorango de frecuencias por medio de simples absorbentes como por ejemplo, elañadimiento materiales porosos , sin embargo estos solamente actúan enfrecuencias medias y altas, pero en cambio son muy pobres en frecuencias bajasdebido a que el espesor del panel debería ser comparable a la longitud de la ondade sonido, y se requerirían paneles extremadamente gruesos para la absorción defrecuencias bajas. Por este motivo es que deben usarse paneles resonantes.

Estos resultados investigativos no arriban directamente a los materialesabsorbentes (Resonadores) ya que es difícil hablar de ellos sin antes abordar unaserie de temas intrínsecos y esenciales que no podían quedar por fuera de estaexploración



¿Qué efecto producen las superficies?

Cuando el sonido impacta sobre una superficie, parte de su energía es reflejada,

parte es absorbida y parte es transmitida a través de ella

E absorbida = E disipada + E trasmitida

¿Qué es absorción sonora?

Llamamos absorción del sonido, a la propiedad de los materiales, estructuras yobjetos, de convertir energía sonora en calor.

Este efecto puede producirse por propagación en el medio, o por disipacióncuando el sonido incide sobre su superficie.

¿Qué efectos tiene la acción del sonido S, incidente sobre la pared?

Tres efectos:

Una parte se reflejará en la dirección de A.

Otra, se disipará en el aire en forma de calor (E), efecto éste más apreciable enaltas frecuencias.



El resto del sonido penetrará el material, cambiando su dirección, por tratarse deuno más denso, y disipando parte de su energía nuevamente en calor (F).

Si queremos construir un panel que absorba un espectro ancho de frecuencias,normalmente recurriríamos a materiales porosos como la espuma, lana de roca ofibra de vidrio. Su grosor, geometría y densidad dictan el espectro exacto queabsorbe, dado que, por supuesto, no hay una constancia a todas las frecuencias.Así que normalmente se habla de algo muy importante, el coeficiente de

absorción, que varía con la frecuencia, resultado de dividir la energía reflejada

por la energía incidente (por tanto, es un número entre 0 y 1).

Más en detalle ¿qué es el coeficiente de absorción?

El coeficiente de absorción de un sonido, es la medida de la eficiencia de unasuperficie en absorberlo.

Podemos decir que el campo reverberante dentro de un recinto depende de larelación entre la energía incidente y la energía absorbida en cada una de las

reflexiones.Esta relación es un coeficiente llamado coeficiente de absorción, que se expresacomo:

= Eabs / Einc

Dónde:

S

A

E

F



Eabs = Energía absorbida por el material.

Einc = Energía incidente sobre el material.

El coeficiente expresa la energía absorbida por unidad de área del material,variando su valor con la frecuencia y su valor máximo es uno (1)

Es posible conseguir un factor superior a 1 si se tiene en cuenta la absorción enlos laterales del material, dado que el coeficiente de absorción se calcula porunidad de superficie.

Se especifican en unidades de absorción por metro cuadrado las frecuencias de125, 250, 500, 1000, 2000 y 4000 Hz.

Si el 55% del sonido incidente es absorbido, se dice que el coeficiente deabsorción es de 0.55 y un metro cuadrado de este material da 0.55 unidades deabsorción.

Una ventana abierta es un absorbente perfecto, dado que el sonido atraviesa lamisma y no retorna, lo que le daría un coeficiente igual a 1. Diez metroscuadrados de ventana abierta dan 10 unidades de absorción

Tabla de coeficientes de Absorción



¿Cómo se evalúan los coeficientes de absorción?

La determinación de los coeficientes de absorción α se obtienen mediante

ensayos de laboratorio (cámara reverberante), según un procedimientohomologado (norma ISO 354 / UNE-EN 20354).

Dicho laboratorio es asimétrico, presenta unas superficies límite revestidas conmateriales totalmente reflectantes y dispone de un conjunto de elementosconvexos suspendidos del techo con una orientación y distribución completamenteirregulares, cuya misión es la de crear un campo sonoro difuso.

