desarrollo de algoritmo en matlab para la determinación de aislamiento acústico de...

Desarrollo de algoritmo en MATLAB para la determinación de aislamiento acústico de

particiones compuestas.

Sara Rendón Blandón [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniera de Sonido

Asesor: Anderson Ladino Velásquez, Magíster (MSc) en Ingeniería Acústica.

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingeniería

Ingeniería de Sonido

Medellín, Colombia

2019

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] S. Rendón Blandón, “Desarrollo de un algoritmo en MATLAB para la

determinación de aislamiento acústico de particiones compuestas”, Trabajo de

grado Ingeniería de Sonido, Universidad de San Buenaventura Medellín,

Facultad de Ingenierías, 2019.

Línea de investigación en acústica y procesamiento de señales.

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Dedicatoria

Dedico todo mi esfuerzo entregado en este trabajo a mis padres, que siempre han velado por mi

bienestar y felicidad, me acompañan en los momentos felices y me animan en los difíciles,

gracias a su dedicación en mi formación todo esto ha sido posible. A toda mi familia, que me

expresa su orgullo por este logro y siempre tienen palabras de aliento para dar, en especial mi tía

Ángela, que siempre ha tenido las palabras precisas para cada momento y de ella he recibido

muchos de los concejos que me han guiado hasta este punto.

Agradecimientos

Agradezco, en primer lugar, a mi asesor Anderson Ladino por su guía y acompañamiento

constante en este proceso, por compartir sus creativas ideas e historias. A mi gran amiga y

compañera de carrera Angie, con quien las noches de trabajos y estudio resultaban divertidas a

pesar de las complicaciones y el estrés, con quien siempre puedo contar y sé que nuestra amistad

incondicional no acabará. A Alejo, por brindarme su ayuda y acompañamiento, sus consejos y

aportes que me ayudan a crecer como persona.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ..................................................................................................................................... 13

ABSTRACT ................................................................................................................................... 14

I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 15

A. Planteamiento del problema ............................................................................................... 16

B. Antecedentes ...................................................................................................................... 20

C. Justificación ........................................................................................................................ 32

D. Objetivos ............................................................................................................................ 34

1) General ........................................................................................................................... 34

2) Específicos ..................................................................................................................... 34

E. Hipótesis ............................................................................................................................. 34

F. Alcances ............................................................................................................................. 36

G. Limitaciones ....................................................................................................................... 36

II. MARCO TEÓRICO................................................................................................................ 38

A. Ruido .................................................................................................................................. 38

1) Tipos de ruido de acuerdo con su medio de propagación .............................................. 38

a) Ruido aéreo ................................................................................................................ 38

b) Ruido estructural ........................................................................................................ 39

2) Tipos de ruido de acuerdo con la propagación de la fuente ........................................... 40

a) Ruido contínuo ........................................................................................................... 40

b) Ruido intermitente ...................................................................................................... 40

c) Ruido impulsivo ......................................................................................................... 41

d) Ruido de baja frecuencia ............................................................................................ 42

B. Control de ruido ................................................................................................................. 42

1) Principios del control de ruido ....................................................................................... 43

a) Control de ruido en la fuente ...................................................................................... 44

b) Control de ruido en el medio de transmisión ............................................................. 45

c) Control de ruido en el receptor ................................................................................... 46

C. Pérdida por transmisión en particiones .............................................................................. 47

1) Particiones simples ......................................................................................................... 49

a) Región I, controlada por la rigidez ............................................................................. 50

b) Región II, controlada por la masa .............................................................................. 52

c) Región III, controlada por el amortiguamiento .......................................................... 53

2) Particiones compuestas .................................................................................................. 53

3) Particiones dobles ........................................................................................................... 54

a) Región I ...................................................................................................................... 55

b) Región II ..................................................................................................................... 56

c) Región III ................................................................................................................... 56

4) Particiones de láminas doble capa .................................................................................. 57

a) Región II ..................................................................................................................... 58

b) Región III ................................................................................................................... 58

D. Modelo de Ookura & Saito para la determinación de aislamiento acústico ...................... 59

E. Determinación del aislamiento acústico al ruido aéreo ...................................................... 61

1) Sound transmission class (STC) ..................................................................................... 61

2) Magnitudes globales DnT y R’, medición en laboratorio ................................................ 64

3) Magnitudes globales DnT y R’, medición in situ ............................................................ 66

F. Valores límites de aislamiento ........................................................................................... 71

G. Método de elementos finitos .............................................................................................. 73

III. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 76

A. Desarrollo del algoritmo..................................................................................................... 78

1) Desarrollo de la interfáz gráfica ..................................................................................... 79

2) Programación de ingreso de datos en la interfáz gráfica ................................................ 80

3) Programación de funciones para cada tipo de partición ................................................. 81

4) Implementación de las funciones en la interfaz gráfica ................................................. 83

5) Programación de muestra de resultados en la interfaz gráfica ....................................... 84

B. Medición in situ .................................................................................................................. 85

1) Especificaciones de los recintos y la partición ............................................................... 85

2) Equipos empleados y generalidades ............................................................................... 87

3) Determinación de posiciones de fuente y micrófonos ................................................... 88

4) Realización de ensayos................................................................................................... 93

C. Modelado con método de elementos finitos ....................................................................... 94

IV. RESULTADOS....................................................................................................................... 98

A. Algoritmo desarrollado ...................................................................................................... 98

B. Medición in situ ................................................................................................................ 101

C. Modelado con método de elementos finitos ..................................................................... 109

V. DISCUSIÓN ......................................................................................................................... 113

VI. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 116

VII. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Y RECOMENDACIONES .......................... 118

REFERENCIAS ........................................................................................................................... 120

ANEXOS ...................................................................................................................................... 124

LISTA DE TABLAS

TABLA I. NIVELES GUÍA DE EXPOSICIÓN AL RUIDO, PROPUESTOS POR LA WHO. .. 17

TABLA II. ESTÁNDARES MÁXIMOS PERMISIBLES DE EMISIÓN DE RUIDO DE

ACUERDO CON LA RESOLUCIÓN 0627 DE 2006. ................................................................. 18

TABLA III. VALORES DE LA CURVA ESTÁNDAR STC-50. ................................................ 62

TABLA IV. ESPECTROS DE NIVEL SONORO PARA CALCULAR LOS TÉRMINOS DE

ADAPTACIÓN. ............................................................................................................................. 69

TABLA V. VALORES DE REFERENCIA PARA AISLAMIENTO A RUIDO AÉREO. ......... 70

TABLA VI. NIVELES DE PRESIÓN SONORA PARA EL RUIDO DE FONDO MEDIDOS EN

LA SALA RECEPTORA, DE 100 HZ A 500 HZ. ...................................................................... 102

TABLA VII. NIVELES DE PRESIÓN SONORA PARA EL RUIDO DE FONDO MEDIDOS EN

LA SALA RECEPTORA, DE 630 HZ A 3150 HZ. .................................................................... 102

TABLA VIII. NIVELES DE PRESIÓN SONORA MEDIDOS Y PROMEDIO ENERGÉTICO EN

LA SALA EMISORA, DE 100 HZ A 500 HZ. ........................................................................... 103

TABLA IX. NIVELES DE PRESIÓN SONORA MEDIDOS Y PROMEDIO ENERGÉTICO EN

LA SALA EMISORA, DE 630 HZ A 3150 HZ. ......................................................................... 103

TABLA X. NIVELES DE PRESIÓN SONORA MEDIDOS Y PROMEDIO ENERGÉTICO EN

LA SALA RECEPTORA, DE 100 HZ A 500 HZ. ...................................................................... 104

TABLA XI. NIVELES DE PRESIÓN SONORA MEDIDOS Y PROMEDIO ENERGÉTICO EN

LA SALA RECEPTORA, DE 630 HZ A 3150 HZ. .................................................................... 105

TABLA XII. TIEMPO DE REVERBERACIÓN Y ÁREA DE ABSORCIÓN EN LA SALA

RECEPTORA, DE 100 HZ A 500 HZ. ........................................................................................ 106

TABLA XIII. TIEMPO DE REVERBERACIÓN Y ÁREA DE ABSORCIÓN EN LA SALA

RECEPTORA, DE 630 HZ A 3150 HZ. ...................................................................................... 106

TABLA XIV. RESULTADOS OBTENIDOS POR MEDIO DE LA SIMULACIÓN EN FEM.

