Produccion 2 Unidad 1b Acustica Arquitectonica

8/19/2019 Produccion 2 Unidad 1b Acustica Arquitectonica

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PRODUCCION II

UNIDAD 2 – Acústica arquitectónica

Es la rama de la acústica que trata sobre los fenómenos del sonido vinculados a la arquitectura. En general, cuando se habla de “acustizar ” una sala, se tienen en cuenta dos aspectosfundamentales que son:

! Tratamiento interno: trata sobre cómo acondicionar el interior para controlar la reverberación ! Aislamiento: Se refiere a lo necesario para “aislar ” acústicamente un lugar de su entorno

Reverberación:

La reverberación consiste en el refuerzo y prolongación de la intensidad sonora que seproduce dentro de un recinto debido a las reflexiones que sufren las ondas sonoras al chocar contralas paredes, piso y techo.La reverberación “caracteriza” sonoramente a las salas, teatros, auditorios, aulas, estudios, etc. Elcontrol de la reverberación es quizás lo más difícil de lograr en el diseño acústico. Cada sala, segúnsea su uso, debe tener una reverberación “ justa”, la cual se logra con un refinado estudio de los

materiales de revestimiento y con el diseño pr opiamente dicho.Según el rango de frecuencias, el sonido se comporta de distinta manera dentro de una sala.Cuando las frecuencias son mayores que unos 200 Hz, se propaga siguiendo las leyes de lareflexión vistas, es decir, como si fuera en línea recta. En realidad, es como si del centro de la fuentesalieran radialmente infinitas líneas rectas, de las cuales elegimos alguna para el estudio enparticular.Cuando las frecuencias son menores se suelen tratar de distinta manera debido a que producenresonancias muy marcadas que hacen sumamente desparejo el nivel sonoro. En este caso se hablade “Modos Propios” o modos resonantes de la sala.

La figura muestra un parlante que emite sonido en variasdirecciones de las cuales hemos elegido la que

corresponde a su “eje” central. Podríamos elegir cualquierade ellas, dependiendo de la dirección particular que se estéestudiando. Lo importante es que, elegida una dirección,se mantendrá recta en su propagación, como si fuera unhaz de luz.Se llama “frente de onda” a todos los puntos del espacioque tienen el mismo estado de vibración.

La siguiente figura muestra la vista superior de un recinto rectangular en el que se han elegido tresdirecciones particulares del frente de onda:

En el recinto se encuentran una fuente sonora y un oyente que percibe el sonido de la siguientemanera: primero escucha el sonido directo (1), luego un haz que ha sufrido una reflexión (2) y



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después otro haz que ha sufrido dos reflexiones (3). El orden en el que percibe los tres frentessonoros se debe a que recorren respectivamente distancias mayores, demorándose cada vez másen cada recorrido. Por otra parte, a medida que un haz sonoro va sufriendo choques, su intensidadva disminuyendo debido a que en cada choque parte de su energía sonora es absorbida y noreflejada. Entonces, los ecos se escucharán con intensidad decreciente respecto a la intensidad delsonido directo. A la derecha vemos el sonido directo y los ecos representados en el tiempo. La alturade cada barrita representa la intensidad del sonido y la separación en el eje “t” el tiempo en el quearriban al oyente.

En la realidad, una fuente sonora dentro de un recinto produce prácticamente infinitos ecos cuyasintensidades decrecen progresivamente. Si la fuente deja de vibrar, el sonido dentro del recintocontinúa sonando a través de los ecos durante algún tiempo hasta que la intensidad de estos sehace despreciable. La cantidad de ecos que se producen en un recinto depende de lascaracterísticas absorbentes de los materiales que lo forman y de su tamaño. El gráfico siguientemuestra las intensidades de los ecos en una situación más real que la anterior . La primera barracorresponde a la intensidad del sonido directo que, al no sufrir reflexiones, es mayor que el resto delos ecos que le siguen.

Luego del sonido directo, comienzan a llegar lasprimeras reflexiones (Early reflections), es decir, losprimeros rebotes de sonido que se mostraron en laprimer figura. Estos ecos están algo más separados enel tiempo que los que siguen debido a que son losprimeros en llegar. Después de unos 100 milisegundosya los ecos empiezan a sumarse para dar una especiede campo sonoro continuo (con los ecos muy pegaditosentre si) que suele llamarse campo difuso oreverberante.