Coeficiente de reducción acústica NRC

En ocasiones, en lugar de hacer uso de todos los valores de los coeficientes deabsorción por bandas de frecuencias, el grado de absorción acústica de unmaterial absorbente se indica con un único coeficiente, denominado “coeficiente

de reducción acústica” NRC (“Noise Reduction Coefficient”), se define como lamedia aritmética de los coeficientes de absorción correspondientes a las bandascentradas en 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz y 2 kHz:



Aunque puede resultar útil para hacerse una idea rápida del grado de absorciónque se puede esperar del material, realmente no define el comportamiento de éste

(materiales con el mismo NRC pueden comportarse de maneras muy diferentes.

Con un mismo NRC, el material A resultaría adecuado para tratar altasfrecuencias, y el B para bajas.

Los Materiales

Los materiales absorbentes, son materiales porosos, constituidos por una

estructura que configura una elevada cantidad de intersticios o poros,comunicados entre sí.

El aire que ocupa los poros entra en movimiento; produciéndose unas pérdidas deenergía por el rozamiento de las partículas con el esqueleto, que se transforma encalor.



¿Cuáles son los principales materiales y elementos absorbentes?

En un recinto, la reducción de la energía asociada a las ondas sonoras, tanto ensu propagación a través del aire como cuando inciden sobre sus superficies límite,es determinante en la calidad acústica final del mismo.

• El público y las sillas

• Los materiales absorbentes y/o los absorbentes selectivos (resonadores),

• Todas aquellas superficies límite de la sala, susceptibles de entrar envibración (como, por ejemplo, puertas, ventanas y paredes separadorasligeras).

• El aire

• Los materiales rígidos y no porosos utilizados en la construcción de lasparedes y techo del recinto (como, por ejemplo, el hormigón).

¿Cuáles son los objetivos de los materiales y elementos absorbentes?

Los materiales absorbentes se utilizan generalmente para conseguir uno de lossiguientes objetivos:

• Obtención de los tiempos de reverberación más adecuados en función de la

actividad (o actividades) a la cual se haya previsto destinar el espacioobjeto de diseño.

• Prevenir, disminuir o eliminar problemas modales y ecos

• Reducción del nivel de campo reverberante en espacios ruidosos(restaurantes, fábricas, estaciones, etc.)



El mencionado mecanismo de absorción del sonido es propio de todos losmateriales porosos, siempre y cuando los poros sean accesibles desde el exterior

No obstante, los espesores de capa que normalmente se utilizan es muy limitada,por problemas de espacio y costo. Por lo tanto la absorción acústica conmateriales porosos es muy elevada a las altas frecuencias y limitada a las bajas.

Los materiales absorbentes comerciales de este tipo se manufacturanbásicamente a partir de:

• Lana de vidrio

• Lana mineral

• Espuma a base de resina de melamina

• Espuma de poliuretano



¿Qué es la fibra de vidrio?

La fibra de vidrio es un producto natural, inorgánico y mineral. La fibra de vidrio esun material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza deagujeros muy finos y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado

como fibra.

Básicamente existen tres tipos de fibras de vidrio: Una densa, usada, por ejemplo,para soportar pisos flotantes, otra en rollo que se aplica habitualmente entreparedes, a efectos de realizar aislaciones térmicas y acústicas comúnmente usadaen la construcción y otra en forma de paneles prensados semirrígidos

Esta última es una de los materiales más usados en tratamientos acústicos.Puesto que son de mayor densidad que los rollos de fibras para la construcción.

Comúnmente estos paneles, que son excelentes absorbentes de sonido, nosuelen ser muy agradables a la vista, por lo que es necesario pintarlos o cubrirlos,normalmente con tela.



¿Qué materiales existenen el comercio colombiano?

