Acústica adecuada, indispensable en el confort

Recientemente se publicó en México la nueva norma de comisionamiento, en la que el elemento acústica toma un papel protagónico, al ser uno de los factores que inciden en mayor medida en el confort de los usuarios. El tema es amplio, sin embargo, una revisión a lo que se ha investigado y una lista de posibles alternativas buscan, en este artículo, dar una mayor difusión y despertar más interés en el tema

Desde hace varios años, el ruido se ha convertido en una de las principales preocupaciones de la vida diaria, pues tanto dentro de la vivienda como en la calle o en el lugar de trabajo, este elemento puede ser el culpable de múltiples problemas.

La generación, transmisión y recepción de sonidos derivados del uso de instalaciones de climatización, basan su comportamiento en los principios físicos que rigen la generación, dispersión y recepción de ondas sonoras.

Estos fundamentos acústicos se basan en la rama de la física que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir, ondas mecánicas que se propagan a través de la materia por medio de modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido, sin embargo, el espectro de esta disciplina es mucho más complejo.

Para poder formar un contexto es necesario hablar de distintos términos, como el sonido, fenómeno vibratorio que, a partir de una perturbación inicial del medio elástico donde se produce, se propaga bajo la forma de una variación periódica de presión. Si a este fenómeno se le añade un matiz subjetivo originado por la sensación sonora que provoca, cuando es detectado por el oído, generando una sensación de molestia o dolor, llega a ser denominado ruido.

El sonido es una onda de presión y, como tal, se propaga por el aire mediante compresiones y expansiones, que provocan oscilaciones de la presión atmosférica. Sobre este punto es indispensable decir que las fluctuaciones de la presión atmosférica por encima y por debajo del valor estático se conocen como presión sonora.

El valor mínimo de presión sonora que un oído adulto sano es capaz de detectar es del orden de 2·10-5 pascales, mientras que la presión sonora máxima que es capaz de soportar, sin que produzca la sensación de dolor, es de 200 pascales.

Dado que el valor medio de la onda sonora es nulo, se toma como indicador la presión sonora eficaz (prms) de acuerdo con la siguiente ecuación:

La intensidad sonora I es la energía que atraviesa la unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación del sonido en la unidad de tiempo. Las expresiones para obtener esta magnitud en campo libre, y en campo difuso o reverberante, son: Ipc prms /2 e Ipc prms /42, donde prms 2 es el cuadrado de la presión sonora eficaz, r es la densidad del medio y c la velocidad de propagación de la onda en dicho medio (c aire ≈ 340 metros sobre segundo y c agua ≈ 1.460 metros sobre segundo).

La unidad de la intensidad sonora en el sistema internacional es el W/m2, y el mínimo valor que un oído adulto sano es capaz de detectar es del orden de 10-12 W/m2; mientras que el valor máximo que es capaz de soportar sin sensación de dolor es del orden de 102 W/m2.

Potencia sonora

Otro tema que compete en la acústica es el de la potencia sonora, expresado en w, es la magnitud definida como la energía sonora que atraviesa una superficie en la unidad de tiempo, medida en vatios (W). Por lo tanto, esta magnitud está directamente relacionada con una fuente de ruido, foco de emisión de la potencia sonora. Algunos ejemplos del orden de magnitud de algunas fuentes de ruido son:

Para fuentes omnidireccionales, la intensidad sonora se relaciona con la potencia sonora según la superficie de emisión de la fuente, cumpliendo la igualdad: w = IS, para la cual la superficie dependerá del tipo de onda: Onda esférica: S = 4πr 2y Onda cilíndrica: S = 2πrl, donde r es la distancia de la fuente al receptor y l es la longitud o altura del cilindro.

Si la fuente es puntual, la potencia sonora se expresa:

w= I 4πr2

Si la fuente es lineal, la potencia sonora se expresa:

w= I 2πrl

En caso de que la fuente sonora no emita uniformemente sonido en todas las direcciones, la intensidad varía sobre la superficie de emisión, conforme a la propiedad conocida como directividad sonora (ED).

