Se define aislamiento acústico a la protección de un recinto contra la penetración de sonidos que interfieran a la señal sonora deseada ,estos sonidos pueden prevenir tanto del exterior como del interior del edificio.
Para encontrar las formas de protección de los recintos contra el ruido, se debe establecer en primer lugar la naturaleza de estos ruidos, y los caminos por los cuales penetran en el recinto, los cuales puden ser muy diversos (a través de aperturas, grietas, conductos de ventilación, vibraciones....).
Por otra parte, debemos conocer en que medida el aislamiento acústico depende de las propiedades fisicas del material de las paredes, y de las características del ruido.
Asi mismo es de gran importancia conocer la dependencia del aislamiento acústico con la frecuencia,no solo porque la transmisión acústica de los diversos materiales varía con la frecuencia, sino también porque la percepción auditiva depende de la frecuencia.
Teniendo en cuenta que para curvas de igual nivel sonoro, la sensibilidad del oído para bajas y altas frecuencias se vuelve progresivamente menor, tendremos que a medida que el nivel de presión acústica se reduce,una disminución uniforme de esta presión origina una notable reducción en los niveles de sonoridad de las componentes de ruido de alta y baja frecuencia, lo cual implica que el mayor valor de aislamiento acústico se presentará a las altas y bajas frecuencias del espectro de la señal de ruido (si suprimimos de manera significativa las bajas frecuencias se consigue reducir la acción enmascarante del ruido , y una supresión de las altas frecuencias nos lleva a una mejora cuando el ruido que interfiere es la palabra, la cual pierde su claridad con las pérdidas de las componentes de alta frecuencia.
Se estudiará ahora el proceso de reflexión y transmisión de ondas acústicas sobre las superficies.
En primer lugar se define como aislamiento acústico o ruido aéreo de una pared, a la pérdida de energía que experimenta las ondas acústicas al atravesar la pared.
El proceso que se lleva a cabo cuando una onda acústica incide en una pared es el siguiente:
Las partículas de aire muy próximas a la superficie de la pared se verán forzadas a desplazarse al llegar la onda acústica.esta energia que llega hace vibrar a la superficie sólida comprimiendo el aire proximo a ella, en la dirección opuesta a dicha pared.
Una parte de la energia incidente sobre la pared se refleja, mientras que otra se transmite.
La energía transmitida por un lado hace que se desplacen las partículas del sólido mientras que por otro lado esta energía se disipa absorviéndola el material, por efecto de las fuerzas intermoleculares.
Es decir, al incidir sobre una pared una onda acústica, se transmitirá parte de la energía de ésta, originandose una vibración mecánica en la pared, que a su vez se transformará en ondas acústicas, con una pérdida de energía debido a las reflexiones y a la absorción interna del material.
Existen factores que hacen que el aislamiento acústico disminuya, como pueden ser a traves de diferentes tipos de aperturas existentes en la pared, a traves de rendijas y agujeros existentes en la puertas, por un montaje inadecuado de ventanas.....
Por otra parte, es importante conocer que se encontrarán más dificultades a al hora de aislar los sonidos graves que los agudos, puesto que para sonidos de mas de 1000 Hz de frecuencia, la longitud de onda será bastante pequeña, y disminuirá a medida que aumenta la frecuencia, esto implica que la presion de aire generado por esatas frecuencias será muy pequeña, mientras que para ondas acústicas cuya frecuencia oscile entre 50 y 1000 Hz, su longitud de onda será grande y a medida que la frecuencia disminuye su longitud de onda aumenta, con lo cual la presión ejercida será mayor y la transmisión de esta frecuencias por las paredes también se llevara a cabo mas facilmente.
Esto lleva a una conclusión rápida donde la pared aislante debe ser tanto mas gruesa o densa cuanto mas bajas sean las frecuencias de la onda acustica incidente.
Para estudiar el cálculo de la energía acústica transmitida a través de una pared, podemos ver el ejemplo de la figura siguiente donde se puede apreciar que el nivel de presión acustica incidente es de 80 dB en los dos casos, mientras que el nivel de presión acústica en el local receptor es de 35 dB en un caso, y en el otro de 20 dB, lo que nos informa que el aislamiento acústico a ruido aéreo es de 45 dB en el primer caso y de 60 dB en el segundo.
