Casetas y Barreras Acusticas (MGA)

Facultad de Arquitectura

MAESTRÌA EN IMPACTOS AMBIENTALES

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL



Universidad de Guayaquil

Facultad de Ingeniería Química

Maestría en Gestión Ambiental

Ing. Eduardo Orcés P Maestría en Gestión Ambiental 2014

CASETAS Y BARRERAS ACÚSTICAS

1. Casetas Acústicas

Las casetas o cabinas acústicas son un método de controlar el ruido producido por una

máquina, cubriéndola en forma total ó parcial. Si la cobertura es total, la caseta puede ser

grande ó pequeña, dependiendo de si la fuente sonora ocupa una porción pequeña ó

grande del volumen cubierto. Además, se pueden usar casetas para proteger a personas

del ruido ambiental.

No se debe encapsular más de lo que sea necesario. Por ejemplo, si la fuente de ruido es

una caja de engranajes, solo ésta debe ser cubierta. Las paredes de las casetas deben ser

construidas de materiales que provean atenuación, absorción y amortiguamiento, como se

verá después. Cualquier pequeña abertura ó fisura en la estructura puede afectar

substancialmente el aislamiento acústico de la caseta. Por lo tanto, todas las posibles

aberturas que tenga la caseta deben ser cuidadosamente selladas.

Asumiremos que la máquina cubierta no ocupa más de la tercera parte del volumen total

cubierto por la caseta. Además, asumimos que en condiciones de equilibrio, toda la

potencia acústica W, generada por la fuente, es absorbida por las paredes de la caseta.

Dentro de la caseta se produce un campo reverberante, además del campo directo

producido por la fuente. El nivel de presión sonora se lo puede estimar usando la

ecuación:

dBRr

QLL wp ,

4

4log10

21

Donde el subíndice 1 se refiere a las condiciones dentro de la caseta. Esta ecuación se

debe usar a distancias mayores a ½ longitud de onda medidas desde las superficies de la

máquina ó de la caseta.

El campo sonoro exterior Lp2, cercano a las paredes externas de la caseta consta de dos

componentes. Una componente debida al campo interno reverberante y otra debido al

campo directo de la fuente.

La reducción del ruido producida por una caseta se la puede estimar por un método

energético aproximado. Considerando un pequeño volumen V cerca de las paredes de la










caseta, tanto por dentro como por fuera de la misma, se puede calcular las

correspondientes densidades de energía.

1 = W / V , 2 = W2 / V

pero, W2 = W, 2 = 1

p22 = p1

2 Lp2 = Lp1 – TL NR = TL

Esta es una aproximación razonable. Sin embargo, hay que recordar que Lp1 es medida

con la caseta instalada. Por lo tanto, si al colocar la caseta, Lp1 aumenta, también lo hará

Lp2. Por esta razón, es más conveniente definir la pérdida por inserción (IL), la cual

compara el ruido producido con y sin la caseta instalada.

Ejercicio 1: El nivel de presión sonora dentro de una caseta acústica es 120 dB. La TL

de las paredes de la caseta es 22 dB. ¿Cuál es el nivel de presión sonora en el exterior

cerca de la pared de la caseta? Asuma un campo libre exterior, y que NR = TL. [98 dB]

Ejercicio 2: Una máquina situada en un cuarto muy grande produce una potencia

acústica de 2 W. Se colocó una caseta de 4.5 x 4.5 x 3.7 m cubriendo a la máquina. El

coeficiente promedio interno de absorción de la caseta es 0.65. Justo fuera de la caseta, el

nivel de presión sonora es 87 dB. Se encontró que dentro de la caseta el campo acústico

es casi totalmente reverberante. ¿Cuál es la reducción del ruido producida por la caseta?

¿Cuál es la pérdida por transmisión de las paredes de la caseta?

La pérdida por inserción IL, se define en un punto 3 alejado de la superficie exterior de la

caseta por:

IL = Lp3 – L’p3

Donde: Lp3 = Nivel de presión sonora sin la caseta instalada

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

Rr

QLwLp

4

4log10

23

Rr

QLwpL

4

4log10

2

'

23

'










donde: Lw = Nivel de potencia sonora de la fuente

Lw2 = Nivel de potencia sonora de la fuente cubierta con la caseta

Q = Q’ (Se asume que la caseta no afecta la directividad de la fuente

Una aproximación que se usa a menudo es asumir 1 <<1, con lo que se obtiene:

1

1log10IL

donde: 111

Los dos casos límite de la esta ecuación son:

(a) 11 , entonces IL = 0.