La potencia sonora va ligada a la fuente que la provoca de una manera directa, por ello también puede definirse como la cantidad de energía producida por una fuente sonora en una unidad de tiempo.

En la Tabla 1 se muestran las unidades de medida de las magnitudes sonoras estudiadas en algunos manuales de ingeniería.

Tabla 1

Algunos sonidos del entorno pueden ser soportables, mientras que otros serán apenas perceptibles y, para su estudio, se tuvo que delimitar con fórmulas y esquemas el tipo de medidas que existen en acústica. Estas circunstancias justifican el uso del decibelio (dB) como sistema de cuantificación de las magnitudes sonoras.

Nivel de intensidad sonora

Como se ha descubierto en distintos estudios, las variaciones de sensación sonora no son proporcionales a las variaciones de la energía sonora que el oído recibe. La relación entre estímulo y sensación viene definida por la ley de Weber-Fechner, que establece que la sensación es proporcional al logaritmo del estímulo, quedando matemáticamente expresado como:

Ahora bien

, ¿de qué forma incide este tema en los sistemas HVAC? El ruido producido por cualquier componente de una instalación de climatización es una mezcla de todas las frecuencias en el rango audible. La técnica del análisis espectral del sonido consiste en analizar su contenido energético en función de la frecuencia. Los espectros de frecuencia permitirán diferenciar entre sonidos graves y agudos, siendo esta información muy útil para caracterizar el tipo de fuente que lo produce, determinar su grado de molestia y proponer medidas correctoras adecuadas para evitar problemas.

Los espectros de frecuencias son tradicionalmente catalogados en dos grupos: espectros de ancho constante y espectros de ancho proporcional.

Sonoridad y redes de ponderación

La valoración de un sonido se puede realizar de forma objetiva empleando un nivel sonoro en dB, o bien, al introducir un índice subjetivo a través del cual los niveles de presión sonora son corregidos mediante filtros electrónicos que simulan la respuesta del oído humano al ruido. Este tipo de filtros o correcciones se conocen como redes de ponderación.

Hay diversas redes de ponderación, A, B, C, o D, siendo la más aceptada la red de ponderación A, comúnmente simbolizada como dBA o dB(A). Estas redes corrigen los niveles sonoros de forma diferente para cada frecuencia, con el propósito de simular la sensación que el sonido provoca sobre el oído humano.

Ahora bien, la propagación del sonido es un tema importante para la industria de la climatización, pues podrá transmitirse en campo libre o en campo reverberante. El comportamiento sonoro de una fuente de ruido y el impacto que puede ocasionar sobre un receptor potencial, dependerá en gran medida del entorno en el que se encuentre ubicada. Esta circunstancia establece dos condiciones a la hora de relacionar el nivel de potencia generado por una fuente y el nivel de presión captado en un punto cualquiera de su entorno: se considerará que una fuente sonora está emitiendo en un espacio abierto o campo libre, cuando el receptor sea alcanzado únicamente por la onda directa emitida por una fuente existente en el mismo.

Este tipo de espacios se caracteriza por no disponer de superficies reflectantes en su entorno, en caso contrario, se tendrá un campo reverberante. Cabe destacar que es habitual encontrar fuentes semiesféricas sustentadas por un plano reflectante que condicionan su directividad.