Acoustic Block – Fibra de vidrio

Black Theater – Lana de vidrio



Duracustic – Fibra de vidrio y PVC



Fiber Sound – Fibra de vidrio y Poliuretano gris

Frescasa – Fibra de vidrio



Dependiendo del espesor del material, la variación de la absorción se ve

afectada:

Consideremos como ejemplo un material situado sobre una pared rígida, elespesor del material absorbente se denomina D, al aumentar dicho espesortambién aumenta la absorción que produce, especialmente a frecuencias bajas ymedias.

La absorción es baja a todas aquellas frecuencias para las que se cumpla lasiguiente condición:

D = espesor del material

λ ’= la longitud de onda del sonido dentro el material

El hecho de que la pared sea rígida obliga a que las partículas de aire situadas en

sus inmediaciones no se muevan, es decir, a que su velocidad sea nula. Al serdicha velocidad tan baja en todos los puntos del material absorbente, la fricción delas partículas de aire con las paredes de los del material es reducida y, enconsecuencia, la transformación de energía sonora en energía calorífica esmínima.



Si el espesor del material “D” coincide con λ’/4 la absorción del material serámáxima para esa frecuencia, puesto que la velocidad “u” será máxima también

A medida que aumenta el espesor “D” aumenta la velocidad “u” dentro del

material, por lo tanto la energía disipada se verá incrementada y así mismo laabsorción sonora.

Cuanto mayor sea el grosor del material, mayor será el número de frecuenciascuyo λ’/4 se sitúa “dentro” del material, aumentando por tanto el ancho de banda de absorción hacia las frecuencias medias.

Otra forma de justificar el aumento de absorción con el espesor consiste en tenerpresente que el camino recorrido por la onda sonora en el interior del material demayor grosor es también mayor.



El coeficiente de absorción oscila de forma periódica entre un valor máximo y otromínimo, en función de la frecuencia. Los valores máximos tendrán lugar a todasaquellas frecuencias para las cuales el espesor D del material sea igual a λ’/4, o aun múltiplo impar de λ’/4.

La absorción también varía en función a la porosidad:

La porosidad, φ, (adimensional): es la fracción de volumen del material ocupada

por aire. Vfluido es el volumen de aire (que no está encerrado dentro de las celdasdel material) y Vmaterial es el volumen total del material poroso. La porosidad sedefine como:



Supongamos que se hace incidir un campo sonoro sobre un paquete de algodón,las fibras, debido a la presencia de otras fibras que limitan sus movimientos,

comenzarán a vibrar en forma limitada, por lo que generarán calor. El sonidopasará a través de ellas, dado que son muy delgadas, para encontrarse con másfibras, donde sucederá lo mismo. En el avance, irá perdiendo energía, que se hatransformado en calor. Si las fibras se hayan muy separadas, no existirá suficientefricción y por lo tanto no podrán convertir el movimiento en calor.

Por el contrario, si están muy apretadas, no tendrán suficiente espacio para vibrar.

Variación de la absorción en función de la densidad

Si la densidad del material es baja, existen pocas pérdidas por fricción y, enconsecuencia, la absorción es pequeña. A medida que la densidad vaaumentando, se produce un incremento progresivo de absorción hasta llegar a unvalor límite, a partir del cual la absorción disminuye, debido a que existe unamenor penetración de la onda sonora en el material, es decir, una mayor reflexiónde energía.



La recomendación para materiales utilizados en el acondicionamiento acústico es

que su densidad esta situada entre, aproximadamente, 40 y 70 Kg/m3, nodebiéndose superar en ningún caso los 100 Kg/m3.

¿El Icopor como material absorbente?:

Si pretendemos obtener coeficientes de absorción elevados a bajas frecuencias,no es imprescindible hacer uso de materiales muy gruesos. Basta utilizar unmaterial con un espesor de la pared rígida

Esto es una forma económica de mejorarla, aunque tiene sus limitaciones.