Las primeras reflexiones son las más importantes en cuanto a la caracterización acústica del recinto.En el diseño de teatros y auditorios se tiene un cuidado especial en llevar primeras reflexiones a

todos los oyentes para distribuir uniformemente esta información. La siguiente figura muestraalgunos esquemas de diseño de techos y muros laterales para distribuir estas reflexiones:



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Ganancia acústica: un recinto aumenta la intensidad sonora debido a la contribución de lossucesivos ecos que se producen (reverberación). A esto se le llama “ganancia acústica” de unrecinto respecto al aire libre. En el aire libre la energ ía se propaga en todas direcciones alejándosede la fuente mientras que en el interior de un local se refuerza y por lo tanto la intensidad aumenta.Gracias a este aumento o ganancia, dentro de un local se necesita menos potencia sonora que en elaire libre. Cuando una fuente sonora comienza a sonar, la intensidad dentro del local aumenta poracción de la reverberación hasta un cierto nivel para el cual la energía sonora emitida es igual a laenergía sonora que se absorbe o transmite por las paredes, el piso y el techo. Si no sucediera esto,la energía sonora seguiría aumentando infinitamente mientras suene la fuente. En el momento quela fuente deja de sonar, los ecos continúan decreciendo en amplitud. Cuando la intensidad sonoraha decrecido 60 decibeles se dice que ha transcurrido el “tiempo de reverberación”. El tiempo dereverberación es entonces el que transcurre desde que se calla la fuente hasta que la intensidaddecae 60 dB respecto a la intensidad que tenía el sonido antes de que la fuente cesara. Por esto, altiempo de reverberación a veces se lo indica como “RT60” (Reverb Time para 60 dB de atenuación). Veamos la siguiente figura que ilustra el crecimiento y decrecimiento de la intensidad sonora dentrode un recinto:

Vemos en la figura izquierda que, a medida que transcurre el tiempo (fracciones de segundo), laintensidad crece. En el momento que la fuente deja de sonar (punto 1) la intensidad comienza adecaer hasta que llega a 60 dB por debajo de la intensidad antes del pto. 1. Entre ese instante(punto 2) y el instante en que la fuente dejó de sonar (punto 1) transcurre el tiempo dereverberación. A la derecha vemos cómo sería la situación sin la contribución de la sala. Mientras más reverberación hay en un recinto, menos esfuerzo vocal se necesita pero más difícil se

hace entender la palabra (inteligibilidad). La siguiente figura nos muestra cómo influye lareverberación en un recinto. Vemos por un lado cómo decrece la intensidad del sonido directo comosi estuviera al aire libre (6 db cada vez que se dobla la distancia) y por el otro, la intensidad delsonido reverberante que es igual en todo el recinto. A medida que nos alejamos de la fuente sonorala influencia del sonido reverberante es mayor. Llega una distancia tal en que las intensidadesdirecta y reverberante son iguales, a esta distancia se la llama “distancia crítica”. Como podemos veren la figura, a medida que la intensidad reverberante es mayor, menor es la distancia crítica, pues larecta plana, al estar más alto, corta antes a la del sonido directo. Esto significa, por ejemplo, que enun ambiente muy reverberante tenemos que acercarnos más a la fuente para entender lo que sedice. Por esta razón, en grandes templos o aeropuertos, se prefiere colocar muchos parlantespequeños distribuidos cerca de la gente y no un gran parlante lejos; la distancia menor entre los

parlantes y los oyentes hace posible la inteligibilidad en ambientes muy reverberantes.