Cuando hay elementos absorbentes, barreras, cerramientos o conductos en un sistema de distribución entre la fuente generadora de ruido y el punto de inmisión, o recepción sonora a una distancia (d), provocará una reducción en el nivel de presión que dependerá de las características del elemento barrera y que se conocerá como ΔL. La pérdida por inserción o atenuación cumplirá la ecuación:

• Lp,d es el nivel de presión sin la presencia del elemento “barrera”
• L’p,d es el nivel en el mismo punto tras insertar el elemento entre emisor y receptor

Algunos valores de referencia para conocer la capacidad de atenuación media de elementos empleados en instalaciones de climatización son:

Barrera de chapa……………………………… 15 dB
Silenciador……………………………………….. 25 dB
1 metro de conducto absorbente………….. 7 dB

Acústica y HVAC

Los sistemas de climatización son equipos pensados para acondicionar espacios destinados al uso y disfrute de las personas, por lo que resulta esencial su ubicación en áreas próximas a potenciales afectados por su funcionamiento. Si a esta circunstancia se une el hecho de que estos equipos basan su funcionamiento en el accionar mecánico de sus componentes y el trasiego de fluido, es fácil que estas instalaciones sean consideradas y tratadas como posibles focos de ruido en su lugar de instalación.

Las principales causas de ruido generado por instalaciones de climatización se deben a:

• El diseño inadecuado de los elementos que componen el sistema de climatización y su incorrecta ubicación
• La desestimación de las recomendaciones de los fabricantes sobre la instalación de los equipos de climatización
• La reducción de costes en obra sin tener en cuenta las implicaciones sonoras que esto puede suponer

En cuanto a la clasificación de ruido, será un elemento vital a la hora de localizar y caracterizar el tipo de perturbación antes de proponer medidas correctoras para su minimización. Según las características del foco que produce la perturbación, su medio de dispersión y su recepción, se podrá distinguir entre:

• Ruido aéreo: perturbaciones sonoras generadas por una variación de presión atmosférica en el aire, transmitidas por un medio aéreo y percibido por el receptor a través del oído. En una instalación de climatización los difusores, las rejillas o el ruido generado por las unidades exteriores a los vecinos de otro edificio son ejemplos de ruido aéreo
• Ruido de impacto: ruido generado a través de la interacción mecánica de dos elementos sólidos (tacón-suelo) transmitido a través de la estructura y percibido por el oído del receptor. El ruido derivado del impacto producido por el régimen turbulento sobre una tubería o el contacto mecánico entre elementos de una unidad de tratamiento de aire, pueden ser transmitidos y percibidos como ruido de impacto
• Vibraciones: oscilación generada a través de la interacción mecánica de dos elementos sólidos, la transmisión y la recepción por elementos rígidos

La percepción del funcionamiento de un ventilador o un compresor a través del contacto de la mano con la pared o el suelo, estarán catalogados como vibraciones derivadas del funcionamiento en una instalación de climatización.

Si se presta atención, resultará sencillo encontrar perturbaciones acústicas y, a partir de esto, será necesaria su correcta identificación para solventar los problemas potenciales derivados de su funcionamiento.

Confort acústico

El adecuado entorno acústico de un espacio cerrado garantizará la satisfacción de sus usuarios. El confort acústico presenta como objetivo principal garantizar que los niveles sonoros a los que se ve sometido un entorno sean acordes con la actividad que en se va a realizar, estableciendo, por ejemplo, exigencias distintas para una habitación de un hospital o para las oficinas de una nave industrial. Las consideraciones que garantizarán un confort acústico óptimo son:

• Soluciones eficientes en fase de diseño. Los profesionales encargados del diseño de un espacio o conjunto de espacios deberán contemplar las necesidades acústicas del mismo en su fase de diseño. De esta manera, se conseguirá proponer y aplicar medidas de actuación óptimas con el menor coste posible
• Minimizar ruido en el origen. La alteración sonora de una estancia viene generada por una fuente de ruido, por tanto, la primera medida para reducir los niveles sonoros pasa por actuar inicialmente sobre la fuente que ha generado la perturbación
• Buen montaje e instalación de los diferentes componentes. Un buen diseño no sirve de nada si el profesional encargado de su instalación no sigue las directrices y recomendaciones marcadas por proyectistas y fabricantes
• Criterios aerodinámicos en redes de conductos. Los conductos funcionan como puente de transmisión sonora y como elemento generador de ruido, siendo necesario analizar el comportamiento del aire en el interior de los mismos, proponiéndose la instalación que minimice “recodos” y zonas de régimen turbulento
• Estudio de los apoyos antivibración. Las vibraciones son el origen de la mayoría de los problemas de ruido en una instalación, por lo que, evitando su transmisibilidad, empleando sistemas elásticos y muelles metálicos, se conseguirá atajar la perturbación antes de que pase al aire
• Extremar precauciones y usar materiales específicos en locales de uso especial. Los espacios silenciosos precisarán de soluciones antirruido que permitan reducir de forma significativa el ruido de la instalación. Los sistemas encapsulados y los silenciadores, en las tomas y salidas de aire, garantizarán el cumplimiento de los requerimientos planteados por estos espacios

La consideración de estos aspectos a la hora de diseñar y ejecutar una instalación de climatización llevará implícita la consecución de los objetivos o recomendaciones de confort acústico. La Tabla 2 muestra los valores de las curvas Noise Rating recomendadas para diferentes tipos de espacios en función de la actividad a desarrollar en cada uno de ellos, estas curvas son determinadas por la ISO/R 1996 para desarrollo de espacios acústicos.

Tabla 2

Es bien sabido que los elementos que conforman un sistema de climatización varían ostensiblemente en función del tipo de sistema seleccionado (sistemas compactos, partidos, etcétera), el volumen del espacio a acondicionar y otros requerimientos específicos. Esta heterogeneidad en las instalaciones implica también variaciones importantes en la problemática sonora entre cada una de ellas.

A nivel general, los elementos que a priori son susceptibles de producir un impacto sonoro sobre los usuarios de la instalación o personas ajenas a la misma son:

• Sistemas de ventilación
• Unidades exteriores
• Unidades interiores
• Conductos
• Rejillas y difusores

La identificación de estos elementos como fuentes de ruido y la caracterización de los niveles sonoros que producen, permitirá evaluar los posibles problemas y proponer medidas correctoras acorde con su funcionamiento y rendimiento.

Sistema de ventilación

Debido al desplazamiento del aire y al movimiento de las aspas a una determinada velocidad, el ventilador provoca una perturbación brusca sobre el medio que lo rodea, que se traduce en la emisión de ruido. Debido a su funcionamiento, los sistemas de ventilación se caracterizan por presentar elevados niveles sonoros en la banda de frecuencia en la que se encuentra la “frecuencia de paso de aspa”, entendida como la velocidad de funcionamiento del ventilador, multiplicado por el número de aspas.

Estos elevados niveles sonoros de la frecuencia de aspas y sus armónicos se deben a flujos de entrada mal repartidos, existencia de flujos secundarios y remolinos, y a las capas turbulentas que se forman cerca del álabe, provocando la perturbación a cada paso del mismo.

Para evaluar la incidencia acústica que el ventilador puede producir en un determinado entorno, es necesario conocer el nivel de potencia acústica del mismo. Para ello, son tres las posibles vías para conseguir esta información:

1) Datos del fabricante
Los catálogos comerciales suelen facilitar los niveles de potencia sonora o de presión sonora recibida a una distancia conocida en determinadas condiciones de funcionamiento del ventilador y en un entorno sonoro concreto. Esta información, junto con las características acústicas del entorno en el que se pretende instalar el equipo, permitirá conocer los niveles derivados de su funcionamiento.

Para conocer con mayor grado de detalle las características sonoras del ventilador y proponer medidas correctoras precisas, es conveniente disponer de los niveles de presión o potencia sonora en bandas de octava o tercio de octava, ya que permitirán focalizar las medidas correctoras a las principales bandas de emisión.