Los ruidos pueden penetrar dentro de un recinto, al que se desea aislar, por los recintos proximos y no solo a traves de las paredes comunes. Todas las paredes del recinto en las que la fuente acustica esta localizada, que estan conectadas por las paredes laterales con el local que se desea aislar, transfieren los sonidos como resultado de las vibraciones longitudinales de sus paredes, estas vibraciones se propagan a lo largo de las paredes laterales, alcanzando el recinto que se desea aislar.
Debemos , por lo tanto, tener especial cuidado con las vibraciones longitudinales puesto que la transmisión lateral del ruido se puede reducir considerablemente.
Las construcciones deben hacerse de tal manera que eviten la coincidencia de la velocidad de la onda acústica, que incide oblicuamente con la velocidad de las ondas flectoras en la pared
El aislamiento acústico total de un recinto se determina mediante el aislamiento acústico de todos sus limites, y depende del nivel de ruido existente en el exterior del recinto, es decir, del nivel de ruido detrás de estos limites, y del nivel de ruido máximo admisible en el interior del recinto.
Se puede aclarar este punto observando el siguiente ejemplo:
Imaginemos que tenemos que le nivel de ruido existente en el exterior del recinto a un lado de cada una de las seis superficies límites es:
pared lateral derecha--> 90 dB
pared lateral izquierda--> 80 dB
pared anterior --> 70 dB
pared posterior -->50 dB
techo --> 45 dB
suelo --> 40 dB
Si el máximo nivel de ruido permitido en el recinto es de 40 dB, entonces el aislamiento acústico de las paredes, no deberia ser menor de:
pared lateral derecha--> 90 - 40 = 50 dB
pared lateral izquierda--> 80 - 40 = 40 dB
pared anterior --> 70 - 40 = 30 dB
pared posterior -->50 - 40 = 10 dB
techo --> 45 - 40 = 5 dB
suelo --> 40 - 40 = 0 dB
Por lo que respecta a la propiedad característica de muchos recintos para la palabra es que cuando se diga en ellos debe oirse clara y distintamente, y que el timbre de la voz de quienes hablan no varíe.Esto sucede, por ejemplo, en recintos de musica, donde se busca transmitir musica de gran calidad.
Los datos mas caracteristicos a tener en cuenta para obtener un buen diseño de un local son:
En el apartado del estudio del acondicionamiento acústico y del índice de valoración de ruido, se tratará de contestar a todas y cada una de las cuestiones planteadas anteriormente.
Se estudiará en este apartado las diferentes formas de definir los valores del aislamiento acústico para ello veremos:
Aislamiento acústico bruto:
Se calcula mediante la diferencia de los niveles de presión acústica, promediados en tiempo y espacio, entre el recinto emisor y receptor.Viene dado por la siguiente expresión:
D = L1 - L2 (dB)
L1 --> nivel medio de presión acústica del recinto emisor.
L2 --> nivel medio de presión acústica del recinto receptor.
Aislamiento acústico normalizado.
Se definde como:
R = D + 10 log (T / To) (dB)
D --> la diferencia de nivel nivel de presión acústica.
T --> es el timepo de reverberación del recinto receptor.
To --> es el tiempo de reverberación de referencia , que para particiones se toma un valor de 0,5 segundos.
Índice de aislamiento acústico aparente
Viene dado por la expresión:
R' = L1 - L2 + 10 log (S/A) (dB)1
L1 --> nivel medio de presión acústica del recinto emisor en dB
L2 --> nivel medio de presión acústica del recinto receptor
S --> es el área de la muestra en m².
A --> es el área de absorción equivalente del recinto receptor en m².
A = 0,161 V/T (m²)
A --> área de absorción equivalente en m².
V --> volumen del recinto de recepción en m³ .
T --> es el tiempo de reverberación en segundos.
La pared de una sola capa no tiene por qué ser homogénea, puede estar formada por varias capas y puede contener también espacios vacíos huecos.
Se puede calcular el aislamiento de una pared sencilla a partir de la LEY DE LA MASA, dada por la expresión:
donde:
Si se tiene en cuenta que un aumento en el aislamiento acústico, como se dijo en su momento, se consigue mediante una reducción rápida en el nivel de ruido de las componenetes de altas y bajas frecuencias, se puede calcular el valor medio del aislamiento acústico, para un rango de frecuencias desde 100 a 3200 Hz, adoptando la ecuación anterior la forma simplificada:
R = 20 log M + 12,3
Esta ecuación será aplicable siempre que se cumplan las condiciones anteriormente mencionadas.