(b) 11 entonces IL = 10 log ( 1/ 1) = TL

El primer caso es el peor posible, y el segundo el mejor para la IL. En la práctica, se

desea mantener 1 tan cerca a 1 como sea posible, y 1 mucho menor que 1.

Ejercicio 3: El nivel de presión sonora en un punto, debido a cierta máquina, es 126 dB.

Al colocar una caseta sobre la máquina, el nivel de presión en el exterior de la caseta se

reduce a 106 dB. La pérdida por transmisión es 22 dB. ¿Cuál es el coeficiente promedio

de absorción de la caseta?

Ejercicio 4: La vista de planta muestra dos cuartos 1 y 2, los cuales tienen coeficientes

promedio de absorción de 0.1 y 0.02, respectivamente, en la banda de octavas de 1 kHz.

Además, la pared y la puerta (0.9 x 2.1 m) que separan los dos cuartos tienen pérdidas por

transmisión de 20 y 25 dB, respectivamente, en la banda de 1 kHz. La puerta fue

instalada con una rendija de 25.4 mm en su parte inferior. Una máquina, la cual genera un

nivel de potencia sonora de 125 dB en la banda de 1 kHz, está situada en el punto A del

cuarto 1, de tal manera que produce un campo sonoro virtualmente uniforme sobre la

pared de separación entre los dos cuartos. Calcule el nivel de presión sonora en el punto

B en el cuarto 2. [ 111 dB ]










3 m

C

3 m

6 m

9 m

Ejercicio 5: Una máquina que emite 4 W de potencia acústica en la banda de octavas de

1 Khz. está cubierta por una caseta de 3 x 3 x 3 m con un coeficiente de absorción

promedio de 0.5 en la misma banda. La máquina está dentro de un cuarto de 30 x 20 m

con un tumbado de 10 m, y un coeficiente promedio de absorción de 0.2 en la banda de 1

kHz. El nivel de presión sonora a 18 m de la máquina encapsulada es 60 dB. Determine

el coeficiente promedio de transmisión en la banda de 1 kHz. [ 2.6 x 10-5

]

Ejercicio 6: Se debe diseñar una caseta acústica con una IL de 36 dB en la banda de

octavas de 2 kHz; el material utilizado tiene un coeficiente de transmisión de 0.0002 en

esta banda. Determine el coeficiente promedio de absorción requerido dentro de la caseta.

Cuarto 2

4.6 m . B

Tumbado: 3.7 m

Cuarto 1

A










Si el cuarto donde se va a colocar la caseta acústica es muy grande en comparación con la

caseta, se puede usar el siguiente método aproximado, el cual da resultados con un

margen de precisión de unos 10 dB.

Se hacen las estimaciones solo en base a la absorción y la TL de las superficies de la

caseta. Si las paredes y techo de la caseta no existieran, su coeficiente de absorción

sería 1. Una vez colocadas las paredes y techo, su absorción promedio es 11S . Entonces,

el incremento en el nivel de presión reverberante dentro de la caseta es

11

1 log10S

AL o

p

Si la pérdida por transmisión es 1

1log10TL entonces el Lp2 fuera de la caseta es

Lp2 = Lp1 – TL.

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

o

f

pA

AL log10'

.

Ejemplo: El nivel sonoro cerca de una máquina cepilladora de madera es 96 dBA en la

banda de 500 Hz. Se propone recubrirla con una caseta acústica de 16 x 32 x 12 pies de

alto. Se hará de plywood de ½” con tirantes de madera de 1.5” x 3.5”. En las paredes los

tirantes tendrán una separación de 24” entre centros. El techo se reforzará con tirantes

con separación de 12”. Habrá dos aberturas de 2’ x 3 ‘ cada una, para introducir y sacar

los tablones de madera a ser cepillados. ¿Se puede obtener 80 dBA @ 500 Hz en el

exterior cerca de la caseta? ¿Cerca de las aberturas? ¿Qué efecto tendrá un recubrimiento

de 3” de material aislante térmico?