...................................................................................................................................................... 111

TABLA XV. VALOR ÚNICO DE AISLAMIENTO OBTENIDO EN CADA UNO DE LOS

CASOS. ........................................................................................................................................ 115

TABLA XVI. MATERIALES UTILIZADOS EN LA BASE DE DATOS DEL ALGORITMO,

CON SUS PROPIEDADES. PARTE 1. ...................................................................................... 131

TABLA XVII. MATERIALES UTILIZADOS EN LA BASE DE DATOS DEL ALGORITMO,


TABLA XVIII. MATERIALES UTILIZADOS EN LA BASE DE DATOS DEL ALGORITMO,


TABLA XIX. MATERIALES UTILIZADOS EN EL ALGORITMO PARA LA CÁMARA DE

PARTICIONES DOBLES. PARTE 1. ......................................................................................... 134

TABLA XX. MATERIALES UTILIZADOS EN EL ALGORITMO PARA LA CÁMARA DE

PARTICIONES DOBLES. PARTE 2. ......................................................................................... 135

TABLA XXI. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE MICRÓFONO PARA EL REGISTRO

DE RUIDO DE FONDO EN LA SALA RECEPTORA. ............................................................ 156

TABLA XXII. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE FUENTES Y MICRÓFONOS PARA

EL REGISTRO DEL TIEMPO DE REVERBERACIÓN EN LA SALA RECEPTORA. ......... 156

TABLA XXIII. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE FUENTES Y MICRÓFONOS PARA

EL REGISTRO DE NIVEL DE PRESIÓN SONORA EN LOS RECINTOS EMISOR Y

RECEPTOR. ................................................................................................................................ 157

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1. Comparación entre resultados obtenidos mediante medición (puntos negros) y predicción

del aislamiento acústico (línea azul). ............................................................................................. 21

Fig. 2. Comparación entre resultados obtenidos mediante medición (puntos negros) y predicción

del aislamiento acústico (línea azul). ............................................................................................. 21

Fig. 3. Interfaz de usuario del software desarrollado por Santacruz, resultados de cálculo de un

muro simple. ................................................................................................................................... 22

Fig. 4. Ventana de datos del elemento separador para el modelado de una partición entre dos

recintos adyacentes con 4 aristas comunes, herramienta de cálculo del DB-HR. .......................... 24

Fig. 5. Resultados intermedios de la herramienta de cálculo del DB-HR. ..................................... 25

Fig. 6. Interfaz de usuario de dBKAisla, ventana principal. .......................................................... 26

Fig. 7. Interfaz de usuario del software AISLA. ............................................................................ 27

Fig. 8. Interfaz de usuario de INSUL 8.0, ventana principal. ........................................................ 28

Fig. 9. Interfaz de usuario de INSUL 9.0, ventana principal. ........................................................ 29

Fig. 10. Interfaz de usuario de SoundFlow, ventana principal. ...................................................... 30

Fig. 11. Interfaz de usuario SONarcuitect-ISO, ventana de reporte de aislamiento acústico. ....... 31

Fig. 12. Salón de clase con varias ventanas en una misma superficie para obtener iluminación

natural deseada ............................................................................................................................... 35

Fig. 13. Sistema de ventilación como fuente de ruido continuo. ................................................... 40

Fig. 14. Los trenes que pasan cada determinado tiempo, son un ejemplo de fuente de ruido

intermitente..................................................................................................................................... 41

Fig. 15. El apisonador es un ejemplo de fuente que genera ruido impulsivo. ................................ 42

Fig. 16. Elementos básicos del control de ruido. ........................................................................... 43

Fig. 17. Silenciador instalado en una moto como control de ruido en la fuente. ........................... 44

Fig. 18. Control de ruido en el medio de transmisión mediante el encerramiento de la fuente. .... 46

Fig. 19. Protectores auditivos en diadema para control de ruido en el receptor. ........................... 47

Fig. 20. Control del medio de transmisión implementando una partición acústica. ...................... 48

Fig. 21. Variación de la pérdida por transmisión en función de la frecuencia para particiones

simples. ........................................................................................................................................... 49

Fig. 22. Construcción y dimensiones para una partición simple en geometría rectangular y circular,

izquierda y derecha respectivamente.............................................................................................. 50

Fig. 23. Ejemplo de una partición compuesta, con dos superficies de diferente material, S1 y S2.54

Fig. 24. Ejemplo de una partición doble, con cámara de aire de distancia d entre los paneles de

superficie S1 y S2. ........................................................................................................................... 55

Fig. 25. Representación de una partición de lámina doble capa. La línea azul es el eje neutral del

panel compuesto. ............................................................................................................................ 57

Fig. 26. Estructura compuesta por N elementos considerada en el modelo de Ookura & Saito. ... 60

Fig. 27. Ejemplo de discretización de un cuerpo por medio de elementos finitos. ........................ 74

Fig. 28. Partición compuesta en el estudio D de la Universidad de San Buenaventura. ................ 77

Fig. 29. Metodología para el desarrollo del proyecto. ................................................................... 77

Fig. 30. Metodología para el desarrollo del algoritmo. .................................................................. 79

Fig. 31. Interfaz gráfica en MATLAB para el algoritmo. .............................................................. 80

Fig. 32. Tabla que contiene las especificaciones de la lista de superficies en la interfaz gráfica. . 81

Fig. 33. Ejemplo de impresión de los resultados obtenidos en la interfaz gráfica. ........................ 84

Fig. 34. Metodología para el desarrollo de la medición in situ. ..................................................... 85

Fig. 35. Dimensiones de los recintos del estudio D, en metros. Vista de planta............................ 86

Fig. 36. Dimensiones de la partición y ubicación de la ventana que la compone, vista desde el

recinto receptor. .............................................................................................................................. 86

Fig. 37. Puntos de medición para el ruido de fondo en el recinto emisor, en metros. ................... 89

Fig. 38. Posiciones de fuente y micrófonos para tiempo de reverberación en el recinto receptor, en

metros. Fuente 1 a la derecha y fuente 2 a la izquierda. ................................................................ 90

Fig. 39. Posiciones de fuente 1 y micrófonos para registro del nivel de presión sonora en los recintos

emisor y receptor, en metros. ......................................................................................................... 91

Fig. 40. Posiciones de fuente 1 y micrófonos para registro del nivel de presión sonora en los recintos

emisor y receptor, en metros. ......................................................................................................... 92

Fig. 41. Metodología para el modelado con el método de elementos finitos. ................................ 94

Fig. 42. PML implementada en la simulación mediante elementos finitos del elemento separador

bajo estudio mostrado en la figura (28). ......................................................................................... 95

Fig. 43. Visualización aumentada del mallado definido para la simulación del elemento separador

por método de elementos finitos. ................................................................................................... 96

Fig. 44. Valores ingresados para la superficie de ladrillo en el algoritmo desarrollado. ............... 99

Fig. 45. Valores ingresados para la superficie de vidrio en el algoritmo desarrollado. ................. 99

Fig. 46. Valores obtenidos con el algoritmo desarrollado para la predicción de la partición

compuesta bajo estudio. ............................................................................................................... 100

Fig. 47. Región controlada por masa en los resultados obtenidos para el aislamiento acústico por

medio del algoritmo desarrollado. ................................................................................................ 101

Fig. 48. Informe de resultados obtenidos para el DnT del elemento separador en el estudio D. .. 107

Fig. 49. Informe de resultados obtenidos para el R' del elemento separador en el estudio D. ..... 108

Fig. 50. Resultados obtenidos del aislamiento acústico por medio de la medición in situ. ......... 109

Fig. 51. Nivel de presión sonora obtenido en FEM para 501.19 Hz. Ejes en metros y SPL en dB.

