CONSTRUCCIÓN DE UNA BARRERA ACÚSTICA A ESCALA PARA DISMINUIR

LA CONTAMINACIÓN SONORA PRODUCIDA POR EL ALTO FLUJO VEHICULAR

CATALINA ARANGO DUQUE VICTOR MANUEL MOLINA TORO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA INGENIERIA

INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA D.C. NOVIEMBRE 2 DE 2010

CONSTRUCCIÓN DE UNA BARRERA ACÚSTICA A ESCALA PARA DISMINUIR

LA CONTAMINACIÓN SONORA PRODUCIDA POR EL ALTO FLUJO VEHICULAR

CATALINA ARANGO DUQUE VICTOR MANUEL MOLINA TORO

ASESOR: LUIS FERNADO HERMIDA CADENA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

INGENIERIA SONIDO

BOGOTA D.C. NOVIEMBRE 2 DE 2010

Nota de Aceptación

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Presidente del Jurado

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Jurado

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Jurado

Bogotá 02/11/10

AGRADECIMIENTOS “ Este trabajo se logró gracias al apoyo de mi mamá y mi papá, mis hermanos y ete que me hicieron el aguante desde Medellín, todos los amigos, familia, de y luchito que armaron el prototipo… a todos un millón de gracias por acompañarme, por la buena onda, y acá esta el resultado de 5 años de estudio. Al profesor Luis Fernando Hermida quiero darle las gracias por todo lo que aportó en estos años y en la tesis, este proyecto es de el también. Mil gracias.”

Catalina Arango Duque “ A mis padres quienes me brindaron su apoyo desde el inicio de la carrera y han estado presentes en los momentos más importantes de mi vida dejando plasmadas en mí sus enseñanzas. A mi amiga y compañera de trabajo Catalina Arango por su apoyo, dedicación y constante compromiso en este proyecto. Al ingeniero Luis Fernando Hermida, nuestro profesor, tutor y amigo quien nos acompañó durante este largo camino de aprendizaje. Al ingeniero Luis Carlos Arango quien nos colaboró activamente durante el desarrollo del trabajo. A la facultad de Ingeniería de Sonido por brindarnos los espacios de trabajo para la realización de este proyecto. A la Universidad San Buenaventura, nuestro claustro de enseñanza. Y a todas aquellas personas que de una u otra forma colaboraron o participaron en la realización de este trabajo, hago extensivo mi más sincero agradecimiento. Se alcanza el éxito convirtiendo cada paso en una meta y cada meta en un paso (C.C. Cortéz).”

Victor Manuel Molina Toro

CONTENIDO pág.

INTRODUCCIÓN 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1 1.1 ANTECEDENTES 1 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1 1.3 JUSTIFICACIÓN 1 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 2 1.4.1 OBJETIVO GENERAL 2 1.4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 2 1.5.1 ALCANCES 2 1.5.2 LIMITACIONES 2 2. MARCO TEÓRICO 3 2.1 INTERFERENCIA ENTRE ONDAS 3 2.1.1 Ondas coherentes 3 2.1.2 Interferencia constructiva 3 2.1.3 Interferencia destructiva 3 2.2 ONDAS ESTACIONARIAS 3 2.3 TIPOS DE ONDAS 4 2.3.1 Onda Senoidal 4 2.3.2 Onda Triangular 4

2.3.3 Onda Cuadrada 4 2.3.4 Onda de cierra 4 2.4 FRENTE DE ONDA 4 2.4.1 Tipos de onda según el frente 4 2.5 DIFRACCIÓN 5 2.5.1 Propagación rectilinear por difracción 5 2.5.2 Difracción del sonido por aperturas grandes y pequeñas 6 2.5.3 Difracción del sonido por obstáculos 6 2.6 LA PROPAGACIÓN EN CAMPO LIBRE 6 2.6.1 Campo sonoro 7 2.6.1.1 Divergencia Geométrica 7 2.6.1.2 Absorción atmosférica 8 2.6.1.3 Efecto de suelo 9 2.6.1.4 Reflexión en muros 10 2.6.2 Ruido de tráfico 11 2.6.2.1 Propagación de un segmento de carretera homogéneo 11 2.6.2.2 Fuente de ruido en un vehiculo 12 2.6.2.3 Comparación del ruido generado por rodadura y potencia 12 2.6.2.4 Factores que afectan la generación de ruido de tráfico 12 2.6.2.5 Fuente de simulación de ruido 14 2.6.3 Generalidades de las barreras 16 2.6.3.1 Teoría de las barreras 17 2.6.3.2 Tipos de barreras 18

2.6.3.3 Transmisión sonora a través de las barreras 23 2.6.3.4 Pérdida por inserción 23 2.6.3.5 Atenuación de barreras según ISO 9613-2 28 2.6.3.6 Absorción de los materiales 29 2.6.4 Modelos acústicos a escala 32 3. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN 34 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION 34 3.2 LINEA DE INVESTIGACION DE LA UNIVERSIDAD 34 3.3 TECNICAS DE RECOLECCION DE INFORMACION 34 3.4 POBLACION Y MUESTRA 34 3.5 HIPOTESIS 34 3.6 VARIABLES 35 3.6.1 Variables independientes 35 3.6.2 Variables dependientes 35 4. MARCO LEGAL O NORMATIVO 36 4.1 LEY COLOMBIANA 36 4.2 MEDICIÓN DE RUIDO VEHICULAR 36 4.3 MEDICIÓN Y DISEÑO DE LA FUENTE 36 4.4 MEDICIÓN DE ABSORCIÓN DEL MATERIAL 36 4.5 CÁLCULO DE ATENUACIÓN SONORA EN EL MEDIO EXTERIOR 36 4.6 PRESENTACIÓN DE TESIS 37

5. DESARROLLO INGENIERIL 38 5.1 MEDICIÓN DE UNA VIA RÁPIDA (AUTOPISTA NORTE BOGOTA) 38 5.2 ESCALAMIENTO DE LAS FRECUENCIAS 41 5.3 MEDICIÓN DE LA FUENTE 42 5.3.1 Medición de patron de directividad 44 5.3.2 Arreglo lineal de fuentes puntuales 44 5.4 EXAMINACIÓN DEL MATERIAL 50 5.4.1 Tablas de materiales 53 5.5 DISEÑO DEL PROTOTIPO 56 5.6 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 57 5.6.1 Base del prototipo 57 5.6.2 Vía 57 5.6.3 Barrera 58 5.6.4 Fuente 59 5.6.5 Punto receptor 59 5.7 MEDICIONES DEL PROTOTIPO 60 5.7.1 Resultados 61 5.7.1.1 Medición de divergencia 63 5.8 CÁLCULOS DE LOS CINCO PUNTOS ESCALADOS 1:16 63 5.8.1 Cálculos según ISO 9613-2 64 5.8.2 Cálculos según el método de Maekawa 67 6. ANÁLISIS Y RESULTADOS 71

6.1 ANÁLISIS DE MEDICIONES DEL PROTOTIPO 67 6.1.1 Análisis de atenuación por divergencia 76 6.2 ANÁLISIS DE CÁLCULOS 78 6.2.1 Atenuación por el suelo 78 6.2.2 Comparación de ISO 9613-2 y ábaco de Maekawa 78 6.2.2.1 Pérdida por inserción 78 6.2.2.2 Nivel de atenuación total en el receptor 80 6.2.3 Comparación de valores calculados y medidos 82 6.2.3.1 Pérdida por inserción 82 6.2.3.2 Nivel de atenuación en el receptor 83 6.3 ERRORES SISTEMÁTICOS 84 7. CONCLUSIONES 86 RECOMENDACIONES 88 BIBLIOGRAFIA 89

ANEXOS 93

LISTA DE TABLAS Tabla 2.0 Comparación de niveles según Comisión Nacional del medio ambiente Chile. Tabla 2.1 Configuración del borde superior de la barrera Tabla 5.0 Mediciones en autopista norte en dB Tabla 5.1 Escalamiento de frecuencias por banda de octava. Tabla 5.2 Nivel de presión sonora por banda de octava. Tabla 5.3 Medición del arreglo de fuentes a 0,7 m del suelo. Tabla 5.4 Medición del arreglo de fuentes a 1,25 m del suelo. Tabla 5.5 Medición del arreglo de fuentes a 1,70 m del suelo. Tabla 5.6 Comparación de espectros de ruido en dB Tabla 5.7 Resultados medición material. Tabla 5.8 Materiales examinados I. Tabla 5.9 Materiales examinados II. Tabla 5.10 Punto 1, comparación de los tres experimentos en dB. Tabla 5.11 Punto 2, comparación de los tres experimentos en dB. Tabla 5.12 Punto 3, comparación de los tres experimentos en dB. Tabla 5.13 Punto 4, comparación de los tres experimentos en dB. Tabla 5.14 Punto 5, comparación de los tres experimentos en dB. Tabla 5.15 Datos por banda de octava de los tres experimentos en dB. Tabla 5.16 Medición de divergencia en la autopista norte, resultados en dB Tabla 5.17 Nivel de presión sonoro medido en el arreglo lineal en dB Tabla 5.18 Nivel de potencia por octava del arreglo lineal en Watts