El aislamiento no solo depende de la masa, sino también de la rigidez y de la impedancia resistiva de la pared.
La ley de la masa se cumple siempre que las masas que forman la pared sean independientes, pero debido a al naturaleza elástica de los elementos existe una ligazón entre las masas, esto hace que una zona determinada de frecuencias, alrededor de una frecuencia denominada frecuencia de coincidencia fc, se produzca una disminución considerable del aislamiento. Y esta frecuencia de coincidencia viene dada por la siguiente ecuación:
La energía acústica incidente se transmita a través de los parámetros en forma de ondas de flexión ( vibraciones de flexión), que al acoplarse con las ondas de presión del campo acústico, dan origen a una importante disminución del aislamiento, llamándose a este fenómeno efecto de coincidencia, por esto interesa desplazar esta frecuencia fuera de la zona, por encima de la que es necesario el aislamiento
Se pueden evitar los efectos indeseables del fenómeno de coincidencia, si se aumenta la rigidez de las paredes gruesas y se reduce para las delgadas.
Como ejemplo se puede citar que para paredes de una sola capa con espesores de aproximadamente 20 cm, el efecto de coincidencia se produce para frecuencias entorno a 1000 Hz.
Un factor importante en la elección de los materiales para paredes maestras, desde el punto de vista de aislamiento acústico, es la masa de la pared por metro cuadrado.Si las paredes se hacen de material uniforme, entonces el aislamiento necesario se puede determinar con fines prácticos mediante las siguientes ecuaciones:
R = 13,5 log M + 13 (dB) para M <200 kg/m²
R = 23 log M -9 (dB) para M >200 kg/m²
No se puede omitir mencionar las otras propiedades de los materiales de los que se hacen las paredes, de las que depende también la capacidad de aislamiento acústico, asi , por ejemplo, un material con mayor rigidez y menor peso produce un menor aislamiento que un material con minima rigidez y peso elevado.Se puede observar en la figura siguiente lo comentado anteriormente donde el primer caso supondria un aislamiento menor que en el tercer caso.
Un método más efectivo para aumentar el aislamiento es tener una separación total entre la estructura del edificio y la pared del recinto que debe protegerse del ruido, se usa cuando se necesita un aislamiento acustico del recinto muy estricto, como ejemplo se puede citar los estudios de radio, televisión....
Es lo que se conoce como sistema de protección flotante, donde el recinto está totalmente aislado de los elementos sustentadores de la construcción descansando sobre sistemas elásticos ( muelles o camas elásticas, etc) o suspendidos de ellos
Las paredes se hacen de un material opaco al sonido (como el ladrillo), con un tratamiento interno de materiales absorbentes acústicos.
Las paredes interiores no pueden ser macizas y gruesas , puesto que el coste economico seria muy elevado ademas de tener que colocar pesadas cargas, por lo tanto se tendrá que recurrir al uso de paredes con masas relativamente pequeñas.Esto se lleva a cabo mediante el empleo de construcciones de capas múltiples y el uso de materiales porosos.
A partir de la ley de la masa, se puede deducir que para aumentar el aislamiento acústico de una pared simple en 10 dB se tiene que aumentar la masa 10 veces, lo cual es antieconomico, de ahi que se recurra a dividir la pared en un número de capas más delgadas , de tal manera que el sonido se reduce por etapas.
En este caso, en una primera aproximación, se puede decir que cada capa trabaja independientemente, y si una capa de masa M, se divide en dos de masas M1 yM2, entonces el aislamiento total de esta capa doble está dado por :
Rt = 20 log M1 w + 20 log M2 w = 20 log ( M1 * M2 ) w (dB)
Esto nos lleve a que la ganacia en el aislamiento acústico vendrá dada por:
Rd = Rt - R = 20 log (M1 * M2) w - 20 log (M1 +M2) (dB)
Esto es de gran ventaja para paredes de gran peso y se conseguirá un alto aislamiento siempre y cuando las paredes no se ejerzan ninguna acción entre ellas, es decir, cuando no exista ninguna clase de acoplamiento
El hecho de que con paredes múltiples se obtenga un gran aislamiento con poco peso, es de gran importancia, ya que la limitación de peso es en realidad una condición que se presenta muy frecuentemente en fenómenos de aislamiento.