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El gráfico se interpreta de la siguiente manera: el eje horizontal representa hacia la derecha ladistancia (no el tiempo) desde la fuente sonora al oyente. A medida que uno se aleja de la fuente, laintensidad del sonido directo va disminuyendo, situación que se representa con la recta inclinada.Por otro lado, la intensidad del sonido reverberante es la misma en cualquier parte del recinto,situación que se representa con la línea más gruesa horizontal. La intensidad total es la suma endecibeles de ambas intensidades y se muestra con otra curva. Podemos ver que cuando uno estácerca de la fuente (a la izquierda) el sonido directo es mucho más intenso que el reverberante y quea medida que uno se aleja va siendo proporcionalmente menor hasta que en un momento soniguales (cuando se cortan las dos rectas. A esta distancia se la llama en acústica “distancia critica” del recinto. Cuando uno está muy alejado de la fuente (a la derecha) se escucha solo el sonidoreverberante y disminuye la inteligibilidad. Como la suma es en decibeles, en este punto (cuando secruzan) la curva “suma” está 3 dB por encima de ambas. Como son dos intensidades iguales, susuma da 3 dB más! Esto es útil también cuando se utilizan micrófonos en salas reverberantes (no tratadasacústicamente). Para que el sonido de la sala (reverberación) no influya deben colocarse cerca de lafuente (voz o instrumentos).Este gráfico muestra de manera práctica cómo, a medida que nos alejamos de la fuente sonoradentro de una sala, vamos escuchando menos el sonido puro y más la reverberación. Por estarazón, para dar “profundidad” a un instrumento en una mezcla, se le agrega reverberación artificial.

Es decir, la cantidad de reverberación nos da información de la lejanía o profundidad de la fuentesonora respecto al oyente. Si es nula o escasa, la fuente sonora se siente muy en primer plano!

Tiempo de reverberación y coeficiente de absorción sonora:El coeficiente de absorción es un número comprendido entre cero y uno que representa el

poder absorbente de un material. Se expresa generalmente con la letra griega "(alfa). Un material

cuyo coeficiente sea uno es totalmente absorbente, mientras que un material cuyo " es cero estotalmente reflexivo y no absorbe sonido. El coeficiente " viene en tablas para los materiales de usofrecuente en acústica. En general, aumenta con la frecuencia, es decir, la mayoría de los materialesabsorben más las altas frecuencias que las bajas. Por ejemplo, un material puede tener uncoeficiente de 0,06 a 125 Hz y de 0,3 a 4.000 Hz (0,3 es cinco veces mayor que 0,06).Por otro lado, el tiempo de reverberación depende de las dimensiones del local y de cuán

absorbentes sean las superficies internas del mismo. Una forma sencilla para estimarlo es por mediode la fórmula de “Sabine” que expresa lo siguiente:

En esta fórmula V representa el volumen del local en metros cúbicos (el volumen se calculamultiplicando el ancho por el largo y por la altura de la sala). Debajo, es decir, dividiendo, tenemosuna sumatoria que suma los productos de las superficies de las paredes, el piso y el techo por sus

coeficientes de absorción " correspondientes.

Esta fórmula, que parece compleja, no lo es tanto y veamos por qué: primero, en la parte superior

tenemos al volumen, en metros cúbicos). Debajo la sumatoria que debe interpretarse así: secalculan todas las superficies interiores (ancho por alto) de las paredes, puertas, etc. y se multiplicanuna a una con su respectivo coeficiente de absorción y luego se suman todos esos productos.Veamos un ejemplo: dado un local de 54 metros cúbicos cuyas paredes tienen las siguientescaracterísticas:

Parte del local Superficie en m2 Coeficiente " Producto Sx"

Pared 1 12 0,03 12 x 0,03 = 0,36Pared 2 12 0,02 12 x 0,02 = 0,24Pared 3 20 0,035 20 x 0,035 = 0,7Pared 4 20 0,3 20 x 0,3 = 6

Techo 25 0,2 25 x 0,2 = 5Piso 25 0,04 25 x 0,04 = 1

! #$

% S

V RT 161,060



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La suma de todos los productos es: 0,36 + 0,24 + 0,7 + 6 + 5 + 1 = 13,3. Para este local entonces, elRT60 será:

Si quisiéramos aumentar el tiempo de reverberación podríamos hacer menos absorbente alguna delas paredes, techo o el piso.