Tabla 5.19 Nivel de potencia sonora calculado en dB Tabla 5.20 Atenuación por divergencia en dB. Tabla 5.21 Valores de distancia (m) y corrección meteorológica Tabla 5.22 Atenuación de la barrera calculada en dB. Tabla 5.23 Atenuación del borde superior en dB Tabla 5.24 Atenuación de los bordes verticales en dB Tabla 5.25 Atenuación por difracción total calculada, IL, según ISO 9613-2 en dB Tabla 5.26 Absorción total en el receptor en dB Tabla 5.27 Nivel continuo equivalente según ISO 9613-2 en dB Tabla 5.28 Número de Fresnel Tabla 5.29 Pérdida por inserción según Maekawa en dB Tabla 5.30 Atenuación en dB y distancias en m Tabla 5.31 Número de Fresnel punto de espejo para efecto de reflexión del suelo Tabla 5.32 Atenuación sonora en punto de espejo en dB y distancias en m Tabla 5.33 Suma de atenuación L1 y L2 en dB Tabla 5.34 Valor de atenuación en el receptor en dB según Maekawa Tabla 5.35 Efecto de protección de una barrera según Maekawa en dB Tabla 6.0 Comparación de los tres experimentos en dB Tabla 6.1 Datos por banda de octava de los tres experimentos en dB Tabla 6.2 Comparación de divergencia a escala real y escala 1:16 dB Tabla 6.3 Resultados obtenidos por los cálculos promediando los puntos en dB Tabla 6.4 Cálculos de atenuación por la barrera a escala real en dB

Tabla 6.5 Resultados obtenidos por los cálculos promediando los puntos en dB Tabla 6.6 Cálculo del nivel de presión en el receptor en dB Tabla 6.7 Atenuación por divergencia calculada en dB Tabla 6.8 Comparación de IL en dB. Tabla 6.9 Nivel de atenuación en el receptor calculado y medido en dB.

LISTA DE FIGURAS Figura. 2.0 Difraccion del sonido por aperturas. Figura 2.1 Tres regiones definidas para determinar la atenuación del suelo. Figura 2.2 Propagación sonora de un segmento de la carretera. Figura 2.3 Ejemplo de posición optima de líneas de fuentes para cada ruta de (2 x 2). Figura 2.4 Cálculo de la longitud de fuente representada en una fuente específica. Figura 2.5 Camino recorrido por una onda acústica ante un obstáculo vertical. Figura 2.6 Barreras de concreto. Figura 2.7 Barreras de ladrillo. Figura 2.8 Barrera de metal. Figura 2.9 Barrera transparente. Figura 2.10 Barreras de madera absorbente. Figura 2.11 Coronaciones. Figura 2.12 Ábaco de Maekawa. Figura 2.13 Sección de la barrera interpuesta entre la fuente S y el punto de receptor R. Figura 2.14 Diagrama de conexión para medir la absorción del material. Figura 3.0 Diagrama de línea de investigación. Figura 5.0 Autopista norte Bogotá (sentido norte-sur). Figura 5.1 Imagen satelital punto de las mediciones de la autopista. Figura 5.2 Puntos de medición en la autopista norte (Bogotá-Colombia). Figura 5.3 Espectro de ruido de la autopista.

Figura 5.4 Comparación de los 8 parlantes medidos. Figura 5.5 Fotos del parlate TSP. Figura 5.6 Patron polar del parlante TSP por banda de octava. Figura 5.7 Arreglo de fuentes puntuales para el modelo a escala. Figura 5.8 Conexión del arreglo de fuentes puntuales. Figura 5.9 Distribución de parlantes en medición del arreglo lineal. Figura 5.10 Patrón polar del arreglo de altavoces. Figura 5.11 Diferencia de niveles de presión sonoro. Figura 5.12 Espectro de ruido generado en el modelo a escala. Figura 5.13 Placa de ladrillo, construida para la medición in situ de absorción. Figura 5.14 Medición del material. Figura 5.15 Señal grabada. Figura 5.16 Respuesta al impulso. Figura 5.17 Transformada rápida de Fourier. Figura 5.18 Planta. Figura 5.19 Corte frontal. Figura 5.20 Imagen 3D. Figura 5.21 Placas de cemento para el prototipo. Figura 5.22 Ladrillo. Figura 5.23 Construcción de la barrera. Figura 5.24 Imágenes de mediciones del prototipo sin barrera, con barrera y coronación. Figura 5.25 Ubicación de los puntos de medición.

Figura 6.0 Comparación por banda de frecuencias. Figura 6.1 Comparación por banda de frecuencias. Figura 6.2 Comparación por banda de frecuencias. Figura 6.3 Comparación por banda de frecuencias. Figura 6.4 Comparación por banda de frecuencias. Figura 6.5 Comparación de los diferentes puntos. Figura 6.6 Promedio energético de los puntos de medición. Nivel en el receptor sin barrera, con barrera y barrera-coronación. Figura 6.7 Comparación de divergencia a escala real y escala 1:16. Figura 6.8 Diagrama de regiones. Figura 6.9 Comparación de IL de los dos métodos. Figura 6.10 Comparación de nivel de atenuación en el receptor. Figura 6.11 Comparación de los cálculos de nivel en el receptor. Figura 6.12 Cálculos de atenuación por divergencia a escala real y escala 1:16. Figura 6.13 Comparación de IL medido y calculado. Figura 6.14 Nivel de presión en el receptor, calculado y medido.

LISTA DE ECUACIONES Ec. (2.0) Nivel continuo equivalente en el receptor. Ec. (2.1) Nivel de potencia sonora. Ec. (2.2) Atenuación total de nivel de presión sonora. Ec. (2.3) Atenuación por divergencia geométrica. Ec. (2.4) Variación de velocidad del viento. Ec. (2.5) Variación de la temperatura. Ec. (2.6) Atenuación por absorción atmosférica. Ec. (2.7) Atenuación por efecto del suelo. Ec. (2.8) Cálculo de reflexiones de los muros. Ec. (2.9) Presión sonora cuadrática media. Ec. (2.10) Variación de nivel de ruido para el flujo vehicular. Ec. (2.11) Nivel de región de flujo libre. Ec. (2.12) Potencia acústica (NF S31-133). Ec. (2.13) Longitud de la fuente lineal. Ec. (2.14) Pérdida por inserción (Harris). Ec. (2.15) Pérdida por inserción directa. Ec. (2.16) Ruido por propulsión. Ec. (2.17) Ruido por rodadura. Ec. (2.18) Ruido por dos factores (propulsión y rodadura). Ec. (2.19) Número de Fresnel. Ec. (2.20) Número de Fresnel para el nivel de presión sonoro 1.

Ec. (2.21) Número de Fresnel para el nivel de presión sonoro 2. Ec. (2.22) Atenuación en el receptor para fuente puntual (Meakawa). Ec. (2.23) Atenuación en el receptor para fuente lineal (Maekawa). Ec. (2.24) Efecto de protección de una barrera. Ec. (2.25) Atenuación por la barrera en el borde superior (IL). Ec. (2.26) Atenuación de la barrera por los bordes verticales. Ec. (2.27) Atenuación de la barrera por octava. Ec. (2.28) Diferencia entre fuente-coronación y coronación-receptor. Ec. (2.29) Corrección meteorológica. Ec. (2.30) Coeficiente de absorción. Ec. (2.31) Presión sonora reflejada. Ec. (2.32) Factor de corrección. Ec. (2.33) Tiempo de retardo. Ec. (2.34) Presión sonora reflejada después de realizar FFT. Ec. (2.35) Cálculo de coeficiente de absorción. Ec. (2.36) Presión sonora total. Ec. (2.37) Resolución de la frecuencia. Ec. (2.38) Frecuencia máxima. Ec. (2.39) Potencia de la fuente a escala. Ec. (2.40) Nivel de presión en el receptor a escala. Ec. (5.0) Tiempo del ventaneo. Ec. (5.1) Potencia para una fuente cilíndrica. Ec. (5.2) Nivel de presión sonoro para una fuente cilíndrica.

RESUMEN

La construcción de un modelo a escala para analizar un fenómeno físico funciona siempre y cuando se tengan en cuenta diferentes factores que cambian el comportamiento del campo al ser escalado. En este proyecto se hace un estudio de los tipos de onda, comportamiento del sonido en el medio exterior, fuentes sonoras y por ultimo modelos a escala, esto con el fin de determinar las condiciones de construcción del prototipo. Se usaron los equipos presentes en la Universidad para realizar las mediciones y procesar la información.