...................................................................................................................................................... 110

Fig. 52. Región controlada por masa en los resultados obtenidos para el aislamiento acústico por

medio del modelado en FEM. ...................................................................................................... 112

Fig. 53. Resultados de aislamiento acústico obtenidos con los 3 casos. ...................................... 113

Fig. 54. Visualización de la interfaz de usuario de TLComp. ...................................................... 125

Fig. 55. Módulo Ingreso de superficie. ........................................................................................ 126

Fig. 56. Ejemplo de superficies ingresadas en la tabla del módulo Lista de superficies. ............ 127

Fig. 57. Ejemplo de muestra de resultados en los módulos Resultados y TL por frecuencias. ... 129

Fig. 58. Certificado de calibración del sonómetro CESVA SC310 de la Universidad de San

Buenaventura sede Medellín. ....................................................................................................... 152

Fig. 59. Sonómetro y analizador de espectro CESVA SC310 [49].............................................. 153

Fig. 60. Calibrador acústico CESVA CB006 [50]. ...................................................................... 154

Fig. 61. Micrófono de medición dbx RTA-M [51]. ..................................................................... 154

Fig. 62. Dodecaedro 01dB Omni12 [52]. ..................................................................................... 155

Fig. 63. Registro fotográfico en el recinto emisor........................................................................ 158

Fig. 64. Registro fotográfico en el recinto receptor. .................................................................... 159

Fig. 65. Nivel de presión sonora obtenido en FEM para 100 Hz. Ejes en metros y SPL en dB. . 160


...................................................................................................................................................... 161


...................................................................................................................................................... 162


...................................................................................................................................................... 163


...................................................................................................................................................... 164


...................................................................................................................................................... 165


...................................................................................................................................................... 166


...................................................................................................................................................... 167


...................................................................................................................................................... 168


...................................................................................................................................................... 169

Fig. 75. Nivel de presión sonora obtenido en FEM para 1000 Hz. Ejes en metros y SPL en dB.

...................................................................................................................................................... 169


...................................................................................................................................................... 170


...................................................................................................................................................... 171


...................................................................................................................................................... 172


...................................................................................................................................................... 173


...................................................................................................................................................... 174

DESARROLLO DE ALGORITMO EN MATLAB PARA LA DETERMINACIÓN DE AISLAMIENTO… 13

RESUMEN

En el presente trabajo se ha desarrollado un algoritmo en MATLAB, con interfaz de usuario, que

determina la pérdida por transmisión, el STC y el índice de reducción acústica R, de particiones

compuestas por n cantidad de superficies que, a su vez, pueden ser particiones simples, dobles o

de lámina doble capa.

Para validar los resultados del valor único de aislamiento, se realizó la predicción en el algoritmo

de una partición compuesta por una pared de ladrillo y una ventana doble con cámara de aire,

obteniendo un STC de 35; la medición in situ, de acuerdo con el estándar UNE-EN ISO 16283-

1:2014, con un STC de 30; y una simulación a partir del método de elementos finitos (FEM) en

2D, teniendo un resultado en el STC de 32.

De acuerdo con las validaciones realizadas, el algoritmo desarrollado resulta útil para la

determinación del aislamiento acústico de particiones compuestas durante la primera fase de diseño

en acústica arquitectónica.

Palabras clave: Pérdida por transmisión (TL), sound transmission class (STC), particiones

compuestas, aislamiento acústico, control de ruido.


ABSTRACT

An algorithm has been developed in MATLAB, with user interface, to determine the transmission

loss (TL), the STC and the acoustic reduction index R of composite walls of n number of surfaces

that can also be single-wall, double-wall or two-layer laminate.

To validate the results of the single isolation value, a prediction of a composite wall consisting of

a brick wall and a double window with an air chamber, was made in the algorithm, obtaining an

STC of 35; in-situ measurement, in accordance with the standard UNE-EN ISO 16283-1: 2014,

with an STC of 30; and a simulation by the finite element method (FEM) in 2D, having a result in

the STC of 32.

According to the validations carried out, the developed algorithm is useful for the determination of

the sound insulation in composite walls during the first design phase in architectural acoustics.

Keywords: Transmission loss (TL), sound transmission class (STC), composite walls, sound

insulation, noise control.


I. INTRODUCCIÓN

Se conoce como ruido a todo sonido indeseado que impacta de manera negativa en la comodidad,

productividad e incluso, de acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (WHO, por sus siglas

en inglés: World Health Organization) afecta de manera significativa la salud del receptor [1]. Para

disminuir el impacto generado por este fenómeno, el control de ruido busca maneras eficientes de

disminuir los niveles de presión sonora transmitidos a través de la intervención en la fuente sonora,

modificando su estructura o componentes; en el medio de transmisión, implementando, por

ejemplo, el uso de barreras o particiones; o en el receptor, mediante protección auditiva [2].

En el campo de la acústica arquitectónica, es importante realizar simulaciones previas a la

construcción o adecuación de un espacio para conocer el comportamiento de los materiales y

obtener una aproximación de los resultados deseados y así evitar sobrecostos que pueden surgir si

se determina la necesidad de modificaciones una vez implementados los sistemas de control.

En el proceso del diseño de aislamiento acústico, se ha podido evidenciar que la configuración de

algunos programas para predecir el aislamiento acústico de paredes, pisos y techos, permiten que

las particiones contengan únicamente un material por cada superficie, impidiendo realizar cálculos

con otros tipos de particiones donde se tienen diferentes materiales en una misma superficie, como

es el caso de una pared con una o varias ventanas o puertas. Por esto, surge la necesidad de tener

un programa que permita obtener resultados precisos y eficientes para el cálculo de la pérdida por

transmisión logrado por particiones compuestas y que agilice el proceso de diseño acústico de este

tipo de estructuras.

Con este proyecto se pretende realizar un algoritmo en MATLAB que permita calcular la pérdida

por transmisión de una partición compuesta por n cantidad de superficies, que pueden ser de

construcción simple, doble o lámina doble capa. Para esto diseña una interfaz de usuario donde se

ingresan las dimensiones de las superficies de acuerdo con su geometría, y se selecciona, desde

una base de datos predeterminada, el material que define las propiedades densidad, módulo de

Young, coeficiente de amortiguamiento y coeficiente de Poisson de los materiales. Para el caso de


particiones dobles se selecciona el material para definir el coeficiente de absorción al interior de la

cámara. Como resultados, el programa entrega los valores de pérdida por transmisión, STC e índice

de reducción acústica R.

Para validar el resultado del STC obtenido con el algoritmo, se realizó una medición de una

partición compuesta por una pared y un vidrio en construcción doble, ubicada en el estudio D de

la Universidad de San Buenaventura, sede Medellín; y una simulación de la misma partición con

el método de elementos finitos. De esta forma, se comprueba que es posible obtener una

aproximación del STC utilizando el algoritmo desarrollado para calcular la pérdida por transmisión

de particiones compuestas.

La estructura de este trabajo comienza con la identificación del problema, sus antecedentes,

justificación, objetivos, alcances y limitaciones. Continúa con la base teórica del proyecto y la

metodología utilizada para el desarrollo del algoritmo, la medición in situ y la simulación en FEM.

Finalmente, se presentan los resultados obtenidos, el análisis y las conclusiones.

A. Planteamiento del problema

Se define como ruido todo sonido indeseado, por tanto es un concepto subjetivo; por ejemplo, lo

que puede ser música para los asistentes de un concierto, puede ser ruido para los habitantes

cercanos al lugar [3]. Podemos tener diferentes fuentes de ruido como los provenientes de

construcciones, industrias, tráfico vehicular, altavoces, multitudes, maquinaria, aires

acondicionados, entre otros.

En la actualidad se presentan situaciones donde los sonidos indeseados que se transmiten a través

de las divisiones de los espacios cerrados impactan de manera negativa en la comodidad,

productividad e incluso, de acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (WHO, por sus siglas

en inglés: World Health Organization), el ruido afecta de manera significativa la salud del receptor

[1], ya que puede perturbar el sueño, causar efectos cardiovasculares y psicofisiológicos, disminuir


el desempeño, producir respuestas de molestia y cambios en el comportamiento social [4]. En la

tabla (1), se pueden observar los niveles (Leq) guía que establece la WHO para algunos lugares y

sus niveles máximos (Lmax) de exposición por tiempo, con los cuales se puede determinar cuánto

es “mucho ruido”. Por ejemplo, para un espacio como el dormitorio, es ideal tener un nivel de 30

dB cuando se está expuesto durante ocho horas, máximo 45 dB.

TABLA I. NIVELES GUÍA DE EXPOSICIÓN AL RUIDO, PROPUESTOS POR LA WHO.