2) Algoritmos o tablas
Determinadas recomendaciones, así como estándares internacionales, presentan algoritmos y tablas a través de los cuales es posible estimar los niveles de potencia sonora de un equipo en función de sus características de funcionamiento, número de aspas, potencia, velocidad, etcétera. La información que se puede extraer de estos paradigmas y tablas no suele ser tan exacta como la proporcionada por el fabricante, pero permite disponer de un orden de magnitud sin necesidad de realizar ensayos experimentales.

3) Ensayos normalizados (normas ISO 13347, 3744, 3743, 3745, 5136)
Este conjunto de estándares establecen técnicas de ensayos para la obtención del nivel de potencia sonora de fuentes en diferentes entornos y con distintos grados de precisión.

Cada uno de estos ensayos requiere de un entorno acústico determinado y proporciona el nivel de potencia sonora del sistema a través de medidas de nivel de presión en puntos estratégicamente distribuidos. Las características del entorno, el número de puntos de ensayo y su distribución variarán en función del tipo y tamaño de la fuente sonora, así como de la norma seguida para realizar el ensayo.

Alternativas ante el ruido

Como ya se ha podido comprobar, la problemática acústica de una instalación de climatización es variada y afecta de forma distinta a cada uno de los elementos que la componen.

Tal como sucede con cualquier entorno de contaminación, se recomienda seguir siempre estas dos máximas:

• Proponer medidas correctoras en fase de diseño para reducir costes y futuros problemas de funcionamiento de la instalación.
• Proponer medidas de actuación inicialmente sobre el foco de ruido.

Si estas medidas no fueran suficientes, hay que actuar sobre el medio de transmisión (espacio entre emisor y receptor). Finalmente, y como último recurso, se tiene que actuar sobre el receptor.

Sin embargo, hay algunas opciones para el sector, como la aplicación de pantallas acústicas o elementos de separación parcial dispuestos entre el emisor de ruido y el receptor, con el propósito de actuar como obstáculo sonoro y mitigar así la transmisión sonora entre ambos elementos.

Los parámetros que definen la capacidad de atenuación de una pantalla acústica son el material con el que está fabricada, su altura, la distancia que la separa del emisor y receptor y su espesor. Otros aspectos como su capacidad absorbente y el entorno deben ser tomados en cuenta para evitar reflexiones no deseadas.

Es importante hacer hincapié en que detrás de una pantalla acústica, la zona en la cual se produce la atenuación de la misma se conoce como sombra acústica, pero ha de tenerse en cuenta que las ondas incidentes sobre una pantalla acústica no son atenuadas para todas las frecuencias de igual manera. Gran parte de la efectividad de una barrera para atenuar el ruido depende de características externas, como la calidad de la instalación de la barrera, material del suelo y la geometría del entorno, entre otras.

Otra medida que mitigará el ruido es el acondicionamiento y aislamiento de las salas destinadas a albergar la maquinaria interior de la instalación y garantizar así su adecuado comportamiento acústico. Otros aspectos importantes en su diseño son:

• Correcta ubicación en la planta, evitando en la medida de lo posible cercanía con espacios especialmente sensibles
• El diseño de cerramientos que garanticen una diferencia de niveles mínima con las estancias contiguas
• El acondicionamiento acústico que evite reverberaciones innecesarias
• Sistemas de control sonoro en los conductos de entrada y salida de fluido

Para evitar la transmisión de vibraciones al exterior se emplean manguitos antivibratorios y aisladores metálicos para suspender los conductos y se controla el nivel de ruido y movimiento al interior de este tipo de cuartos.

Comprender la problemática que hay alrededor del tema será sólo el inicio, pues cada sistema será distinto. Acercarse a profesionales, a la bibliografía y a los manuales especializados en el tema para evitar consecuencias mayores, será el siguiente paso.

Algunas normas que ya aplican en el país ponen a la acústica como un elemento de gran importancia, por lo que buscar soluciones que eviten algún problema es cuestión de atención y profesionalismo.