Los resultados obtenidos de las mediciones de la barrera son los esperados ya que se logro la atenuación en el receptor. Después de comparar dichos resultados con los cálculos de la normativa se verifica la eficiencia de la barrera. No obstante existen variables como la divergencia geométrica, absorción del material, atenuación del suelo… que no pueden ser comparados de un modelo a escala a la escala real.

INTRODUCCIÓN El ruido es el contaminante más común, y puede definirse como cualquier sonido que sea clasificado por alguien que lo recibe como molesto, indeseado, o desagradable. Así lo que es música para una persona, puede ser calificado como ruido para otra. El ruido como contaminante tiene grandes diferencias respecto a otros, ya que es el más barato de producir, es complejo de medir y cuantificar, no deja residuos, no tiene un efecto acumulativo en el medio, pero si en el hombre. Debido al crecimiento que han tenido las ciudades, uno de los productores de este tipo de contaminación son los vehículos, estos aportan gran cantidad del ruido que se encuentra en las ciudades y en los alrededores. Este tipo de contaminación afecta cada vez más a la población mundial, causándole efectos tanto fisiológicos como psicológicos. Buscando remediar dicho problema, las barreras acústicas pueden ser una solución para poder mitigarlo. Para llegar al diseño adecuado de estas barreras anti ruido, se debe conocer primero el comportamiento del sonido al aire libre y los fenómenos físicos que intervienen en la propagación del campo sonoro, luego el funcionamiento de las barreras y su aplicación para la reducción de ruido, y por ultimo su diseño, teniendo en cuenta los materiales de construcción. Para analizar la efectividad de las barreras, en este proyecto se realiza un modelo a escala, el cual permite hacer un estudio del comportamiento del campo sonoro y de la barrera. El inicio del proyecto es la medición de una vía rápida con alto flujo vehicular, la cual permite obtener el espectro de ruido de este tipo de fuente, esto con el fin de tener condiciones similares a la vida real en el momento de la simulación. Más adelante se determina el factor de escala para conocer que frecuencias se estudian y las dimensiones que tiene el prototipo. Siguiendo con el proceso, se diseña la fuente sonora a escala 1:16, la cual cumple con las características de la fuente a escala real. Antes de la construcción del prototipo se examinan diferentes materiales para establecer el apropiado en la fabricación. Después de haber hecho los estudios pertinentes se hace el montaje y de ahí se parte para realizar las pruebas sin barrera, con barrera y barrera-coronación. Paralelo a este proceso se realizaron los cálculos según la ISO 9613-2 y el ábaco de Maekawa, esto con el propósito de comparar y determinar cual de los dos métodos es el indicado para calcular un modelo a escala. Los modelos a escala sirven para estudiar fenómenos físicos, sin embargo existen algunas variables que cambian al ser escaladas y al hacer el análisis del comportamiento a escala real deben hacerse las correcciones pertinentes.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES En muchos países del mundo el ruido ha sido tratado con la construcción de barreras acústicas. Dependiendo de las condiciones de cada lugar, se ha llegado a unos parámetros de diseño efectivos para vías con alto flujo vehicular. Antes de llegar a éste resultado, se debieron tener unas bases teóricas que apoyaran el efecto práctico, las cuales han sido fundamento del progreso de la acústica “moderna”. Las barreras acústicas han sido un factor importante en la solución del ruido vehicular. Actualmente diferentes países han implementado este método. Por ejemplo en Estados Unidos se han construido barreras a lo largo de diferentes carreteras en algunos estados. Para usar esta aplicación, desde los años 70 han hecho estudios, empezando a analizar el motor, la tracción del carro, topografía, geometría de la ruta. Con esta información han logrado llegar a unos parámetros y así mejorar la calidad de vida de las personas expuestas a este ruido. Muchas empresas construyen barreras, que se diseñan dependiendo de la necesidad y el medio. La variación está principalmente en materiales y forma. 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA La contaminación acústica es producida por el desarrollo de las ciudades que a medida que pasa el tiempo se tecnifican usando más industria, maquinaria y adquiriendo más vehículos, esto genera más contaminación que a largo plazo producen problemas físicos y psicológicos para el receptor. A pesar de esto las fuentes generadoras no pueden ser calladas porque implica frenar el progreso de las ciudades, entonces: ¿Cómo reducir el ruido del flujo vehicular en una autopista para mejorar las condiciones de vida de las personas? 1.3 JUSTIFICACIÓN El ruido es un problema que afecta a diario a las personas, por lo tanto es importante conocer la fuente emisora y darle un tratamiento adecuado. Con el modelo a escala se quiere dar un avance a la solución de este problema, analizando diferentes factores que aporten un óptimo diseño de barreras acústicas para Colombia y contribuyan al futuro diseño de barreras para otro tipo de vías.

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1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1 OBJETIVO GENERAL Construir un modelo a escala de una barrera acústica que reduzca el ruido para una vía rápida con alto flujo vehicular. 1.4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Medir el nivel de presión sonoro de una vía rápida con alto flujo vehicular. • Analizar los datos obtenidos para obtener el espectro de ruido. • Examinar materiales distintos, para determinar el indicado en la construcción a escala. • Construir el prototipo. • Realizar las mediciones correspondientes. • Comparar las mediciones del modelo con las mediciones iniciales. 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 ALCANCES Con este proyecto se pretende dar una posible solución al ruido en las vías rápidas con alto flujo vehicular para mejorar la calidad de vida de las personas a los costados de éstas. Además se pretende dar unas bases en la universidad acerca de modelos a escala y del comportamiento del sonido al aire libre al ser escalado. También se quiere dar bases teóricas que faciliten la investigación de futuros proyectos relacionados con este. 1.5.2 LIMITACIONES Éste proyecto está diseñado para vías con características especificas, por lo tanto antes de ser implementado en otras vías, deben realizarse algunas correcciones. Al diseñar un modelo a escala, el ancho de banda se verá reducido, por lo tanto, las frecuencias muy bajas no serán analizadas a fondo. El diseño sugiere no usar características absorbentes, debido a que estas propiedades pueden verse afectadas a causa del escalamiento del prototipo.

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2. MARCO TEÓRICO FENOMENOS ONDULATORIOS Los procesos en los cuales intervienen ondas dan lugar a una serie de fenómenos especiales dada la naturaleza particular de las ondas el cual explican muchas de las propiedades que tiene tanto la luz como el sonido. 2.1 INTERFERENCIA ENTRE ONDAS Para entender el proceso de la interferencia entre ondas, se debe tener en cuenta el principio de superposición como fenómeno de la naturaleza al afirma que la inserción de dos señales en un mismo medio no debería dar la simple sumatoria de ellas. 2.1.1 Ondas coherentes Son ondas que poseen la misma longitud de onda, frecuencia y amplitud, además que sus fases sean la misma ó que tengan una discrepancia constante en el tiempo. 2.1.2 Interferencia constructiva Hace referencia a una superposición de dos o más ondas de frecuencia idéntica o similar en donde al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de mayor amplitud. 2.1.3 Interferencia destructiva De forma contraria a la interferencia constructiva, la interferencia destructiva al interferirse como dos o más ondas, crean un nuevo patrón de ondas de menor amplitud en un punto llamado nodo. Tras dicho punto, las ondas siguen siendo como eran antes de interferirse. En un caso extremo, dos ondas de igual frecuencia y amplitud desfasadas 180º, que se interfieren, se anulan totalmente. 2.2 ONDAS ESTACIONARIAS Estas ondas se forman por la interferencia de dos ondas con igual amplitud y frecuencia, que avanzan en sentido opuesto a través de un medio limitado el cual las mantiene confinadas. En este tipo de casos se generan puntos los cuales no vibran llamados nodos, permaneciendo inmóviles, mientras que los vientres lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas iniciales. Ondas sonoras estacionarias Dependiendo de cómo coincidan las fases de la onda incidente y de la reflejada, se producirán modificaciones del sonido, aumentando o disminuyendo la amplitud.