Si bien existen otras fórmulas y consideraciones en el diseño acústico, lo visto nos da una idea decómo influyen los materiales y el tamaño de una sala en el tiempo de reverberación. El tiempo dereverberación óptimo depende del tipo de uso que se le vaya a dar a la sala. La tabla siguientemuestra algunos valores:

Tipo de uso Tiempo estimadoMúsica clásica o coral 2 segundosTeatros para Opera 1,5 segundos

Jazz, pop, etc. 1 a 1,2 segundosPalabra o conferencias 0,7 segundos

Salas de grabación 0,3 segundos

Un tiempo de reverberación nulo no es conveniente porque se pierde la contribución de ecos debidaal local (ganancia acústica), es como estar al aire libre. Esto dificulta el ensamble instrumental.Para tratar acústicamente los recintos como estudios de radio y grabaciones se utilizan materialesespecialmente absorbentes que se distribuyen en la sala de forma de obtener un determinado yequilibrado tiempo de reverberación y una distribución uniforme del campo reverberante (difusión). Equilibrado significa que el RT60 debe ser prácticamente el mismo para todas las frecuencias, salvoen casos particulares en los que se lo hace un poco mayor en los graves. Para lograr este equilibrio,los materiales absorbentes se eligen con mucho cuidado.También, el RT60 cambia bastante si hay gente o no. La gente absorbe mucho el sonido, de talforma que en los teatros grandes es prácticamente lo único que absorbe sonido! Por esto, el RT60

se calcula para el teatro lleno. También se eligen butacas que tengan una absorción parecida a la deuna persona, de forma tal que no cambie tanto el RT60 con el teatro vacío.

Absorbentes sonoros:

La absorción del sonido se trata también de distinta manera según sean las frecuencias atratar. En el caso de altas frecuencias suelen utilizarse materiales porosos como espumas sintéticas,lana de vidrio, alfombras, cortinados, etc.. En cambio, para las bajas frecuencias suelen utilizarseresonadores que solo absorben un determinado rango de bajas frecuencias.

Paneles absorbentes:

Son materiales especialmente diseñados para que absorban el sonido de manera eficiente.Normalmente su cara externa tiene forma de cuñas de forma de aumentar la superficie efectiva y así absorber más el sonido. Como vemos en el detalle de la figura, el sonido llega y choca más de unavez perdiendo energía en cada choque. En el ejemplo se ven cuatro choques.

segundos RT 65,03,13

54161,060 $#$



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Estos materiales suelen tener en algunos casos un coeficiente " mayor que 1 debido al diseño encuñas que aumenta mucho la superficie. A continuación vemos algunos diseños:

Cada panel tiene sus coeficientes medidos, de forma tal que el diseñador pueda saber cómo van ainfluir en el RT60. En general, mientras más anchos son, mejor absorben las bajas frecuencias, acosta de un mayor precio también.Si separamos algunos centímetros los paneles de la pared se mejora la absorción en bajasfrecuencias. Por esta razón, cuando se colocan cortinados se busca que tengan muchos pliegues;esto garantiza una mayor absorción en bajas frecuencias.

A la derecha podemos ver una gráficaque muestra los coeficientes para dostipos de paneles. El panel A es de 50milímetros de espesor y el B de solo35 milímetros. Nótese como trabajamejor en bajas frecuencias el primero.

Por ejemplo, para 125 Hz elcoeficiente es 0,4 mientras que el Bsolo tiene 0,2.

Resonadores:

Están especialmente diseñados para absorber solo un rango de frecuencias. Se basan en elefecto de “resonancia”. Por ejemplo, una botella de vino vacía es un resonador; si uno la soplaveremos que el aire resuena en su interior produciendo una nota grave, del orden de los 120 Hz.Todos los resonadores se basan en una cavidad resonante y un cuello, como una botella. Seg ún

sean las dimensiones de la cavidad y del cuello es la frecuencia a la que resuenan. En la figurapodemos ver esquemáticamente un resonador y su curva de absorción:



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En la gráfica podemos ver que su frecuencia de resonancia es de 250 Hz. Esta es la frecuencia a lacual más sonido va a absorber el resonador. A medida que nos alejamos de esta frecu encia elcoeficiente disminuye. Cuando queremos ampliar el rango de frecuencias absorbidas, se rellena lacavidad con material absorbente como lana de vidrio o fieltro.En la práctica suelen utilizarse resonadores múltiples que vienen como paneles perforados con unacavidad normalmente rellena con lana de vidrio. Según sea la cantidad de perforaciones, el tamañode estas y el volumen de la cavidad, será el rango de frecuencias en el que trabaja:A continuación podemos ver algunos diseños:

Modos característicos de una sala

A parte del problema de la reverberación, existe otro inconveniente acústico que tiene muchaincidencia en la audición, sobre todo en salas de dimensiones pequeñas como es el caso dehabitaciones y estares. Es el problema de las resonancias en las frecuencias graves menores a los200 Htz debidas a las ondas estacionarias que se forman entre paredes paralelas y entre el techo yel piso. Según sean las dimensiones entre paredes paralelas hay ciertas frecuencias que resonaránmás que otras y en determinados lugares de la sala, anulándose totalmente en otros. Esto quieredecir que si uno se desplaza por el interior de la sala se escucha distinto!

Así como en los instrumentos de viento según sea la cantidad de llaves cerradas es la altura ofrecuencia que se forma, en las salas pasa algo similar: según sea la separación que existe entreparedes paralelas o entre el techo y el piso, son las frecuencias que van a “resonar ” en la sala. Aestas frecuencias se las llama “modos característicos” de la sala. La siguiente figura ilustra esta situación:

El límite de las paredes impone al aire vibrante una condición que hace que a una determinada frecuencia se produzca una resonancia principal. Esta frecuencia depende de la longitud de ondarelacionada con esa distancia. Si llamamos “L” a la separación entre las paredes, la longitud de ondaque se forma con el doble de esa distancia es la que determina la frecuencia fundamental devibración. También vibrarán intensamente los armónicos de esta, es decir, las frecuencias que sonmúltiplos de la fundamental. Si recordamos la relación que existe entre la frecuencia y la longitud deonda podemos determinar fácilmente la frecuencia conociendo la separación entre las paredes.

"

V f $



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Como vemos en la figura, la frecuencia fundamental se produce para una longitud de onda que es el

doble de la separación entre las paredes: & = 2xLPor ejemplo, si las paredes están separadas 5 metros y suponiendo la velocidad del sonido de 340m/s, la frecuencia fundamental que resonará será de 340/10 = 34 Hz. También vibrarán susarmónicos de 68 Hz, 102 Hz, etc. Nótese que 10 es el doble de la separación entre las paredes.Esto sucede simultáneamente entre todas las superficies paralelas enfrentadas como paredes techoy piso. Para salvar esta situación, suelen construirse los estudios con paredes inclinadas para que

no se produzca el paralelismo, es decir para que no se produzcan resonancias en determinadasfrecuencias. También se construyen “trampas de graves” que son resonadores como los vistosanteriormente que absorben determinadas frecuencias.

En la siguiente fotografía vemos el interior de la sala de control de un estudio de grabaciones tratadode esta manera. Podemos observar las formas irregulares de las paredes para evitar el paralelismo;difusores en la parte superior de las paredes posteriores y en el techo. También podemos verpaneles absorbentes en la parte inferior de las paredes posteriores. Por otro lado, a la izquierdavemos la gran consola de mezcla y a la derecha el panel o “rack” de procesadores de audio comoefectos de reverberación, compresores, ecualizadores etc.

Aislamiento acústico

Aislar el sonido de una habitación exige un tratamiento en las paredes muy distinto al que serequiere para tratarlo acústicamente respecto a la reverberación. El aislamiento que una paredofrece al sonido depende directamente de su masa, es decir de su peso. Una pared mientras máspesada es, más aislante resulta. Por esta razón se emplean muchas veces planchas de plomo paralograr mucho aislamiento sin la necesidad de construir paredes de ladrillo tan anchas. También elaislamiento sonoro es proporcional a las frecuencias que se quieren aislar: mientras más baja es la