Ambiente Leq [dBA] Tiempo [h] Lmax [dBA]

Dormitorio 30 8 45

Habitación de casa 50 16 -

Al aire libre (día) 55 16 -

Salón de clase 35 6 -

Patio de colegio 55 - -

Hospital 30 8 45

Sala de conciertos al aire libre 100 4 110

Audífonos 85 1 110

Nota: Valores tomados de [5].

En Colombia los niveles máximos de emisión de ruido permitidos se establecen mediante la

Resolución 0627 de 2006, cuyos valores se pueden observar en la tabla (2), estableciendo el horario

para día de las 7:01 a las 21:00 horas, y para noche de las 21:01 a las 7:00 horas.


TABLA II. ESTÁNDARES MÁXIMOS PERMISIBLES DE EMISIÓN DE RUIDO DE ACUERDO CON LA

RESOLUCIÓN 0627 DE 2006.

Sector Subsector

Nivel máximo

permitido [dBA]

Día Noche

A. Tranquilidad

y silencio

Hospitales, bibliotecas, guardería s, sanatorios, hogares geriátricos. 55 50

B. Tranquilidad

y ruido

moderado

Zonas residenciales o exclusivamente destinadas para desarrollo

habitacional, hotelería y hospedajes. 65 55

Universidades, colegios, escuelas, centros de estudio e investigación.

Parques en zonas urbanas diferentes a los parques mecánicos al aire libre.

C. Ruido

intermedio

restringido

Zonas con usos permitidos industriales, como industrias en general, zonas

portuarias, parques industriales, zonas francas. 75 75

Zonas con usos permitidos comerciales, como centros comerciales,

almacenes, locales o instalaciones de tipo comercial, talleres de mecánica

automotriz e industrial, centros deportivos y recreativos, gimnasios,

restaurantes, bares, tabernas, discotecas, bingos, casinos.

70 60

Zonas con usos permitidos de oficinas. 65 55

Zonas con usos institucionales.

Zonas con otros usos relacionados, como parques mecánicos al aire libre,

áreas destinadas a espectáculos públicos al aire libre. 80 75

D. Zona

suburbana o

rural de

tranquilidad y

ruido moderado

Residencial suburbana.

55 50

Rural habitada destinada a explotación agropecuaria.

Zonas de Recreación y descanso, como parques naturales y reservas

naturales.

Como soluciones a la problemática generada por el ruido, se toman medidas desde diferentes

ámbitos como el administrativo, por ejemplo, las entidades gubernamentales pueden establecer un

nivel de volumen permitido para la música en un edificio residencial o en una discoteca; desde el

ámbito técnico, se pueden implementar protecciones auditivas para un empleado del sector de la

construcción; en el educativo, advertir sobre las consecuencias del ruido excesivo.


Un ámbito importante como respuesta a los efectos del ruido, es la ingeniería, que en la rama del

control de ruido busca maneras eficientes de disminuir los niveles de presión sonora transmitidos

a través de las paredes, ventanas, pisos o puertas mediante materiales para el tratamiento acústico

del recinto, como el uso de barreras, silenciadores o particiones [2].

En Colombia, se carece de soluciones de planeación urbanística y control de ruido, ya que no hay

regulaciones como un Código Técnico de Edificación que establezca los lineamientos para

construir con calidad acústica suficiente y tenga en cuenta los niveles de ruido adecuados según

los espacios. Por tanto, se encuentran inconvenientes sobre sonidos indeseados una vez

materializados los proyectos, no en la planeación, lo que lleva a una nueva modificación que

implica más costos y más tiempo.

En el proceso del diseño de aislamiento acústico, se ha podido evidenciar que la configuración de

algunos software para predecir el aislamiento acústico de paredes, pisos y techos, presentan una

limitación al crear las particiones (división entre dos recintos), ya que permite únicamente un

material por cada superficie; esto no es un problema significativo o difícil de resolver en lugares a

diseñar como estudios o teatros, que generalmente son lugares cerrados que escasean de ventanas

y pueden llegar a tener solo una puerta debido a su construcción, de manera que esa superficie es

muy pequeña en comparación con la de la pared, por tanto su consideración en el cálculo no implica

cambios drásticos en los resultados. Sin embargo, para lugares como la habitación de una

edificación o de un centro educativo donde es común y deseado tener varias ventanas de diferentes

tamaños o más de una puerta, esas superficies son comparables con las de las paredes, lo que

implica cambios significativos en los resultados para el aislamiento obtenido debido a las

propiedades de los diferentes materiales que se tienen; allí, se convierte en necesidad para los

campos de control de ruido, acústica arquitectónica y los relacionados a la construcción, una

herramienta que permita determinar con mayor aproximación el aislamiento acústico de una

partición con dos materiales o más.


B. Antecedentes

En el congreso Inter-noise 2004, realizado en Praga, República Checa, el ingeniero mecánico Keith

Ballagh, miembro de la compañía acústica Marshall Day Acoustics Ltd., presentó su investigación

sobre la precisión de los métodos de predicción para la pérdida por transmisión de sonido [6],

donde realizó la comparación entre la teoría y los resultados de medición en laboratorio de la

pérdida por transmisión (TL, por sus siglas en inglés: Transmission Loss) en particiones simples,

dobles y de láminas doble capa, con la finalidad de establecer qué tan precisos son los cálculos

realizados para la predicción de aislamiento acústico de construcciones comunes de edificaciones,

ya que es necesario contar con métodos confiables que remplacen probar los posibles diseños

después de su construcción.

Se pueden observar algunas de las comparaciones realizadas por Ballagh, donde se obtienen

resultados de aislamiento acústico obtenidos mediante medición en laboratorio (puntos negros) y

mediante predicción (línea azul), en la figura (1), para una pared de vigas de acero compuesta por

una capa de yeso de 10 mm atornillada a cada lado a postes de 64 mm, con una cubierta de fibra

de vidrio de 75 mm en la cavidad; y en la figura (2) otra comparación para una pared de vigas de

acero compuesta por una capa de yeso de 10 mm atornillada a cada lado a postes de 64 mm, con

una cubierta de fibra de vidrio de 75 mm en la cavidad, representando los resultados de predicción

con una línea y los medición con puntos en ambas figuras.


Fig. 1. Comparación entre resultados obtenidos mediante medición (puntos negros) y predicción del aislamiento

acústico (línea azul).

Tomado de: [6].

Fig. 2. Comparación entre resultados obtenidos mediante medición (puntos negros) y predicción del aislamiento

acústico (línea azul).

Tomado de: [6].

En los resultados de las comparaciones realizadas, Ballagh concluye que la predicción del

aislamiento acústico tiene una precisión aceptable sobre el rango de frecuencias entre 50 Hz y 5

kHz frente a la medición in situ [6].

En las Primeras Jornadas Regionales de Acústica en Rosario, Argentina en noviembre del 2009, el

estudiante de ingeniería de sonido de la Universidad de San Buenaventura sede Bogotá, Carlos Nel


Santacruz Insausti, presentó su desarrollo de un software que permite calcular la pérdida por

transmisión de una partición simple, una compuesta por 2 materiales o una doble capa, también

con 2 materiales [7], tendiendo como datos de entrada el material utilizado y las dimensiones de la

partición, obteniendo de manera gráfica el TL en el rango de frecuencias 16Hz a 8kHz en resolución

de tercio de octava; también permite realizar la comparación entre dos particiones de iguales

dimensiones, pero diferente material, graficando el TL de ambos materiales de manera simultánea.

En la figura (3) se observa la interfaz de usuario del software, realizada de esta forma para permitir

su uso rápido y fácil. El software se limita a calcular cada una de las particiones por separado, de

manera que sólo se puede obtener la predicción para un máximo de dos materiales si juntos son

una partición de construcción compuesta o doble y no considera el cálculo para una partición doble

con cámara. El método de cálculo utilizado en dicho proyecto fue el expuesto por Randall F. Barron

en su libro “Industrial Noise Control and Acoustics”.

Fig. 3. Interfaz de usuario del software desarrollado por Santacruz, resultados de cálculo de un muro simple.

Tomado de: [7].