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En una sala, cuando la longitud de la onda estacionaria es igual a una de sus dimensiones (largo, alto o ancho), se considera que la sala está en resonancia, donde se genera interferencia destructiva y en otros se crea interferencia constructiva, conocidas estas características también como eigentonos o modos de la sala. 2.3 TIPOS DE ONDAS 2.3.1 Onda Senoidal Señal analógica en donde existen infinitos valores entre dos puntos cualesquiera del dominio de la misma, donde describe una curva continua. Este tipo de onda posee periodo, amplitud, frecuencia y fase. 2.3.2 Onda Triangular Señal periódica caracterizada por tener una velocidad de subida y de bajada constante, con un contenido en armónicos muy bajo. Éste tipo de señales se pueden obtener al integrar en el tiempo una onda cuadrada, en donde los niveles constantes alto y bajo de dicha onda se convierten en las pendientes de los flancos de subida y bajada de la onda triangular. 2.3.3 Onda Cuadrada Es una onda que altera su valor entre dos valores extremos sin pasar por los valores intermedios a diferencia de una onda senoidal o una onda triangular. Su contenido espectral se compone exclusivamente de armónicos impares. 2.3.4 Onda de cierra Recibe su nombre gracias a su figura grafica de dientes de una cierra. Su característica parte de un incremento progresivo y un decremento abrupto. 2.4 FRENTE DE ONDA Definida como una superficie de onda que se encuentra más alejada del punto de inicio de la vibración, donde se forma en cada instante que la onda alcanza puntos de idéntica fase. Con una onda propagándose en el espacio o sobre una superficie, los frentes de onda pueden visualizarse como superficies o líneas que se desplazan a lo largo del tiempo alejándose de la fuente sin tocarse. 2.4.1 Tipos de onda según el frente Una onda se puede dispersar según su forma, plana, cilíndrica, esférica. Onda Plana: Para que exista una onda plana, la misma debe ser emitida por una fuente plana, propagarse en un área cuya extensión sea infinita y en la cual vibre

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uniformemente. Todas las ubicaciones geométricas de la onda plana con relaciones de fase idénticas son planos paralelos relativos al plano primario. La dirección de dispersión es perpendicular a la onda. La onda plana se caracteriza específicamente por tener una densidad de energía uniforme, el nivel de presión sonoro se mantiene constante independientemente de la distancia y la posición, y si estas se incrementan el nivel no disminuye. Onda cilíndrica: Provienen de emisores con forma lineal, vibrantes, por lo tanto las ondas se dispersan uniforme y perpendicularmente en planos cilíndricos de idéntica fase, en el cual cada emisor está localizado en su centro. Mientras más distancia recorra la onda cilíndrica desde el centro, su densidad de energía disminuye. Onda esférica: es originada por una fuente puntual y se propaga en un medio isotrópico como una onda esférica. Los planos con fase idéntica son esféricos y poseen el mismo centro o emisor. Cada que se duplica la distancia, la densidad de energía y el nivel de presión sonoro se reducen a la cuarta parte (-6 dB), dado que la superficie en la se distribuyen se cuadriplica. 2.5 DIFRACCIÓN La difracción es un fenómeno físico característico por el cual una onda, en este caso una onda sonora, modifica su dirección de propagación al encontrarse con aberturas u obstáculos. Este fenómeno tiene la propiedad de rodear los obstáculos o doblar las esquinas dependiendo del obstáculo y su tamaño, además de la longitud de onda de la misma. Las ondas son capaces de traspasar orificios y bordear obstáculos interpuestos en su camino. Esta propiedad característica del comportamiento ondulatorio puede ser explicada como consecuencia del principio de Huygens y del fenómeno de interferencias. El cual afirma que cualquier punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. 2.5.1 Propagación rectilinear por difracción Cuanto más corta sea la longitud de onda, es decir que a mayor frecuencia, el fenómeno menos notorio es el de la difracción. Comparándolo con las ondas de luz, la difracción para la luz es menos perceptible que para el sonido debido a las longitudes de onda extremadamente corta de la luz. Es por esto que los obstáculos capaces de difractar el sonido deben ser más grandes en comparación con la longitud de onda del sonido en cuestión para poder llegar a ser efectivos.

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2.5.2 Difracción del sonido por aperturas grandes y pequeñas Figura. 2.0 Difracción del sonido por aperturas

Fuente. Master Handbook of Acoustics. Difracción Según se observa en la grafica, la difracción en una apertura grande (A) tiene un diferente comportamiento que en aperturas pequeñas (B). Según Huygens, cada punto en los frentes de onda del sonido que ha pasado a través de una abertura o pasado un borde de difracción se considera una fuente puntual irradiando energía a la zona de sombra. La energía del sonido en cualquier punto de la zona de sombra se puede obtener mediante la suma de las contribuciones de todas estas fuentes puntuales en los frentes de onda. 2.5.3 Difracción del sonido por obstáculos La difracción por obstáculos del sonido depende del tamaño del obstáculo y de la longitud de onda del sonido. Cuando el obstáculo es muy pequeño, la señal pasa inadvertida como si no hubiera limitación, sin embargo al ser el obstáculo de gran tamaño, la propagación de las ondas se ven interrumpidas en algún segmento donde se encuentre esta traba, generando una zona de sombra. 2.6 LA PROPAGACIÓN EN CAMPO LIBRE El ruido vehicular es considerado en muchos casos como una molestia, ya que afecta a las personas que están expuestas a este. Para analizar este problema se debe entender de la complejidad de los elementos que contribuyen a la propagación del sonido. La reducción del nivel de presión sonoro en el exterior se puede lograr con diferentes métodos: reducción de fuente, protección del receptor, cambios de propagación. Para el estudio que se realizara se debe hacer un análisis de la

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distancia fuente receptor para cambiar la propagación de la onda teniendo en cuenta los fenómenos físicos involucrados en el campo sonoro. El comportamiento del sonido en el exterior es difícil de predecir, por lo tanto, se inicia el estudio describiendo los principales efectos físicos del sonido en el campo libre, después como se controla el ruido (barreras), cálculos según la normativa y finalmente el análisis de resultados. 2.6.1 Campo sonoro Ecuación básica

Esta ecuación determina el nivel continuo equivalente en el receptor, LT (DW), para una fuente puntual.

LT (DW) = Lw + Dc – A Ec. (2.0) Donde Lw es el nivel de potencia sonora por banda de octava, en decibeles, producida por una fuente puntual relativa a una potencia de referencia de 1 pico watt (1 pW), Dc es la corrección de directividad, en decibeles, la desviación del nivel de potencia con respecto a una fuente omnidireccional (Dc = 0 dB, en una fuente omnidireccional en campo libre) y A es la atenuación en decibeles que ocurre durante la propagación de la fuente y receptor. Lw= 10 Log (P1/P0) Ec. (2.1) La atenuación del nivel de presión sonora será: A= Adiv+ Aatm+ Agr+ Abar+Amisc Ec. (2.2) Donde: Adiv atenuación respecto a la divergencia geométrica. Aatm atenuación debido a la absorción por vía aérea y superficies verticales. Agr atenuación debido al efecto del suelo. Abar atenuación debido a la barrera (difracción). Amisc atenuación por factores adicionales, (en este estudio Amisc=0). 2.6.1.1 Divergencia Geométrica La atenuación generada por la divergencia geométrica en un espacio tiene un nivel de 6 dB a medida que duplica la distancia. En el caso de una vía (fuente cilíndrica), se generará una atenuación de 3 dB teniendo en cuenta el recorrido de su longitud. Adiv = [20 log (d/d0) + 11] Ec. (2.3)

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Donde d es la distancia de la fuente al receptor en metros y d0 es la distancia de referencia (= 1 m). 2.6.1.2 Absorción atmosférica Por lo general, al hacerse consideraciones de propagación al aire libre, se suele suponer que la propagación de onda es homogénea. Sin embargo, la atmosfera es un medio el cual no cumple esas propiedades. Las características de la atmosfera como medio en el que se propaga una onda acústica dependen fundamentalmente de las distribuciones espaciales de la temperatura y de la velocidad del viento. La variación de la velocidad media del viento en función de la altura en la proximidad del suelo y para un terreno plano y abierto, se puede aproximar mediante la expresión: vm= kv log (h/h0) Ec. (2.4) Donde h0 es la altura a partir de la cual la expresión es válida y está determinada por características como la rugosidad del suelo y por lo general es igual a la altura del obstáculo (matorrales, hierba…) más abundante. La constante kv esta determinada por la rugosidad de la superficie del suelo y por la velocidad del viento en la zona donde la expresión deja de tener validez, generalmente a una altura no superior a los 10 metros. Esta expresión logarítmica es debida a la resistencia viscosa de la superficie, y la zona en la cual es válida se llama capa de frontera viscosa (Viscous Boundary layer). La variación de la temperatura debido a la altura de la proximidad del suelo plano, se representa: T= T0 – Kt log (h/h0) Ec. (2.5) Donde T0 es la temperatura para h<h0. Esta expresión está dada por una capa que generalmente tiene una viscosidad a la ya mencionada. Tanto la velocidad del viento como de la temperatura, producen variaciones en la densidad del aire y direcciones favorables a la propagación de la onda acústica. La temperatura es una magnitud escalar, por lo tanto, la refracción que produce en la onda sonora es igual en todas las direcciones. En cambio, la velocidad del viento es una magnitud vectorial, por lo tanto la refracción que produce no es uniforme con la dirección de propagación. En el análisis de la absorción atmosférica depende principalmente de la distancia fuente receptor, temperatura, humedad relativa, viscosidad del fluido (intercambio de energía térmica entre las moléculas). La atenuación debida a la absorción atmosférica se puede calcular: Aatm= al d/1000 Ec. (2.6)