Todo lo que hay que tener en cuenta en la pared de varia capas estará relacionado con evitar o disminuir la repercusión de las distintas capas entre sí.De acuerdo con esto, hay que distinguir distintos tipos de acoplamiento perjudicial algunos de los cuales se exponen a continuación.
1. El primero de ellos lo podemos definir como una pared doble formada por dos hojas rígidas e indeformables, unidas entre sí por el aire de la cámara que forman, o por un dispositivo elástico, comportándose como un conjunto de dos masas M1 y M2 unidas por un resorte de constante elástica K , como se puede observar en la figura, presentando el conjunto una frecuencia de resonancia dada por :
que representa a bajas frecuencias un sistema masa-muelle-masa, que se puede comparar con un tambor, en el que las masas son las dos membranas del mismo, siendo el muelle el aire encerrado en su interior.
Un sistema de estas caracteristicas es capaz de vibrar, como en un tambor, con una frecuencia propia exactamente definida, llamada frecuencia de resonancia fr la cual se define como
Se debe tener especial cuidado pues para esta frecuencia, la transmisión del sonido, puede ser incluso mayor que si las dos paredes estuviesen rígidamente unidas.
Por lo tanto, teniendo en cuenta a partir de que frecuencias se desea aislar, debe cuidarse la elección de las dos amsas M1 y M2, asi como la separación d entre las misma, con el fin de que la frecuencia de resonancia del conjunto esteé por debajo del margen inferior de frecuencias que se desea aislar.
Como no se puede evitar este efecto, se debe exigir a la pared doble que esta resonancia se presente a una frecuencia tan baja, que quede fuera de la zona de frecuencias de aislamiento que se desee.
Un conjunto del tipo descrito, para las diferentes frecuencias se comporta de la siguiente forma:
--> para frecuencias inferiores a la frecuencia de resonancia, aun existiendo dos tabiques, se comporta como uno solo de masa M = M1 + M2, pudiendo transmitirse mayor sonido que si las dos capas están rigidamente unidas.
--> para frecuencias superiores a la de resonancia, cuya longitu de onda sea doble de la separación entre las capas, el aislamiento acústico será la suma de los aislamientos de las dos capas.
--> para frecuencias comprendidas entre la de resonancia y una frecuencia fr1 = 343/2d, elaislamiento total tendrá en cuenta no sólo los aislamientos de las dos capas, sino también las dimensiones de la cap a aislar, la separación entre las mismas y el coeficiente de absorción del material que se coloca entre las dos capas.
Por otra parte, el empleo de material absrovente instalado entre las dos capas , bien porque el material tenga un valor reducido del coeficiente de absorción, o bien por una mala instalación del mismo, puede originar una reducción importante del aislamiento de la pared, por lo que deben tomarse precauciones para que esto no suceda.
2. Un segundo tipo de acoplamiento entre capas contiguas de una pared múltiple, a través de la cámara de aire, se presenta por ondas estacionarias.
Cuando las ondas inciden perpendicularmente aparece un acoplamiento entre ambas capas, cuando la distancia d toma los valores landa/2, landa/3, 3landa/2...landa=longitud de onda. Una forma de disminuir estas resonancias es introducir materiales absorventes dentro de la cámara de aire.
Las capas de una pared múltiple no deben tener ninguna unión rigida , llamando puentes acústicos a cada una de las uniones, lo que produce un acoplamiento directo, disminuyendo el aislamiento. En el caso de que estos puentes sean inevitables, los mismos serán relativamente blandos y ligeros para las paredes pesada, y pesados para las paredes ligeras.
Respecto a las capas adicionales, es importante saber a que lado de la pared se situará la capa adicional con la que se desea aunmentar el aislamiento. Desde el punto de vista del fenómeno físico el proceso es reversible, o sea la intensidad acústica en el local receptor no se altera si se intercambian las posiciones de la fuente acústica y del micrófono receptor, por lo que desde este punto de vista es indiferente donde se situe la capa adicional.
Aunque sí se distingue, por la influencia de un tercer local que no limita directamente con la pared aislante. Para conseguir un mejor aislamiento, como es lógico, la capa adicional debe colocarse del lado en el que se encuentra el foco acústico.