frecuencia menor es el poder aislante de una pared.Normalmente se recurre a la construcción de paredes dobles separadas por una capa de aire omaterial absorbente como la lana de vidrio. Este método ofrece mejor aislamiento que una pared conla misma masa sin la capa de aire entre medio. Claro que la desventaja es el mayor espacio queocupa. También aumenta bastante el aislamiento cuando las paredes están revocadas con cementorespecto al ladrillo visto. El revoque puede aumentar hasta en 15 dB el poder de aislamiento de lapared.Otra consideración importante en paredes dobles es la de la frecuencia de resonancia de la pared.Según sea el tipo y peso de la pared, hay una cierta frecuencia para la cual la pared pierde su poderaislante y se la llama frecuencia de resonancia. Por esta razón, es común utilizar en muros doblesparedes de distinto espesor, para que las frecuencias de resonancia no coincidan.Otro tema importante para mejorar el poder aislante de un tabique doble es tratar de evitar los“vínculos rígidos

” entre ambas caras del tabique. Cualquier elemento metálico que se use para

montar los paneles funciona como un “puente acústico” si está unido a ambas caras del tabique.



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En la figura anterior podemos ver dos casos: el panel “a” está formado por dos placas iguales con sucavidad rellena con lana de vidrio. Vemos como los perfiles sobre los que se montan las placashacen de puentes acústicos. El caso “b” funciona mucho mejor al tener perfiles montantesseparados para cada cara del tabique (se eliminan así los puentes acústicos). Por otro lado, elespesor de los tabiques es distinto en cada lado, haciendo que sus frecuencias de resonancia seandistintas y evitar así que ciertas frecuencias atraviesen el tabique. La frecuencia que deja pasar unpanel la frena el otro y viceversa.

Vidrios:

En la siguiente figura podemos ver el detalle de una pared doble con un espacio de aire relleno conmaterial aislante y una ventana de doble vidrio (llamada pecera) que separa la sala de control de lasala de grabación en un estudio de grabaciones:

Los vidrios se montan inclinados para evitar el paralelismo. Por otro lado, son de gran y distintoespesor para lograr mayor aislamiento (al ser más pesados) y que sus frecuencias de resonancia no



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coincidan. Entre medio de las paredes se coloca material aislante para aumentar el poder deaislamiento. También se evita el contacto rígido entre las dos paredes. Nótese que cada vidrio tienesu marco independiente, no están montados sobre el mismo marco. Un contacto rígido oficia de“puente acústico” entre las paredes, dejando pasar parte del sonido.

Puertas y ventanas:

Las puertas y ventanas deben ser también lo más pesadas posible y tener doble contacto con sumarco para asegurar un cierre hermético. Normalmente se colocan burletes de goma en amboscontactos para mejorar el cierre. A continuación podemos ver el detalle de una puerta típica usadaen estudios de grabación:

Es muy importante que las puertas y ventanas cierren herméticas y queden firmemente unidas almarco. El relleno se hace normalmente con lana de vidrio o poliuretano inyectado.Nunca se utilizan puertas o ventanas corredizas, salvo que estén expresamente diseñadas paracerrar herméticamente.También es importante saber que hay materiales que son muy buenos aislantes térmicos peropésimos aislantes sonoros. Tal es el caso del Tergopol. En el caso de muros o tabiques dobles lalana de relleno se usa solo para absorber la vibración en la capa de aire, no es en si un aislanteacústico. Los sistemas dobles funcionan cuando trabajan los dos paneles en conjunto con la capa deaire con la lana.En el caso de pisos y techos, suelen utilizarse sistemas “flotantes” aislados de la estructura deledificio evitando así los puentes acústicos mencionados. Para aislarlos se usan materialesesponjosos o goma.

Está bueno recordar siempre:

! Mientras más pesada es una pared, más aísla. El aislamiento depende de la masa!

! Mientras más aguda es la frecuencia, más fácil es de aislar.

! Todos los materiales tienen una frecuencia de resonancia a la cual pierden aislamiento. Estadepende del espesor del material. En muros dobles se usan espesores distintos.

! Puertas y ventanas deben cerrar herméticamente y tener doble contacto.! Deben evitarse en lo posible los “puentes acústicos” en sistemas dobles.

! Los maples de huevo sirven para sostener huevos, no para aislar el sonido. Solo puedenayudar a controlar la reverberación y difundir un poco el sonido dentro de la sala.

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