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Donde d es la distancia de la fuente y el punto receptor y al es la atenuación lineal (dB/m), el cual depende de la frecuencia, presión atmosférica, temperatura y humedad relativa. Para obtener el valor se debe remitir a la norma ISO 9613-1. Para el ancho de banda del ruido producido por vehículos, la absorción atmosférica se puede despreciar para distancias menores a cien metros. 2.6.1.3 Efecto de suelo La atenuación lograda por este tipo de superficie es debida a la interferencia en la energía que se refleja en la superficie del suelo, la cual será igualmente propagada hacia el receptor. Fenómeno ligado a la absorción de la tierra, el cual varía con la frecuencia, el tipo de suelo y el posicionamiento de tanto de la fuente como del receptor. Es importante tratar de generar una mayor absorción cuando la distancia fuente-receptor es grande, y también cuanto más cerca se encuentre el rayo directo de transmisión de la fuente-receptor al suelo. Para el cálculo de la absorción se debe tener en cuenta tres regiones de atenuación:

La región de la fuente está definida desde el centro de la fuente, hasta 30 veces la altura de la misma.

La región del receptor está definida desde el centro del receptor, hasta 30 veces la altura del receptor.

La región media, es la distancia entre el final de la región de fuente y el inicio de la región de receptor.

Figura 2.1 Tres regiones definidas para determinar la atenuación del suelo.

Fuente ISO 9613-2. Regiones. Según el esquema, la atenuación del suelo debido a la región media, no incrementa con el tamaño del mismo, pero depende principalmente de las propiedades de las regiones de fuente y receptor.

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Las propiedades de absorción de cada región obedecen principalmente a las características del suelo. Para obtener el factor G hay que analizar el tipo de suelo. Pueden ser:

Superficies duras: pavimento, agua, hielo, concreto y todos los otros materiales con poca porosidad. G=0.

Superficies porosas: pasto, árboles y toda la vegetación. G=1.

Superficies mixtas: contiene superficies duras y porosas. El factor G varía entre 0 y 1.

Para obtener la atenuación para cada banda de octava se debe remitir a las tablas normalizadas para calcular dicha absorción, las cuales se encuentran en la norma ISO 9613-2. Otro método para calcular la atenuación del suelo, se puede realizar bajo las siguientes condiciones: solo interesa el punto del receptor, si la superficie es mixta o porosa y si el sonido no es un tono puro. Agr = 4,8 – (2hm/d) [17 + (300/d)] ≥ 0dB Ec. (2.7) Donde hm es la altura media de la ruta de propagación por encima del suelo y d es la distancia entre la fuente y el receptor. Esta ecuación funciona para distancias cortas. 2.6.1.4 Reflexión en muros Cuando se analiza el comportamiento del sonido en muros, la energía se ve afectada de tres formas, una parte de la energía será transmitida, otra parte de ésta será absorbida por el muro y el resto de energía se verá reflejada. Dependiendo de las características del material, se definen acústicamente las clases de muros, es decir, si el muro, genera poca transmisión y absorción, se denotará como una superficie acústicamente rígida. Dicha superficie tiene la característica de generar una acumulación de nivel de presión sonoro en la cercanía de ésta (de 3 dB), debido a la sumatoria energética generada por la señal entrante y la señal reflejada. La energía reflejada puede provenir de elementos cercanos a la vía (edificios, muros), lo cual puede incrementar el nivel en el receptor. Las reflexiones pueden calcularse siguiendo estos requerimientos:

Se construye un diagrama del obstáculo y se hace una reflexión especular.

El coeficiente de reflexión sonoro de la superficie del obstáculo es mayor a 0,2.

La superficie del obstáculo es más larga que la longitud de onda media, para cada banda de octava bajo la consideración que obedece la relación:

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1/ > [2/(lmincosß)2] [ds,odo,r/(ds,o+do,r)] Ec. (2.8) Donde ds,o es la distancia entre la fuente y el punto de reflexión del obstáculo, do,r es la distancia entre el punto de reflexión del obstáculo y el receptor, ß es el ángulo de incidencia (rad), y lmin es la dimensión mínima de la superficie de reflexión. Sin embargo, si las condiciones no se cumplen, puede ser despreciado este cálculo.

2.6.2 Ruido de tráfico 2.6.2.1 Propagación de un segmento de carretera homogéneo Suponiendo que:

1. El ruido de un vehículo es originado desde un punto localizado sobre la superficie reflejante. Se estipula que esta fuente S se mueve con una velocidad V y está ubicada en un punto conocido x(t). Además no se toma en cuenta el tiempo de propagación entre la fuente y el receptor.

2. Se asume que la atenuación del nivel de ruido se debe únicamente a la distancia que hay entre la fuente y el punto receptor y no se tiene en cuenta otros efectos de atenuación sonora.

3. Se asume que no existe interferencia destructiva o constructiva, producida por la interacción de las ondas directas y reflejadas.

Al tener estas condiciones, la presión sonora cuadrática media medida a una distancia r puede ser relacionada a la potencia W de la fuente mediante:

p2 (t) = (DF (,) W (t) c) / (2πr2 (t)) Ec. (2.9) Figura 2.2 Propagación sonora de un segmento de la carretera.

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donde c es la impedancia del aire y (DF (,) define la directividad de radiación de la fuente. 2.6.2.2 Fuente de ruido en un vehículo Las fuentes de ruido de un vehículo son:

Ventilador

Transmisión (engranaje y eje trasero)

Unidad de potencia (motor, entrada y escape de aire)

Frenos

Ruido de rodadura (fricción del neumático-suelo)

Ruido de carrocería y carga La influencia de estas fuentes en el ruido total, depende principalmente del tipo de vehículo, la edad y las condiciones en que se haya operado. En vehículos livianos el ruido producido por el motor es mayor cuando disminuye la velocidad, mientras tanto que a alta velocidad el ruido es producido por la fricción del neumático con el suelo. Se definen los límites de velocidad alta y baja en los 50-60 km/h. Sin embargo para vehículos pesados de motor diesel, el motor, el ventilador y el tubo de escape son las fuentes principales de ruido en la mayoría de operaciones, no obstante el ruido por rodadura es significativo a alta velocidad, especialmente con neumáticos de tracción. 2.6.2.3 Comparación del ruido generado por rodadura y potencia Para ambos tipos de ruido el nivel de rodadura aumenta 9 dB (A) al doblar la velocidad. En la siguiente tabla se muestran los niveles de presión sonora generados por la potencia y rodadura en las distintas categorías de vehículos y a diferentes velocidades. Tabla 2.0 Comparación de niveles según Comisión Nacional del medio ambiente Chile.

Velocidad (km/h) Categoría del

vehículo

Ruido de rodadura dB(A)

Ruido por potencia dB(A)

Ruido Total dB(A)

20 Pesado 61 78 78

Liviano 58 64 65

80 Pesado 79 85 86

Liviano 76 74 78

Fuente NCh2785. Niveles de ruido de tráfico. 2.6.2.4 Factores que afectan la generación de ruido de tráfico Los niveles de ruido generados por el tráfico dependen principalmente del tipo de flujo de los

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vehículos, el volumen de tráfico, la velocidad, el gradiente de la carretera y la superficie de la carretera. Flujo vehicular Para un amplio rango de flujo vehicular, las variaciones de los niveles de ruido con el flujo vehicular, Q, pueden ser representadas por: L= C Log10 Q Ec. (2.10) donde C es una constante. Los modelos teóricos basados en los conceptos de fuente lineal y puntual, indican que el valor de la constante C debe tomar el valor 10. Con este valor el incremento de nivel por cada vez que se dobla el flujo vehicular es de 3 dB (A). Velocidad media y porcentaje de vehículos pesados Se destacan dos regiones de velocidad:

- Bajo 50-60 km/h, donde las condiciones de flujo son interrumpidas. - Sobre 50-60 km/h, donde la mayoría de los conductores está en condiciones

de flujo libre. En las zonas de menor velocidad se evidencia que el nivel de ruido promedio es independiente de la velocidad de tráfico. En la región de flujo libre, gran parte de los modelos de predicción han tomado la expresión: L= B Log10 V Ec. (2.11) Donde B es una constante. La forma logarítmica de esta expresión, se justifica porque la mayoría de las fuentes de ruido existentes en un vehículo tienen una relación logarítmica con la velocidad lineal o angular del motor. Gradiente de la carretera El estudio del efecto de gradiente de la carretera realizado por Johnson y Saunders concluye que depende especialmente del porcentaje de vehículos pesados. Además ellos estiman que existe un incremento de 4 dB (A) en los niveles de ruido para una condición de gradiente de 1 en 8. Superficie de la carretera La textura de la superficie de la carretera afecta los niveles de ruido generados ya que aumenta la interacción neumático calzada. En la percepción del ruido neumático calzada existen dos acciones que influyen en la emisión: Generación: - Vibraciones radiales: Debidas a las irregularidades que se presentan en la superficie de rodamiento y al impacto del relieve del neumático sobre la vía. Estas