En España, el marco normativo que establece los lineamientos de seguridad y habitabilidad que

deben cumplir los edificios es el Código Técnico de la Edificación (CTE) [8], que contempla en la

exigencia de habitabilidad la protección frente al ruido mediante el Documento Básico DB-HR de

protección frente al ruido [9]. Para facilitar su aplicación, en colaboración con la Dirección General

de Arquitectura, Vivienda y Suelo del Ministerio de Fomento de España y el Instituto de Ciencias

de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC, el CTE desarrolló una herramienta informática de

cálculo del DB-HR aplicable a los proyectos de rehabilitación y edificación existente. El software

permite seleccionar varios tipos de modelado dependiendo de los elementos constructivos

(elementos de separación horizontales o verticales) y de su forma de unión, ingresar los datos de la

división, de los recintos receptor y emisor y los tipos de unión de los elementos constructivos.

En la figura (4), se puede observar la ventana de datos del elemento separador vertical para el

modelado de una partición entre dos recintos adyacentes con 4 aristas comunes, donde se ingresa

la superficie de la partición en la parte superior derecha; debajo, se selecciona el elemento

constructivo base y a la derecha de este, los revestimientos para ambas caras del separador; en la

parte inferior izquierda se ingresa la superficie que ocupan las ventanas para obtener el índice

global de reducción acústica aparente (RA); en la parte inferior derecha se imprime el resultado

final que obtiene el software, el cual indica si la partición cumple o no los valores establecidos de

diferencia de niveles estandarizada para aislamiento acústico a ruido aéreo (D’nT,A) y el nivel global

de presión de ruido de impactos estandarizado (L’nT,w) para aislamiento acústico a ruido de

impactos.


Fig. 4. Ventana de datos del elemento separador para el modelado de una partición entre dos recintos adyacentes

con 4 aristas comunes, herramienta de cálculo del DB-HR.

Tomado de: Software Herramienta de Cálculo del Documento Básico HR de protección frente al ruido v3.0.

Como resultados intermedios, mostrados en orden de lista en la figura (5), se obtienen los cálculos

de contribución directa, contribución de flanco a flanco, contribución de flanco a directo,

contribución de directo a flanco, contribución por transmisión aérea directa e indirecta, índice

global de reducción acústica aparente.


Fig. 5. Resultados intermedios de la herramienta de cálculo del DB-HR.

Tomado de: [10].

La empresa española ICR (Ingeniería para el Control del Ruido) desarrolló dBKAisla [11], un

programa de cálculo de aislamiento acústico de paredes simples, múltiples y mixtas, ofreciendo la

posibilidad de predecir el aislamiento acústico global entre dos habitaciones de acuerdo con los

estándares UNE-EN 12354-1:2000 para Aislamiento Acústico del Ruido Aéreo y UNE EN 12354-

2:2000 para Aislamiento Acústico a Ruido de Impactos, y con las especificaciones dadas por el

DB-HR del Código Técnico de la Edificación de España [12]. En la figura (6) se puede observar

la interfaz de usuario del software, donde en la parte izquierda se seleccionan los parámetros de

cálculo como el tipo de cálculo (ley de masas o ley de masas corregida), se selecciona el material

a utilizar de la base de datos que se encuentra en el botón ‘BD Material’ y el cálculo del TL con el

botón ‘Calcula TL’, que grafica los resultados en la parte superior derecha y muestra los valores

numéricos en la tabla ubicada bajo la gráfica. Se ve como ejemplo, de color rojo, el resultado para


el material hormigón normal de 0.14m, en verde para ladrillo macizo de 0.1m, en azul para

PYL13+LV35+PYL13 y en amarillo para 2PYL13+Abs. 50mm+2PYL13, materiales que

pertenecen a de la base de datos interna del software.

Fig. 6. Interfaz de usuario de dBKAisla, ventana principal.

Tomado de: [13].

El grupo de Grupo de Dispositivos y Sistemas Acústicos y Ópticos (DISAO, por sus siglas),

presentó en el 34º Congreso Nacional de Acústica, TECNIACUSTICA 2003, el software AISLA.

Basado en el modelo de Ookura & Saito, el software predice la pérdida por transmisión de

diferentes configuraciones multicapa [14], como se puede observar en el lateral izquierdo de la

figura (7), donde se selecciona el material, se ingresa el grosor y el número de capas para las capas

impermeables 1 y 2; para la capas absorbentes 1 y 2, se selecciona si cumplen la función de cámara

de aire o capa absorbente, se elige el material para la capa y se ingresan los valores de grosor y

densidad; posteriormente con el botón ‘Calcular’ se obtienen los resultados numéricos para las


frecuencias de 50 a 5000 Hz y de 100 a 3150 Hz en la tabla ubicada en el centro, y graficados en

la gráfica del lateral derecho.

Fig. 7. Interfaz de usuario del software AISLA.

Tomado de: Software AISLA.

Actualmente existen tres desarrollos comerciales destacados para predecir la pérdida por

transmisión de particiones: INSUL, SoundFlow y SONarchitect-ISO.

La empresa neozelandesa Marshall Day Acoustics comenzó a desarrollar desde hace más de diez

años el software INSUL [15], que permite predecir el aislamiento acústico a través de estructuras

multi-capas como paredes, pisos, techos y ventanas, así como ruido de impacto y de lluvia en pisos

y techo. Esto lo hace realizando una estimación de la pérdida por transmisión, el ruido de impacto

en bandas por 1/3 de octava y los índices de reducción de ruido y de impacto para usos en cálculos

de transmisión de ruido o diseño acústico, de acuerdo con dos opciones de estándares: ISO, basada

en estándares europeos y ASTM, estándar norteamericano. El método de cálculo del modelamiento


de las particiones y los materiales tiene base en la incorporación de los métodos de cálculo de los

trabajos de investigación publicados en los últimos 15 años, como los de Sharp, Cremel, Fahy,

Rindel y otros.

Se puede observar en la figura (8), la interfaz gráfica de INSUL 8.0, que permite elegir en la parte

superior izquierda el estándar a utilizar para la evaluación de la partición. Después de seleccionados

todos los parámetros y especificados los materiales en la parte inferior izquierda, el software ilustra

la partición con sus medidas y materiales en la parte superior izquierda; en la parte inferior derecha,

grafica y tabula los resultados de la pérdida por transmisión con la curva de referencia del STC

correspondiente. Una función adicional es la creación de materiales ingresando sus 3 parámetros

principales: densidad, módulo de elasticidad (módulo de Young) y la amortiguación.

Fig. 8. Interfaz de usuario de INSUL 8.0, ventana principal.

Tomado de: http://www.insul.co.nz.


En el 2017, Marshall Day Acoustics presenta su nueva versión de INSUL, la 9.0, que contiene

como novedades sobresalientes el cálculo de particiones compuestas, la representación en 3D de

la partición y la posibilidad de escuchar una simulación del aislamiento calculado. Se puede

observar en la figura (9), la selección del tipo de construcción en la parte izquierda, debajo la

activación de modo 3D y 2D para la visualización de la partición y los botones para escuchar la

simulación del ruido en la sala emisora y la atenuación en la sala receptora; al lado de las opciones

mencionadas, se encuentra la gráfica de la partición con los resultados finales de aislamiento en

bandas de octava y el índice de reducción acústica obtenido; en la parte derecha, se puede

seleccionar el tipo de partición y seleccionar las dimensiones y el material; y en la parte inferior

derecha se grafican los resultados de pérdida por transmisión y la curva de referencia para la

partición.

Fig. 9. Interfaz de usuario de INSUL 9.0, ventana principal.

Tomado de: [16].


Otra herramienta con la misma función de calcular la pérdida por transmisión de una partición es

SoundFlow [17]. Desarrollado por la compañía AFMG, este software de simulación calcula la

absorción, reflexión y transmisión del sonido a través de estructuras multi-capa. El método de

cálculo implementado tiene base en la teoría de absorción desarrollada por Mechel, Bies y otros, y

de acuerdo con el estándar ISO 12354. Se puede observar en la interfaz de la figura (10), que se

obtienen como resultados los gráficos del coeficiente de absorción y reflexión dependiente de la

frecuencia, así como la pérdida de transmisión, la impedancia de entrada compleja y otras medidas

acústicas. Una función adicional que ofrece SoundFlow es exportar tablas, gráficos e informes

completos como archivos de material EASE, software enfocado al diseño de espacios acústicos

desarrollado por la misma empresa.