Caseta (12’ alto)

Salida de

16’ material

32’

Solución: Puesto que muchos detalles importantes no se consideran (ventilación,

información sobre puertas y ventanas, por ejemplo) este ejercicio solo nos da una

estimación preliminar de la solución del problema de ruido.

Calculamos las TL a 500 Hz de las paredes, techo y aberturas de la caseta.

El plywood de ½” pesa

½ pulg x 3 lb/pie2/pulg = 1.5 lb/pie

2

Asumiendo un peso de los tirantes de 1.05 lb/pie2/pie, las paredes pesarán

1.5 + (1.05/2) = 2.0 lb/pie2

y el techo pesará

1.5 + 1.05 = 2.5 lb/pie2

Siguiendo el procedimiento usual se calcula:

TL pared = 27 dB, TLtecho = 29 dB

Alimentación de material

a través de abertura 2’x3’

Cepilladora










)500(20125121140

101210512101140log10

09.27.2

HzadBTLeq

Encontramos el incremento del nivel de presión reverberante dentro de la caseta. Para

esto calculamos la absorción con y sin caseta. Asumimos que unos 20 pies2 de piso están

cubiertos por virutas y polvo de madera.

Absorción sin caseta (500 Hz):

Área A

Piso de concreto 492 0.01 5

(menos 20 pies2)

Virutas 20 0.40 8

Paredes 1140 1 1140

Techo 512 1 512

Aberturas 12 1 12

Ao = 1677 sabinos

Absorción con caseta (500 Hz):

Área A


(menos 20 pies2)

Virutas 20 0.40 8

Paredes 1140 0.20 228

Techo 512 0.20 102

Aberturas 12 1 12

A1 = 355 sabinos

dBA

AL o

p 7355

1677log10log10

1

1 @ 500 Hz

Lp1 = 96 + 7 = 103 dBA dentro de la caseta.

Fuera de la caseta:

Lp2 = 103 – 20 = 83 dBA

no se logran 80 dBA fuera de la caseta.










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

Área A


(menos 20 pies2)

Virutas 20 0.40 8

Paredes 1140 0.99 1129

Techo 512 0.99 507

Aberturas 12 1 12

A1 = 1661 sabinos

dBA

AL o

p 71661

355log10log10

1

1 @ 500 Hz

Lp1 = 96 - 7 = 96 dBA dentro de la caseta con aislante

Fuera de la caseta:

Lp2 = 96 – 20 = 76 dBA

se cumple el objetivo, pero con solo un pequeño margen de seguridad (4 dBA).

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

paredes y el techo.

Ejercicio 7: Realice los cálculos del ejemplo anterior en la banda de 250 Hz. El nivel

sonoro en esa banda es 84 dBA. Asuma que las TL de las paredes, techo y aberturas son

21, 24 y 0. Asuma también que las no cambian.

.










2. Barreras Acústicas

Las barreras acústicas se interponen entre una fuente sonora y un receptor, con el objeto

de disminuir el sonido directo recibido por el receptor, produciendo una “zona de

“sombra” en el lado del receptor.

Las barreras son más efectivas en exteriores, pero si se colocan dentro de un cuarto, se

pueden recubrir con material absorbente para incrementar la absorción total del cuarto.

Las barreras constituyen una especie de cubierta parcial de la fuente que reduce el sonido

dirigido en una sola dirección. Para barreras de material no-poroso, con suficiente

densidad superficial, el sonido que llega al receptor es debido a la difracción del sonido

alrededor de los bordes de la barrera. Debido a las limitaciones impuestas por la

difracción, no se acostumbra a usar barreras muy pesadas, solo se requiere que la TL del

material sea siquiera 5 dB mayor que la atenuación producida por la barrera (masa entre

10 y 20 kg/m2).

La atenuación producida por la barrera disminuye con la distancia, y también puede ser

afectada, si está colocada en exteriores, por la velocidad del viento y por gradientes de

temperatura, pues ambos producen refracción del sonido.

2.1 Barrera colocada en el exterior

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

fórmula de Maekawa.

52tanh

2log20

N

NIL , dB

2

)(2

dBAN










Donde IL es la atenuación producida por la barrera, en dB, N es el número de Fresnel, y

la longitud de onda del sonido.