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vibraciones al ser transmitidas por la suspensión del vehículo, generan resonancia en el interior y en el exterior del vehículo. - Mecanismos de resonancia del aire: se generan mecanismos de resonancia en las cavidades de la carretera y el neumático, ya que existe un almacenamiento de compresión de aire entre estas. - Mecanismos de adhesión: este se debe a la adherencia en la secuencia contacto-separación que se produce entre el caucho y el pavimento. Este contacto entre las dos superficies genera las vibraciones tangenciales. Propagación: - Efecto Horn (bocina) o diedro: este efecto resulta de la reflexión de las ondas sonoras que se producen entre el volumen curvado del neumático y el pavimento, delante y detrás de las zonas de contacto. Formando así algo parecido a una bocina que amplifica el sonido exponencialmente. Aprovechando las características de absorción acústica de los pavimentos, en la propagación del ruido neumático-vía se puede controlar tres efectos:

a- Reducción de la amplificación del efecto Horn y la absorción del ruido emitido por las fuentes mecánicas.

b- Reducción de la reflexión de las ondas sonoras entre la parte interior del vehículo y la capa de rodadura de la calzada.

c- Absorción de ondas generadas por el ruido del neumático-vía y que se propagan en el espacio que hay entre la fuente y el receptor.

2.6.2.5 Fuente de simulación de ruido El ruido en carreteras está determinado como un ruido de forma cilíndrica el cual tiene un decaimiento energético aproximado de 3 dB a medida que se duplica la distancia. Existen dos formas conocidas de representar la fuente cilíndrica para un modelo a escala: La chispa electrostática como fuente sonora propuesta por Robert Edward Klinkowstein, considerada como una fuente omnidireccional la cual tiene un comportamiento cilíndrico debido a su ionización en el aire alrededor de los dos extremos en los que es generado un voltaje de potencial muy alto, formando así una región cilíndrica entre los extremos alojándose en dicha región la energía generada anteriormente, dando lugar a una extensión rápida del canal formado por la chispa y creando de esta forma un choque cilíndrico en frente de él. Este principio es usado en los parlantes plasmas, sin embargo esta tecnología es descartada para el modelo ya que necesita gran cantidad de energía para alcanzar la distancia de 1,5 m, además se corre el riesgo de una descarga que puede dañar los equipos. Análisis de fuentes puntuales descrita en la norma francesa NF S31-133 y en la ISO 9613-2. Donde se determina el nivel de potencia acústica de cada fuente por banda de octava, identificando los trayectos de propagación entre cada fuente y el receptor (trayectos directos, reflejados y difractados).

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Para la simulación de la fuente, se extienden varias fuentes de ruido puntuales y se dividen las mismas en secciones, teniendo cada una, potencia sonora y una directividad especifica. La atenuación sonora calculada desde un punto representativo, se usa, para obtener la atenuación de toda la sección (cálculo de la atenuación total). Las fuentes deben seguir las siguientes características:

Las fuentes deben tener aproximadamente la misma potencia y altura respecto al plano del suelo.

Deben existir las mismas condiciones de propagación desde el punto de la fuente y el receptor.

La distancia d, desde la fuente al receptor excede dos veces el largo máximo Hmax de la fuente (d >2Hmax ).

La fuente sonora se descompone como fuentes puntuales, donde se toma una sección de la carretera para hacer el análisis. Para obtener la información de la fuente, el número y la posición de las líneas de la fuente depende la precisión que se desee. Generalmente, se recomienda la posición de una fuente de línea en el centro del carril (Figura 2.3). Figura 2.3 Ejemplo de posición optima de líneas de fuentes para cada ruta de (2 x 2).

Fuente NF S 31-133. Posición de fuentes. Las fuentes de las líneas se descomponen de una fuente puntal, para esta descomposición, existen varias formas:

Descomposición equiángular: la zona a examinar desde el punto de receptor por un conjunto de rayos espaciados con ángulo constante, según las condiciones del sitio. En la intersección de estos rayos con fuentes en línea se ubica una fuente puntual. La descomposición de la fuente depende de la posición del receptor.

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Descomposición no uniforme: cada fuente de línea se descompone en las fuentes puntuales regularmente espaciadas. Para mantener la buena precisión el espacio entre dos fuentes puntuales no puede ser mayor a la distancia entre la autopista y el receptor. Como regla general ese espacio no supera los 20 metros. Acá la descomposición es única y no obedecerá la posición del receptor.

Descomposición variable: se usa en casos particulares cuando la posición del receptor es muy cercana a la fuente, por lo tanto la distancia entre las fuentes puntuales debe ser más pequeña. Las características del terreno, de los obstáculos y la topografía deben ser similares.

Para la descomposición equiángular o variable, el valor de LAwi varía. Para obtener el valor de la potencia acústica: LAwi= LAw/m + 10log (li) Ec. (2.12) Donde LAw/m es el nivel de potencia acústica por metro de vía asociado con las fuentes en línea considerado (dB A), y li es la longitud de la fuente de la línea representada por el punto de origen i (Figura 2.4). Figura 2.4 Cálculo de la longitud de fuente representada en una fuente específica.

Fuente NF S 31-133. Longitud de la fuente li= (Si-1Si+SiSi+1)/2 Ec. (2.13) Cuando la fuente de ruido es una autopista, la altura de las fuentes puntuales es de 0,5m. Para realizar todos los procesamientos de datos correspondientes, hay que remitirse al apartado 2.6 donde se muestra los cálculos según la ISO 9613-2. 2.6.3 Generalidades de las barreras La protección del receptor que está cerca de las autopistas se estudia mediante pantallas rígidas anti-ruido. La complejidad

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esta en el comportamiento del medio y de los materiales utilizados para absorber la energía acústica. Una herramienta eficaz para el análisis es la teoría geométrica, la cual usa dos dimensiones, los ángulos de corte de la barrera fuente-receptor. Actualmente las pantallas acústicas son una protección mundial para los residentes cercanos a vías rápidas con alto flujo vehicular. Una clave para el optimo desempeño de las barreras esta en cambiar la propagación de onda para reducir el nivel de presión sonora en uno o varios puntos del receptor. 2.6.3.1 Teoría de las barreras Los fenómenos que se producen al interceptar el camino de la onda acústica con una barrera son:

Parte de la energía acústica se refleja en la superficie de la barrera.

Parte de la energía acústica no se refleja, se convierte en calor al ser absorbida por la barrera.

Parte de la energía acústica se transmite a través de las barreras.

Parte de la energía se difracta por los bordes superiores y laterales de las barreras.

Figura 2.5 Camino recorrido por una onda acústica ante un obstáculo vertical.

La zona protegida acústicamente por la barrera, se denomina zona de sombra, y la atenuación que proporciona, se denomina, pérdida por inserción, es la disminución del nivel de presión sonora en el punto o zona considerada por la interposición de la barrera, respecto al nivel existente antes de su instalación, siendo los valores generalmente positivos para la emisión de ruido aleatorio.

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2.6.3.2 Tipos de barreras

Barreras delgadas: estas barreras atenúan el sonido mediante una difracción única. Son las que comúnmente se construyen.

Barreras gruesas: son las que atenúan el sonido mediante una difracción doble. Pueden ser edificios o diques grandes.

Barreras de longitud finita: en estas barreras hay que analizar tres vías de propagación entre fuente-receptor. La propagación se debe analizar por encima de la barrera y por los dos costados.

Diques de tierra y colinas: son montes de tierra los cuales pueden servir como protección acústica, además si el suelo es blando, existirá una mayor absorción.