Fig. 10. Interfaz de usuario de SoundFlow, ventana principal.

Tomado de: https://bit.ly/2R1GxP1.

Para un uso de mayores dimensiones, el software SONarchitect-ISO [18], desarrollado por la

compañía Sound Of Numbers, permite determinar el aislamiento acústico en edificaciones por


tercios de octava con base en el estándar ISO 12354, especificando detalladamente los resultados

para cada recinto dentro de la edificación, el comportamiento de cada separación, de los elementos

de flanqueo y rutas de transmisión. El desarrollo de este software ofrece como ventaja la

disminución del tiempo que tarda realizar la predicción de pérdida por transmisión de toda una

edificación, ya que permite realizar todo el proceso de cálculo sin necesidad de modelar partición

por partición y recinto por recinto, como ocurriría con los programas mencionados, donde

únicamente es posible el cálculo de una partición o un recinto. En la figura (11) se puede observar

la ventana de reporte de aislamiento acústico para las habitaciones representadas en la parte

superior derecha y, en la parte inferior, los resultados de aislamiento para transmisión de ruido vía

aérea (izquierda) y de impacto (derecha).

Fig. 11. Interfaz de usuario SONarcuitect-ISO, ventana de reporte de aislamiento acústico.

Tomado de: [19].


C. Justificación

En el campo de la acústica arquitectónica es importante realizar simulaciones previas para conocer

el comportamiento de los elementos antes de realizar la construcción y asegurarse de obtener los

resultados deseados, pues en el caso contrario, si se obtienen los resultados una vez realizada la

construcción y se determina la necesidad de modificaciones para cumplir el resultado deseado, los

gastos económicos aumentarían.

Debido a la falta de normativas en Colombia para regular la transmisión de ruido a través de las

particiones de una edificación, se evalúan los resultados una vez realizada la construcción, lo que

implica tiempo y gastos adicionales para corregir los problemas que no fueron identificados en la

etapa de diseño; por esto, es necesario el desarrollo de un algoritmo que permita optimizar los

procesos y obtener resultados más exactos en la fase de diseño. Si bien existen varios softwares

para realizar la predicción de varios tipos de particiones, la mayoría permiten en su configuración

ingresar un solo material para la superficie de la partición, lo que conduce a obtener un margen de

error considerable en los resultados cuando la partición tiene dos materiales, por ejemplo: una pared

con una ventana o una pared con una puerta.

Si bien en el ámbito del control de ruido suelen tratarse lugares que, por su finalidad, deben tener

condiciones sonoras específicas como teatros, estudios de grabación o cámaras anecoicas, su

construcción carece de ventanas, por tanto sus paredes son del mismo material, con una variación

causada por la entrada al lugar en una de las paredes que puede ser aproximada al momento de la

simulación, ya que no genera un cambio drástico en los resultados; existe una aplicación dirigida

a la comodidad en la vida cotidiana, como en el trabajo, aulas de clase o en el hogar, donde el

algoritmo a desarrollar es necesario para la planeación urbanística, ya que puede simplificar la

simulación del aislamiento de ruido de las particiones con diferentes materiales, comunes en dichos

espacios, y con resultados más aproximados a los obtenidos cuando se realiza el cálculo de un solo

material. Esto implica un impacto positivo en la industria de la construcción debido a la posibilidad

de tener resultados óptimos en menor tiempo al conocer el comportamiento de las divisiones de

una edificación para cumplir con las necesidades de disminución de ruido.


Colombia se encuentra en una sociedad de desarrollo, donde la construcción sostenible, de bajos

gastos y disminución de recursos, es un aspecto importante para tener equilibrio entre economía e

impacto ambiental; y se encuentra contemplada en el Decreto 1285 del 12 de junio de 2015 y de la

Resolución 0549 del 10 de julio de 2015 que adoptan los “lineamientos para la construcción

sostenible en materia ahorro agua y, sin perjuicio que a futuro se incorporen medidas adicionales”.

El ámbito del sonido también hace parte del impacto ambiental, pues el ruido es un elemento de

contaminación que afecta varios aspectos de importantes en el desarrollo de la vida cotidiana, tanto

en materia de salud como económica [20]. En Colombia, este aspecto se regula mediante el

establecimiento de los niveles máximos permitidos de emisión de ruido por sector y los niveles

máximos permitidos de ruido ambiental la Resolución 0627 de 2006; y en Antioquia, ha sido

tratado bajo el proyecto de Guías de Construcción Sostenible desarrollado por el Área

Metropolitana del Valle de Aburrá y la Universidad Pontificia Bolivariana [21], que cumple el

objetivo de sostenibilidad de “reducir los impactos por ruido exterior en los ambientes interiores

de acuerdo con las condiciones de bienestar auditivo” [22] y reconoce el confort acústico como

necesidad para cumplir con la característica de habitabilidad en el diseño de edificaciones

sostenibles, planteando como los lineamientos de diseño, planeación y etapa de construcción, el

control de ruido, el aislamiento acústico y el acondicionamiento acústico [23].

En ese orden de ideas, la implementación de un software que aporta a la construcción desde el

control de ruido en la etapa de diseño ayuda a varios campos como ingeniería acústica, arquitectura,

ingeniería civil y salud ocupacional; y significa que el desarrollo de un proyecto en la etapa de

diseño sea más preciso y eficiente, solucionando problemáticas de comodidad, economía, salud y

construcción, que se relacionan entre sí.


D. Objetivos

1) General

Desarrollar un algoritmo en MATLAB que permita determinar el aislamiento acústico de una

partición compuesta.

2) Específicos

• Desarrollar un algoritmo con interfaz de usuario (Guide) en el software MATLAB que

determine la pérdida por transmisión de una partición compuesta por n materiales para las

frecuencias desde 20Hz hasta 20kHz en bandas de tercio de octava y el valor único de

aislamiento, ingresando las dimensiones de acuerdo con el tipo de geometría (rectangular

o circular) y, a través de una librería de materiales, determinar las propiedades densidad,

módulo de Young, coeficiente de amortiguamiento y coeficiente de Poisson del material.

• Implementar en el algoritmo el ingreso de particiones dobles y lámina doble capa,

habilitando un segundo material para ambas y, para el caso de una partición doble, la

determinación del coeficiente de absorción por medio de una librería de materiales.

• Realizar la medición in situ de una partición compuesta de acuerdo con el estándar UNE-

EN ISO 16283-1:2014, con el fin de evaluar el algoritmo e identificar la sensibilidad en el

cálculo del STC.

E. Hipótesis

Como respuesta a las problemáticas de protección del ruido, el control de ruido busca soluciones

de aislamiento acústico para obtener niveles adecuados. Existen desarrollos realizados para la


simulación, específicamente de particiones, enfocados a lugares que, por su finalidad, tienen

condiciones específicas y por su construcción se puede realizar una aproximación para que las

superficies contengan solo un material, pues el porcentaje de otros materiales, como ventanas o

puertas, pueden ocupar un porcentaje pequeño respecto al material del resto de la pared, lo que

posiblemente no aporte de manera significativa al resultado, como si lo haría una partición donde

el porcentaje de superficie ocupado por ventanas o puertas sea comparable al del material por el

que esté compuesta la pared.

En el entorno cotidiano, nos encontramos con lugares donde es deseado tener varias ventanas para

una iluminación natural agradable o varias puertas para diferentes accesos, como en el salón de

clase que se observa en la figura (12). Para realizar una simulación más aproximada de estos

espacios, el porcentaje de superficies con dos materiales diferentes puede ser significativo a la hora

de realizar los cálculos. De acuerdo con esto, se establece la siguiente hipótesis: ¿es posible

desarrollar un algoritmo en Matlab que determine el aislamiento acústico de particiones

compuestas, con la finalidad de que sea útil en la primera fase de diseño en acústica arquitectónica

en lugares de uso cotidiano como aulas de clase u hogares?

Fig. 12. Salón de clase con varias ventanas en una misma superficie para obtener iluminación natural deseada

Tomado de: https://bit.ly/2NmzsdK.