Por lo que respecta a las paredes de tres o más capas sólo se utilizan en casos muy especiales de aislamiento, como por ejemplo cuando el peso del material debe ser reducido, es decir, con una pared triple se puede obtener el mismo aislamiento que con una pared doble más pesada, aunque su espesor será mayor.
Para una partición triple ( un sistema masa-resorte-masa-resorte-masa) existen dos resonancias fundamentales.
La menor frecuencia de resonancia viene dada por la ecuación:
M2 --> es la masa de la primera pared.
M6 --> es la masa de la pared opuesta.
M4 --> masas de la pared intermedia.
d3 --> es la separación entre las masas M2 y M4.
d5 --> es la separación entre las masas M4 y M6.
La segunda resonancia no será de interés puesto que no tiene influencia en las pérdidas por transmisión.
Para este caso, suponiendo un campo acústico al azar en la cavidad, el aislamiento se puede calcular a partir de la siguiente expresión:
De acuerdo con todo esto, podemos llegar a asl siguientes conclusiones:
Las paredes de varias capas, que no tienen conexiones rígidas entre ellas, se comportan como un sistema vibratorio complejo, alcanzando un valor significativamente mayor de aislamiento que con una pared simple de la misma masa.
La cavidad de aire entre las dos hojas, en la pared doble aunmenta el aislamiento acústico de la construcción y juegan el papel de amortiguadores, cuya acción se hace màs efectiva a medida que la anchura de la cavidad aumenta , y se llena con material absorbente que no toca la pared básica .
Las disminuciones en el aislamiento acústico debidas a la resonancia se pueden suprimir parcialmente, aumentando la masa de la pared doble, o el espacio entre ellas, o cambiando el espesor, la densidad......
Las ventanas como las puertas ofrecen el peor aislamiento acústico de los recintos, ya que estos elementos tienen un menos peso y no siempre cierran de forma hermética. El factor más determinante para las ventanas es el espesor de los cristales.
Las ventanas dobles tienen un alto aislamiento sonoro debido al espacio aéreo entre las hojas.
También se utiliza un relleno en el marco que reduce entre 6 y 7 dB. El relleno suele ser de fieltro, caucho, materiales porosos,etc...
Para continuar podemos clasificar las ventanas según el aislamiento acústico normalizado (R).
En las ventanas dobles su aislamiento acústico se determinará mediante ensayo experimental.
Las puertas tienen un valor de aislamiento acústico determinado por el modo utilizado para construirla, el material usado y la presencia o no de grietas alrededor de la puerta. Esto último tiene que ver con que la puerta cierre de manera más o menos hermética.
Los valores de aislamiento de las puertas son determinados mediante el ensayo práctico. No obstante podemos usar expresiones matemáticas para obtener un valor de aislamiento aproximado.
Si las puertas anteriores poseen juntas de estanqueidad las ecuaciones anteriores han de ser reducidas en 5 dB(A). En caso de separar dos espacios con dos puertas, el aislamiento total es suma de cada aislamiento proporcionado por cada puerta.
Una de las mayores disminuciones de aislamiento para una puerta son las rendijas y las holguras debiendo minoras de 3 a 5 dB.
Las puertas y ventanas aislan acústicamente peor que las paredes, esto se debe principalmente a que tienen un peso relativamente bajo y no suelen cerrar de manera hermética.
Una puerta normal presenta un aislamiento acústico de aproximadamente 20 dB, mientras que una puerta con dos capas de fibra mineral puede alcanzar hasta 20 dB.
El aislamiento acústico de dos puertas en un marco es de alrededor a 34dB.
En un recinto no debemos olvidar el efecto de los tubos de aislamiento acústicos. Estos actúan como distribuidores de sonido y vibraciones.
Las tuberias de los radiadores deberían estar sujetas con coquillas elásticas de fieltro. Se pueden usar manguitos elásticos para hacerlos pasar a través de paredes.
Se puede aproximar el aislamiento acústico de un recinto que incluye grietas con la siguiente fórmula matemática:
Donde (S sub 0) es el área de las grietas, S y R1 son el área y aislamiento acústicodel recinto total y n es el coeficiente de aunmento efectivo del área de la grieta.