Variación de la absorción en función de

la distancia del material a la pared

En la figura se muestra elcomportamiento de un material de 1", alque se le aleja de la pared desde cerohasta tres pulgadas



En la siguiente imagen se observar que al separar 3" de la pared, una lana devidrio de 1“ de espesor, su comportamiento es muy similar al de una lana de vidrio

de 2" montado directamente sobre la pared.

Los materiales acústicos absorbentes pueden ser colocados separados de lapared o cielorrasos a ¼ de longitud de onda de la frecuencia más baja a serabsorbida.

A ¼ , el movimiento molecular del aire es máximo, por lo que el campo reflejadopor la pared es rápidamente absorbido, convirtiéndose en calor al pasar a travésdel material.



Dicha mejora se ve contrarrestada por una disminución de absorción a frecuenciasmás elevadas.

Según se observa, con el segundo sistema de montaje es posible obtener uncoeficiente de absorción de 0,95 a la frecuencia de 500 Hz, mientras que con el

primero dicho valor no se alcanza hasta los 2 kHz.

Variación de la absorción en función de la forma del material

Desde hace varios años, la arquitectura ha incorporado la espuma de poliuretano

en diversas construcciones incluyendo estudios de grabación y salas de radio.El Sonex es una de las marcas más conocidas y su forma recuerda losrevestimientos de las cámaras anecoicas. Su aplicación se realiza directamentesobre la pared a tratar, mediante cemento o broches.Si comparamos el rendimiento de un panel Sonex ® de 2” con el de un panel de 2"de lana de vidrio, veremos que el último es acústicamente superior.

Esto se debe a dos cosas:



El espesor del Sonex ® de 2” es, en realidad, el promedio de una superficieirregular, por lo que será mucho menor, mientras que el panel de 2”, mantiene elmismo, en forma constante.El panel de fibra tiene una densidad de (47kg/m3), mientras que el Sonex ® es de

(36kg/m3

).

Por otro lado, en la comparación directa de sus cualidades acústicas, debemostener en cuenta que el Sonex ® es un material terminado y listo para montar,mientras que los paneles de fibra necesitan infraestructura de montaje.

Estos materiales pueden ser potencialmente peligrosos, particularmente bajo laacción del fuego, dada su facilidad de combustión y emisión de gases tóxicos, porlo que al adquirirlos, deberá verificarse su calidad de material ignífugo y no emisorde gases que afecten a la salud.

Techos absorbentes



En aquellos recintos donde no existe suficiente superficie disponible para elmontaje de la cantidad de material absorbente necesaria, se suele recurrir a lautilización de materiales absorbentes suspendidos del techo.

Dichos materiales se suelen utilizar en espacios de dimensiones medias o

grandes, como por ejemplo, comedores, talleres, fábricas y polideportivos

Techos absorbentes

Materiales en el comercio colombiano (Plafon – Lana de vidrio):



Elementos absorbentes selectivos (resonadores)

El comportamiento de los materiales simples no es adecuado para absorber lasbajas frecuencias originadas por los modos de un recinto, por lo que se deberecurrir a otro tipo de elementos .

Entre los varios sistemas posibles, en este curso se analiza el funcionamiento de:

• De membrana o diafragmático

• Simple de cavidad (Helmholtz)

• Múltiple de cavidad (Helmholtz) a base de paneles perforados o ranurados

Resonador de membrana o diafragmático

Está formado por un panel de un material no poroso y flexible fijado de susextremos, como por ejemplo la madera, montado a una cierta distancia de unapared rígida con objeto de dejar una cavidad cerrada de aire entre ambassuperficies.

En su forma más elemental, un absorbente diafragmático consiste en diafragmaque vibra, en respuesta auna excitación sonora.Las fibras, al flexionar,absorben parte de la

energía, disipándola enforma de calor.

Resonador de membrana o diafragmático

La amplitud de dicha vibración depende principalmente de la frecuencia del sonidoy es máxima a la frecuencia de resonancia.



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