F. Alcances

El desarrollo del algoritmo es realizado en el software MATLAB, con una plataforma de usuario

que permite seleccionar diferentes materiales con sus propiedades, para obtener como resultado el

TL por frecuencias en bandas de octava desde 20 Hz hasta 20 kHz, la curva de STC (por sus siglas

en inglés: Sound Transmission Class) y el valor de índice de reducción acústica R de particiones

compuestas por superficies que a su vez pueden ser particiones simples, dobles o de lámina doble

capa; y un manual de usuario que especifique el funcionamiento del algoritmo, cómo ingresar los

datos para realizar el cálculo y los estándares que se usan para obtener los resultados.

Para comprobar la precisión del algoritmo se realizarán dos comparaciones, una con la medición

in situ de una partición compuesta que tiene una ventada en construcción doble, ubicada en el

estudio D de la Universidad de San Buenaventura sede Medellín y otra con una simulación

mediante el método de elementos finitos.

G. Limitaciones

Los materiales que se pueden seleccionar en el software están contenidos en dos librerías, una con

las propiedades densidad, coeficiente de amortiguamiento, modulo de Young y coeficiente de

Poisson, y otra con el coeficiente de absorción; de manera que no es posible ingresar un material

nuevo desde el software, pero si modificar las propiedades de los materiales o reemplazar las

librerías de la forma que se indica en la guía de usuario del anexo A.

Algunas formas comunes de construcción de ventas en tipo de partición doble se realizan

inclinando uno o los dos vidrios. En el software asume que las ventanas están ubicadas de forma

recta, lo que impide especificar si el vidrio tiene alguna inclinación.


Los modos de vibración estructurales de la partición ingresada no se tienen en cuenta para el cálculo

del aislamiento.

Se realizará una medición in situ del aislamiento vía aérea para realizar una validación de los

resultados con los del algoritmo. Los resultados obtenidos, tanto con el software como con la

medición, están ligados a los estándares ISO 717-1:1996 y UNE-EN ISO 16283-1:2014 para

transmisión de ruido por vía aérea, así como a los procedimientos descritos por Barron [2].

La simulación por el método de elementos finitos se realizará en 2D.


II. MARCO TEÓRICO

A. Ruido

Definimos el ruido como todo sonido indeseado, que no se necesita o se quiere escuchar. El ruido

puede producir incomodidad o irritación [24], por tanto es un concepto subjetivo, pues lo que puede

ser música para los asistentes de un concierto, puede ser ruido para los habitantes cercanos al lugar

[3]. Podemos clasificar el ruido de acuerdo con el medio por el que se propaga en 2 tipos: aéreo y

estructural; y de acuerdo con la propagación de la fuente en 4 tipos: continuo, intermitente,

impulsivo y de baja frecuencia.

1) Tipos de ruido de acuerdo con su medio de propagación

a) Ruido aéreo

El medio de propagación de este tipo de ruido es el aire y puede ser generado por fuentes como el

habla, la televisión y radio, sonidos de animales o el transporte.

Pueden surgir problemas cuando las puertas, ventanas u otras aberturas se enfrentan a espacios

ruidosos, como una vía de circulación de automóviles, una calle concurrida o un parque. Los bajos

estándares de fabricación producen que el sonido sea transmitido directamente entre espacios, por

ejemplo, a través del borde que rodea las puertas, y puede producir un sonido de flanqueo, donde

el sonido viaja alrededor de un elemento separador, aunque el elemento pueda proporcionar buen

aislamiento acústico. Incluso brechas muy pequeñas pueden causar un aumento significativo en la

transmisión del sonido aéreo [25].


b) Ruido estructural

Este tipo de ruido es transmitido a través de la estructura de una edificación, resultado de un

impacto en, o una vibración en contra de, una parte de construcción que produce un sonido que se

irradie [26]. De esta manera, tenemos dos formas de ruido estructural: impacto y vibración. La

primera ocurre cuando un objeto impacta con la estructura, lo que resulta en la generación y

transmisión del ruido a través del elemento impactado; la segunda, causada por el impacto, resulta

en que el sonido se irradie desde una superficie vibratoria adyacente [27]. Un ejemplo típico de la

transmisión estructural son los pasos en el piso de una habitación que pueden ser escuchados en la

habitación que se encuentra debajo.

Este tipo de transmisión comprende cinco procesos:

• Generación: la fuente de la oscilación, el impacto.

• Transmisión: la transferencia de la energía oscilatoria desde la fuente hacia la estructura.

• Propagación: la distribución de la energía a lo largo del sistema estructural.

• Atenuación: cuando las ondas que se mueven a través de la estructura se encuentran con

cambios estructurales o de material, pueden ser parcialmente reflejadas, reduciendo la

energía transmitida y por tanto se atenúa el ruido.

• Radiación: la emisión del sonido desde una superficie expuesta.

La transmisión de ruido estructural está estrechamente relacionada con la transmisión vía aérea,

pues las vibraciones estructurales se pueden irradiar desde las superficies, creando un sonido en el

aire, y el sonido del aire puede hacer que un elemento de una estructura vibre cuando se encuentra

con una superficie [26].


2) Tipos de ruido de acuerdo con la propagación de la fuente

a) Ruido contínuo

Se refiere al sonido que se produce continuamente por una fuente que está en funcionamiento sin

interrupción. Usualmente proviene de fuentes como maquinaria de fábrica o sistemas de

calefacción y ventilación [24], como el observado en el ejemplo de la figura (13).

Fig. 13. Sistema de ventilación como fuente de ruido continuo.

Tomado de: https://bit.ly/2pmIrgT y https://bit.ly/2xvjNOE.

b) Ruido intermitente

Es un ruido cuyo nivel aumenta y disminuye rápidamente, su reproducción tiene intervalos de

tiempo cortos. Como ejemplo tenemos un tren que pasa por el lugar donde estamos, como se

observa en la figura (14), o maquinaria de fábrica que opera en ciclos [24].


Fig. 14. Los trenes que pasan cada determinado tiempo, son un ejemplo de fuente de ruido intermitente.

Tomado de: https://bbc.in/2NVzHMj y https://bit.ly/2xvCC5h.

c) Ruido impulsivo

Se distingue del ruido intermitente debido a que su tiempo de reproducción es casi instantáneo, de

intervalos más cortos. Son comúnmente asociados con sonidos de construcción y demolición, por

ejemplo, el golpe de un martillo demoledor o un apisonador como el que se observa en la figura

(15) [24].


Fig. 15. El apisonador es un ejemplo de fuente que genera ruido impulsivo.

Tomado de: https://bit.ly/2NWd8Y3 y https://bit.ly/2NVAsF9.

d) Ruido de baja frecuencia

Estas fuentes emiten ruido con alto contenido en frecuencias bajas, alrededor de 10 Hz y 200 Hz

[28]. Aunque en ocasiones no sea percibido auditivamente debido al espectro de audición del oído

humano (20 Hz – 20 kHz), ya sea el bajo nivel de zumbido de las centrales eléctricas o el rugido

de los grandes motores diésel, estamos expuestos constantemente al ruido de baja frecuencia [24].

B. Control de ruido

Actualmente, todos experimentamos problemas relacionados con el sonido o el ruido y es una

preocupación no sólo por la molestia que puede generar, sino también por los efectos negativos en

la salud, ya que hay peligro de pérdida de audición al estar expuesto a un nivel de ruido mayor a

cierto nivel, de acuerdo con el tiempo al que se esté expuesto [1]. La preocupación sobre el impacto

del ruido se reguló por primera vez en la ley de Walsh-Healy de 1969 de Estados Unidos, que


estableció un conjunto de regulaciones nacionales de ruido ocupacional [29] administradas por la

OSHA (Occupacional Safety and Health Administration: Administración de Seguridad y Salud

Ocupacional, en español). A partir de dicha ley, las industrias y los gobiernos se vieron motivados

a encontrar una solución efectiva y económica a este problema. Es allí, donde el control de ruido

es una parte fundamental como generador de soluciones, mediante procedimientos que, entre otros,

incluyen el tratamiento acústico de las paredes de los recintos, barreras y aislamiento.

1) Principios del control de ruido

En un sistema de control de ruido hay tres elementos básicos: la fuente de sonido, el medio a través

del cual viaja y el receptor, los cuales se pueden distinguir en la figura (16). El medio por el cual

se propaga el sonido puede ser directo (aire) o indirecto (reflexiones en las superficies del espacio).