Materiales: Existen diferentes tipos de barreras los cuales varían según el diseño, los materiales utilizados y la altura para obtener un óptimo rendimiento acústico. Los materiales más usados para el diseño de barreras acústicas son: Rígidos: estos tienen propiedades reflectivas, en los que se encuentran metales, poli cloruro de vinilo (pvc), plásticos, vidrios laminados (para barreras traslucidas), hormigón, ladrillo (pintado), cemento. Porosos: materiales con propiedades absorbentes como: lana de roca, lana de vidrio, acorchados. Además, la combinación de estos materiales genera un rendimiento favorable a la hora de la construcción de barreras debido al cambio del medio que debe ser recorrido por la señal generada por la fuente. Tipos de barreras según el material: Barreras de concreto: Estas son las comúnmente construidas en EE.UU. ya que son materiales de mayor durabilidad, debido a que brindan mayor protección contra impactos y soporta temperaturas extremas. Además el concreto permite tener un diseño variable. Su masa son un espesor de 12 mm cumple con los requerimientos mínimos de pérdida por transmisión sonora. Existen dos tipos de concreto:

1) Molde de concreto húmedo: el cual contiene la suficiente humedad que permite la reacción química apropiada entre todos los ingredientes. El

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periodo de mezcla antes de ser removido es de ocho horas, esta característica permite hacer diseños detallados en la barrera. Suele construirse in situ o son moldes prefabricados.

2) Molde de concreto seco: usa únicamente la cantidad de agua necesaria para mezclar los ingredientes y retener la forma luego de compactarse en un molde. Al no ser fluido no permite hacer detalles en la barrera. Este tipo de concreto tiene mayor fuerza de cohesión y el proceso de producción es de prefabricación.

Figura 2.6 Barreras de concreto

Fuente FHWA. Tipo de barreras Barreras de ladrillo: Los ladrillos son construidos usando una mezcla de arcilla y arena, los cuales son fusionados a altas temperaturas para aumentar la fuerza de cohesión y así aumentar la durabilidad. Estos pueden ser producidos a diferentes tamaños. Este tipo de barrera debe estar cubierta de concreto y debe tener un anclaje al suelo para incrementar la fuerza estructural. La absorción en este tipo de material depende del diseño del ladrillo. Figura 2.7 Barreras de ladrillo

Fuente FHWA. Tipo de barreras

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Barreras metálicas: Estas barreras muy utilizadas debido a su relación costo/beneficio. Los metales más usados en la construcción de estas barreras son: acero, aluminio, acero inoxidable. Los paneles metálicos no son tan pesados, lo que lo hace un material idóneo para estructuras verticales, por lo tanto a barreras acústicas. Este diseño es usualmente usado con un panel perforado frontal (la cara que está en frente de la fuente de ruido), y un panel sólido en la parte trasera el cual no se perfora. La absorción está dada por el material que se instala en el medio de las dos caras. Figura 2.8 Barrera de metal

Fuente FHWA. Tipo de barreras Barreras transparente Estas barreras son reflejantes por excelencia y son comúnmente construidas con vidrio laminado, templado o algún tipo de plástico como el policarbonato o el acrílico. El vidrio templado es sometido al calor, el cual aumenta la resistencia haciéndolo un material preparado contra impactos. El vidrio laminado, usa dos capas de vidrio templado y en el medio una lamina elástica, la cual al momento de un impacto sirve para que el vidrio se quiebre gradualmente en piezas pequeñas que se quedan adheridas a la capa elástica. Este tipo de material transparente es ideal para evitar el impacto visual en conductores y residentes, sin embargo debido a su alto costo es poco usual encontrar estas barreras instaladas en autopistas.

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Figura 2.9 Barrera transparente.

Fuente FHWA. Tipo de barreras Barreras de madera Estas barreras son ideales para mantener una relación con el paisaje que esta alrededor. Este tipo de material permite formar capas que pueden contener en su interior material absorbente. También existen barreras de madera reflejantes, esta característica se determina por el tipo de madera. Las latifoliadas (madera rígida), son reflejantes y las confieras (madera más blanda), son usadas para absorción. Para la construcción, debe usarse unas columnas de madera maciza, hormigón armado o acero. Figura 2.10 Barreras de madera absorbente

Fuente FHWA. Tipo de barreras Bordes superiores de las barreras (coronas): El uso de las coronaciones en las barreras tiene el fin de mejorar el resultado de la protección acústica fuera de estas. Para poder tener un máximo rendimiento de

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coronación, es necesario mejorar el diseño de estas con diferentes profundidades sobre la parte superior de la coronación, volviéndolas así reactivas. Son dispositivos construidos sobre la barrera en forma de lomo el cual aumenta la difracción y la absorción de la energía sonora sin aumentar la altura total de la barrera. Dependiendo del tipo de configuración de coronas se pueden tener mejoría en las barreras y una disminución de la energía sonora en el receptor desde 1 a 3 dB (A) o más. Estas formas actualmente se encuentran en forma de T, de cilindro, de champiñón o de forma asimétrica. Se debe tener cuidado al instalar coronas reflejantes debido a su comportamiento el cual puede llegar a afectar el funcionamiento de las barreras, generalmente estas coronas son rellenas de algún material absorbente. Figura 2.11 Coronaciones

Fuente Optimisation des Protections Anti-bruit Routières de Forme Complexe Se han hecho diferentes estudios con modelos matemáticos para predecir la reducción producida por la corona, sin embargo, los primeros estudios hechos por G.R Watts, entregan unos valores normalizados al tamaño de la barrera y el tamaño de la coronación. Esta tabla es para barreras sencillas de 2 metros de altura como mínimo y con un tratamiento en el tope superior.

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Tabla 2.1 Configuración del borde superior de la barrera

Fuente An Investigation of the Use of the Top Edge Treatments to Enhance the Performance of a Noise Barrier Using The Boundary Element Method. Un difusor construido en el tope de la barrera puede mejorar el funcionamiento de la pantalla y variar dependiendo de la frecuencia. Este, aumentara la difracción, por lo tanto, mejorara la efectividad de las barreras. Una optimización de las barreras es construyendo los pozos en el tope, con profundidades entre 0 y 0,25m. Para optimizar el funcionamiento de la barrera por tercio de octava, se deberá tener en cuenta la frecuencia y de ahí escoger el número de pozos con su profundidad. Diferentes estudios de optimización de barreras han simulado con un algoritmo el comportamiento del difusor y han llegado a concluir que las superficies planas son más efectivas para frecuencias superiores a los 1000 Hz, las profundidades están directamente relacionadas a la frecuencia, entre más grande es el pozo, mayor es la eficiencia, esto para bandas superiores a 125 Hz. 2.6.3.3 Transmisión sonora a través de las barreras Uno de los principales problemas en el control de ruido es la transmisión de energía a través de las barreras. El desarrollo de este análisis es válido cuando el muro no es muy delgado, en el caso de serlo, ocurren vibraciones en el sistema. También el análisis es válido si las frecuencias no son muy altas para que pueda existir una

Configuración

Atenuación media relativa

a una barrera simple de 2 m

(dB A)

Simple

Altura (m)

2 0

2.5 1.7

3 3.6

En forma de

T

Ancho (m)

1 1.4

1 con parte superior absorbente 2.0

2 con parte superior absorbente 3.1

Multi borde

Largo / Ancho (m)

1 / 0.5 2.4

1/0.5 Con borde superior de absorción 2.5

1/1 Con borde superior de absorción 2.6

2/0.5 Con borde superior de absorción 2.7

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disipación de energía. La variación de la pérdida por transmisión por frecuencias para un muro homogéneo está determinada por tres regiones que determinan el comportamiento del muro: a) Región I: Región de rigidez, donde el muro vibra como un todo y el sonido transmitido a través del panel es determinado principalmente por la rigidez del mismo. b) Región II: Región de masa, esta dado para frecuencias altas y se empieza en la frecuencia de resonancia (frecuencia donde la onda incidente crece). La pérdida por inserción del muro es controlado por la masa independientemente de la rigidez. En esta región parte de la energía es transmitida y la otra reflejada por la superficie. c) Región III: Región de coincidencia, está dada para frecuencias por encima de la frecuencia crítica (donde la onda incidente aumenta), la pérdida por transmisión aumenta fuertemente dependiendo de la frecuencia y de las ondas sonoras incidentes y del material de amortiguamiento del muro. 2.6.3.4 Pérdida por inserción Pérdida por inserción (Harris): La pérdida por inserción de una barrera se expresa: IL= 10 Log [(pdir)

2/(pdif)2] Ec. (2.14)

Donde pdir es el nivel de presión sonoro en el receptor antes de la instilación de la barrera y pdif es el nivel después de la instalación de la barrera. Otra manera de expresarlo es: D= L1 – L2 Ec. (2.15) Donde L1 es el nivel sonoro continuo equivalente para un período de una hora sin la barrera y L2 es la misma medición pero con la barrera. Para el cálculo del nivel inicial se debe tener en cuenta si el ruido es generado por el sistema de propulsión, por la fricción en la rodadura o la combinación de ambos. Ruido por propulsión: L1= 67,4 + 23Log (v/88) dB(A) Ec. (2.16) Ruido por rodadura:

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L1= 71,4 + 32Log (v/88) dB(A) Ec. (2.17) Combinación: L1= 71,4 + 32Log (v/88) dB(A) Ec. (2.18) Donde v es la velocidad del vehículo en Km/h.[8] Pérdida por inserción (Maekawa): Una teoría aproximada de la difracción sirve para calcular la atenuación sonora debido a una barrera es la de Maekawa el cual experimento con una barrera semifinita en el campo libre. Utilizo un pulso tonal de una duración suficientemente corta para identificar la señal reflejada y retardada, por lo tanto no hubo influencia de otras superficies. En la zona de sombra, midió los niveles de presión sonora en puntos aleatorios y sus resultados los muestra en una curva de atenuación sonora versus a un parámetro adimensional número de Fresnel, el cual se calcula con la siguiente fórmula:

N= 2/ Ec. (2.19)

Donde es la diferencia de camino que existe entre la fuente y el receptor con y

sin la interposición de la barrera, y es la longitud de onda de la frecuencia estudiada. Este método es simple y con resultados confiables para el cálculo de la difracción sonora.