A B

Fuente d Receptor

A + B es la longitud de la trayectoria más corta alrededor de la barrera.

d es la distancia directa de la fuente al receptor.

Normalmente hay que considerar también las trayectorias difractadas alrededor de los

bordes laterales de la barrera y las trayectorias reflejadas del suelo. Sin embargo, si la

barrera es larga (longitud 4 veces la altura) y el suelo es absorbente (hierba, por

ejemplo), estos efectos son menores.










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

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

Ejemplo: Un vecino de una planta industrial se ha quejado del ruido producido por una

descarga de aire de un ventilador en el techo de la planta. Se han hecho mediciones en el

exterior de la ventana del dormitorio del vecino, y efectivamente se requiere las

siguientes reducciones de ruido para cumplir con las ordenanzas:

Frecuencia, Hz

125 250 500 1000

Reducción de ruido, dB 5 11 8 3

Se ha propuesto mover la descarga al lado opuesto de un tragaluz alto que existe en el

techo. ¿Será esto suficiente? ¿Qué ocurre con los efectos de directividad de la fuente?










20’ 100’ 10’

Posición propuesta Descarga ruidosa

23’

13’

Solución:

a) Moviendo la descarga a la nueva posición aumenta la distancia de 100 pies a 120

pies. La atenuación adicional será:

Adist = 20 log (d /do) = 20 log (120/100) = 2 dB

b) La altura del tragaluz hará que éste actúe como una barrera.

piesA 18.11)2328(10 22 , piesd 42.120)1323(120 22

piesB 02.111)1328(110 22

= A + B – d = 1.78 pies , = c / f = (1130 p/s) / f

N = 2 / = f / 565

Frecuencia, Hz

125 250 500 1000

N 0.394 0.788 1.575 3.150

N2 1.573 2.225 3.146 4.449

tanh N2 0.9175 0.9769 0.9963 0.9997

ILbarrera 10 12 15 18

Adistancia 2 2 2 2

NRcalculada 12 14 17 20

NRrequerida 5 11 8 3

___________________________________________________

28’










El efecto de la barrera permite cumplir con la ordenanza en todas las bandas de

frecuencia, pero especialmente a las frecuencias superiores, como era de esperarse.

c) La forma de la fuente sonora parece sugerir que es altamente direccional entre su parte

frontal y su parte posterior. (Esto habría que medirlo). Si se le da la vuelta al ducto de

descarga en su posición actual, hay que considerar su cercanía al tragaluz, lo cual también

produce un efecto direccional.

Si se le da la vuelta al ducto, y se lo coloca atrás del tragaluz, la atenuación debe mejorar.

Ejercicio 8: Una barrera colocada en exteriores tiene una altura de 15’, y está hecha de

ladrillos huecos. La fuente se encuentra a 25’ de la barrera y el receptor a 80’ de la

barrera. La fuente emite en forma isotrópica una potencia acústica de 3 W a una

frecuencia de 1 kHz. Determine el nivel de presión sonora en el receptor si la velocidad

del sonido es 1128 pies/s.

Ejercicio 9: La descarga de un ventilador industrial se encuentra sobre un techo

perfectamente plano y a la misma altura de una ventana de un dormitorio de una

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

exceda 50 dBA en la ventana en la noche. Puesto que el ventilador debe funcionar en la

noche, se ha propuesto construir una barrera como se muestra en la figura.

8’ 10’ 20’

5’

80’

Ventana

10’










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

el ventilador en funcionamiento.

Frecuencia, Hz

63 125 250 500 1000 2000 4000

Lp (dB) 55 62 65 59 51 46 42

¿Se cumplirá con los requisitos de la ordenanza? (Recuerde tomar en cuenta las

trayectorias difractadas laterales además de la superior).

(Nota: Las atenuaciones producidas por las diferentes trayectorias difractadas se suman

logarítmicamente pero como números negativos).

Ejercicio 10: Inicialmente, el Lp en un punto de observación es debido al sonido directo

que llega de una fuente y al reflejado del suelo. Asuma que la trayectoria reflejada sufre

una atenuación de 5 dB. Si se introduce una barrera muy larga, se crean 4 trayectorias,

con atenuaciones respectivas de 4, 6, 7, y 10 dB. Calcule la IL de la barrera. [1.4 dB]

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