El principal objetivo del control de ruido es reducir el ruido en el receptor, lo cual se puede lograr

realizando modificaciones en cualquiera de los tres elementos [2].

Fig. 16. Elementos básicos del control de ruido.


a) Control de ruido en la fuente

La fuente de ruido indeseada es una superficie vibratoria, como un motor de un vehículo, la

corriente de aire producida por un ducto de ventilación o el ruido generado por los vehículos en

una autopista. Las modificaciones en la fuente son consideradas como la mejor solución para un

problema de control de ruido ya que, se está interviniendo el problema desde su raíz al disminuir

el ruido generado por la fuente, que puede ser tanto de fabricación o funcionamiento de la fuente,

como de necesidad de mantenimiento [2]. Por ejemplo, en las motos se usa un silenciador, como

se puede observar en la figura (17), para reducir el nivel de ruido producido por el motor y forma

parte del sistema de escape.

Fig. 17. Silenciador instalado en una moto como control de ruido en la fuente.

Tomado de: https://bit.ly/2MP7gLs.


b) Control de ruido en el medio de transmisión

Cuando realizar una modificación en la fuente no es posible, práctico o económico, se acude a

controlar el medio por el cual se transmite el sonido para abordar el problema. Una de las soluciones

más simples es desplazar físicamente la fuente del receptor, aumentando el tamaño del medio de

transmisión para que el sonido pierda energía al recorrer la distancia que lo separa del receptor.

Para fuentes localizadas tanto en interiores como en exteriores el medio puede ser modificado al

situar una división o barrera entre la fuente y el receptor, lo cual es eficiente para el caso donde la

trasmisión es directa ya que, si es indirecta, las reflexiones en las superficies que transmiten el

ruido pueden no ser detenidas por la división o la barrera. Caso para el cual es más recomendable

intervenir el espacio, situando superficies de materiales absorbentes [2].

Otro procedimiento de control de ruido efectivo, que puede ser más costoso que los anteriores, es

afectar el medio de transmisión del sonido encerrando la fuente de ruido en un recinto acústico o

al receptor en una cabina personal, como se muestra en la figura (18); esta última es una solución

viable si se va a trabajar con una maquinaria que se controle a distancia.


Fig. 18. Control de ruido en el medio de transmisión mediante el encerramiento de la fuente.

Tomado de: https://bit.ly/2xmTf2X.

El ruido emitido por los motores, ventiladores y turbinas se controla mediante el uso de mofles o

silenciadores, que actúan para reflejar la energía acústica hacia la fuente nuevamente o para

disiparla mientras se transmite a través del silenciador.

c) Control de ruido en el receptor

El oído humano es el receptor más común y por esto hay un límite de modificación, una de las

opciones es disminuyendo el tiempo al que se está expuesto a altos niveles de ruido. Si reducir este

tiempo es poco viable, se puede hacer uso de protectores o tapones para los oídos. Estas opciones

se recomiendan como las últimas en ser ejecutadas, ya que su uso también limita el escuchar señales

de precaución o, para el caso de los protectores auditivos en diadema, como los que se observan en

la figura (19), su peso puede ser incómodo para la cabeza y el cuello cuando se usa en largas

jornadas [2].


Fig. 19. Protectores auditivos en diadema para control de ruido en el receptor.

Tomado de: https://bit.ly/2PN3hAY.

C. Pérdida por transmisión en particiones

Un procedimiento para controlar el ruido, afectando el medio de transmisión, es implementar una

barrera acústica o partición que divida la fuente del receptor para que el nivel de ruido que recibe

el receptor disminuya, como se muestra en la figura (20). Este método es muy utilizado en edificios

o estudios de grabación, donde se busca que el ruido producido en una habitación no afecte las que

están a su alrededor.


Fig. 20. Control del medio de transmisión implementando una partición acústica.

La pérdida por transmisión (TL) define cuánta atenuación del sonido genera la partición cuando

las ondas sonoras atraviesan el material. Para efectos de diseño, es importante predecir la pérdida

por transmisión en un rango amplio de frecuencias y también definir el tipo de partición que se va

a diseñar. De acuerdo con Barron [2], se distinguen cuatro tipos de particiones: simples,

compuestas, dobles y particiones de láminas doble capa; del primer tipo se desprenden las

siguientes tres.

Para comprender el comportamiento de los tipos de particiones, es necesario conocer las 4

principales propiedades del material que se tienen en cuenta para determinar la pérdida por

transmisión, estas son:

• Densidad del material (𝝆): se refiere a la relación de cantidad de masa por unidad volumen

del material. Sus unidades en el sistema internacional (SI) son kg/m3 [30].

• Coeficiente de amortiguamiento (𝜼 ): cuando un sistema está en movimiento, fuerzas no

conservativas como la fricción, provocan una disminución de la energía mecánica del

sistema en el tiempo, y se dice que el sistema está amortiguado. El coeficiente de

amortiguamiento es una medida adimensional que describe el decaimiento de las

oscilaciones de un sistema después de una perturbación [30].

• Módulo de Young (𝑬): se entiende como la rigidez del material, mide la resistencia de un

sólido a un cambio en su longitud. Sus unidades en el SI son GPa [30].


• Coeficiente de Poisson (𝝈): Esta medida adimensional indica la capacidad que tiene un

material para deformarse.

1) Particiones simples

Su construcción consta de una superficie de un material, cuya pérdida por transmisión varía en

función de la frecuencia, como se muestra en la figura (21), dividiendo su comportamiento en tres

regiones:

• Región I, controlada por la rigidez.

• Región II, controlada por la masa.

• Región III, controlada por amortiguamiento.

Fig. 21. Variación de la pérdida por transmisión en función de la frecuencia para particiones simples.

Tomado de: [2].


a) Región I, controlada por la rigidez

En bajas frecuencias, la partición vibra como un bloque y la transmisión del sonido a través del

elemento separador o panel está determinada por la rigidez del material del cual está hecho,

definida por el módulo de Young E [GPa, Gigapascal], y la capacidad de deformación del mismo,

expresada mediante el coeficiente de Poisson .

Esta región tiene límite en la frecuencia de resonancia del material, 𝑓𝑠 o 𝑓11 [Hz], donde el

desplazamiento del panel es mayor, generando así que el aislamiento sea menor, es decir, que haya

mayor transmisión del sonido. La frecuencia de resonancia se define de acuerdo con la geometría

del material, teniendo como dimensiones para una geometría rectangular el ancho (a), alto (b) y

grosor (h), y para una circular el diámetro (D) y el grosor (h), como se muestra en la figura (22);

se calcula para un panel rectangular por medio de la ecuación (1) y para un panel circular mediante

la ecuación (2).

Fig. 22. Construcción y dimensiones para una partición simple en geometría rectangular y circular, izquierda y

derecha respectivamente.

(1) 𝑓11 =𝜋

4√3𝑐𝐿ℎ [(

1

𝑎)

2+ (

1

𝑏)

2]


(2) 𝑓11 =10,2

𝜋√3𝑐𝐿

ℎ

𝐷2

Donde 𝑐𝐿 = √𝐸

𝜌𝜔(1−𝜎2), velocidad de propagación del sonido en la partición,

𝜌𝜔: densidad del material de la partición.

En incidencia normal, la pérdida por transmisión TL se define con la ecuación (3), y con la ecuación

(4) en incidencia aleatoria.

(3) 𝑇𝐿𝑛 = 10𝑙𝑜𝑔 (1 +1

𝑘𝑠2)

(4) 𝑇𝐿𝑛 = 10𝑙𝑜𝑔 (1 +1

𝑘𝑠2) − 10𝑙𝑜𝑔 [𝑙𝑛 (1 +

1

𝑘𝑠2)]

Donde 𝑘𝑠 = 4𝜋𝑓 · 𝜌𝑜𝑐 · 𝐶𝑠;

𝑐: velocidad del sonido en el aire;

𝑓: frecuencia de cálculo o interés;

𝜌𝑜𝑐: impedancia característica del medio;

𝐶𝑠: compliancia mecánica del material.

La compliancia mecánica del material depende de la geometría de este, para un panel rectangular

se define en la ecuación (5), y para uno circular en la ecuación (6).

(5) 𝐶𝑠 =768(1−𝜎2)

𝜋2𝐸ℎ3(1

𝑎2+

1

𝑏2)

2

Donde

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