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Figura. 2.12 Ábaco de Maekawa, trabajo de Redfearn(); trabajo de Maekawa

(); teoría de Kirchhoff (--). Valores experimentales medidos por pulsos.

Fuente Master Handbook of Acoustics. Pérdida por inserción Dependiendo si N>0 o N<0, el punto del receptor cae en la zona de brillo o en la zona de sombra respectivamente. En este ábaco se comparan los resultados con otros investigadores; como se ve en la grafica, los resultados son más bajos que los de la teoría de Kirchhoff, sin embargo es similar a la teoría de Redfearn. Este método tiene gran aceptación y se obtienen buenos resultados al utilizarse en aquellos casos que el receptor no se ve afectado por las reflexiones del sonido difractado en el borde de la barrera. Por eso Maekawa hizo otras consideraciones referente a las reflexiones:

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Figura 2.13 Sección de la barrera interpuesta entre la fuente S y el punto de receptor R.

El nivel de presión sonoro L en el punto 0 (L0), del borde superior de la barrera es el nivel de referencia para cualquier punto de la zona de sombra. La atenuación de la barrera denotado por L1 se obtiene del ábaco de Maekawa y para calcular el número de Fresnel se usa la siguiente expresión: __ __

N1= 1(2/) ; donde 1= (SO + OR d1) Ec. (2.20) El efecto de reflexión del suelo se calcula aplicando el mismo método para un punto R’. La atenuación sonora L2 se obtendrá del ábaco de Maekawa y el número de Fresnel: __ __

N2= 2(2/) ; donde 2= (SO + OR’ – d2) Ec. (2.21) Los valores negativos de la atenuación L1 y L2, se suman para tener un valor L3. El valor de atenuación del receptor L se calcula con las siguientes formulas: Para fuente puntual: L= [L0 – 20 log10 (d1/SO)] – L3 dB Ec. (2.22) Para fuente lineal (una carretera): L= [L0 – 10 log10 (d1/SO)] – L3 dB Ec. (2.23)

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El efecto de la protección de una barrera se obtiene: (Lp – L) dB Ec. (2.24) Donde Lp es el nivel de presión sonora medido en el punto receptor antes de ser instalada la barrera. 2.6.3.5 Atenuación de barreras según ISO 9613-2 Las barreras deben cumplir con las siguientes características:

Densidad superficial por lo menos de 10 kg/m2

La superficie de la barrera debe estar cerrada, sin grietas y sin lagunas que permitan el paso del sonido.

La atenuación de las barreras esta dado por la pérdida por inserción, difracción en el borde superior de la barrera (coronación). El cálculo de atenuación está definido por la difracción en el borde superior: Abar= Dz – Agr > 0 Ec. (2.25) Y por la difracción en los bordes verticales: Abar= Dz > 0 Ec. (2.26) Donde Dz es la atenuación de la barrera para cada octava y Agr es la atenuación por el suelo sin barrera.

Dz= 10 log [3 + (C2/)C3zKmet] Ec. (2.27) Donde C2 es igual a 20, e incluye el efecto de las reflexiones del suelo, C3 es igual a 1, z es la diferencia entre la fuente-coronación y coronación-receptor. Kmet es la corrección meteorológica. z= [dss+dsr)

2 + a2]1/2-d Ec. (2.28) Donde dss es la distancia entre la fuente y la coronación, dsr distancia entre coronación y receptor, y a es el componente paralelo de la distancia del borde de las barreras entre el receptor y la fuente.

Kmet= exp{-(1/2000)[dssdsrd/(2z)]} z>0 Ec. (2.29) Kmet= 1 z≤0 Cuando la distancia de la fuente y el receptor es menor de 100 metros Kmet= 1, con una precisión de 1 dB.

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La pérdida por inserción se calcula con Ec. (2.25), sin embargo para barreras muy grandes este cálculo no es suficiente y debe hacerse la medición. Si la fuente sonora es múltiple para casos industriales, con alturas de fuente mayores a 10 m, la pérdida por inserción se calcula con Ec. (2.26) La atenuación debido al suelo es la que se calcula antes de la inserción de la barrera. Cuando K=1, significa que los efectos atmosféricos se ignoran. 2.6.3.6 Absorción de los materiales Para hallar la absorción de los materiales existen diferentes métodos de medición los cuales se usan de acuerdo a las necesidades y condiciones del mismo. La norma ISO 354 describe la medición de la absorción en una cámara reverberante, la cual debe tener ciertas características (volumen= 200 m3) para determinar el tamaño de la muestra a medir. Esta medición tiene dos formas de realizarse. La primera es con ruido interrumpido y la segunda es con la integración de la respuesta al impulso. Cualquiera de los métodos que se elija debe ejecutarse adentro de la cámara, esto hace que la medición sea confiable y el margen de error muy pequeño. Otro método los describen en la norma ISO 10534-1 (Tubo de Kundt) y la ISO 10534-2 (Tubo de impedancia). Los dos están basados en la generación de un sistema de ondas estacionarias. Para obtener la absorción de forma teórica Delany y Bazley proponen obtener los valores de impedancia Zc y número de onda k por medio de unas ecuaciones que dedujeron de manera empírica analizando el comportamiento de algunos materiales fibrosos con coeficientes cercanos a 1 en campo y tierra. Medición del material in situ: Para la medición de absorción de material se uso el método de reflexión de teoría básica expuesta por Mommertz.

El coeficiente de absorción, , es la relación de la energía absorbida (posiblemente transmitida), y la energía incidente (posiblemente por unidad de tiempo y superficie). Este valor puede ser obtenido por una medición del factor de reflexión, Rp. La relación es:

(,)= 1 – IRp(,)I2 Ec. (2.30)

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donde Rp es un número complejo (en la medición es equivalente a la impedancia

superficial, z, en la misma frecuencia, , con un ángulo de incidencia, ), sin embargo la información de la fase no es usado. En la medición se usa la técnica simple de un solo micrófono, por lo tanto la señal incidente y la reflejada es capturada por el mismo. En el rango de frecuencias audibles, el micrófono no debe estar muy alejado de la fuente y de la superficie de prueba (solo unos cuantos metros), la absorción del aire es despreciada en la medición. Aunque la ecuación anterior depende del ángulo de incidencia (respecto a la normal de la superficie de prueba), la forma apropiada de calcular Rp se determina diferente, de hecho, solo a lo largo de los ángulos de incidencia los efectos esféricos y la dependencia de z en el ángulo son tomados en cuenta. Sin embargo para esta técnica de medición se asume la incidencia normal. Figura 2.14 Diagrama de conexión para medir la absorción del material

El factor de reflexión rp(t) puede ser obtenido desde la presión sonora incidente (pi(t)) y la reflejada (pr(t)) desde la superficie del material bajo prueba, las cuales son grabadas por el micrófono. De hecho, el sonido reflejado puede ser descrito como:

pr(t)= Krrp(t) pi (t - r) Ec. (2.31)

donde hace referencia a convolución y Kr es un factor de corrección incluido en la cuenta de difusión geométrica y del sonido reflejado respecto al incidente: Kr = (H – h) / (H + h) Ec. (2.32)

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r es un tiempo de demora debido a la diferencia en el mismo trayecto:

r = 2h/c Ec. (2.33) La Ec. (2.32) es un factor geométrico, rp(t) es una respuesta al impulso de un sistema (pasivo lineal) constituido por una superficie de prueba. Al realizar la transformada de Fourier se obtiene:

Pr()=KrRp() Pi()e-2πi Ec. (2.34) y al combinar la Ec. (2.30) y Ec. (2.34), sabiendo que es la relación de dos espectros en la frecuencia a estudiar:

()= 1 – (1/ Kr 2) (IPr()2I / IPi()2I) Ec. (2.35)

Los impulsos de presión sonora incidente y reflejado deben ser extraídos desde la señal de presión total pm(t) recibido por el micrófono posicionado:

pm(t)= pi(t) + Krrp(t) pi (t - r) + Kuru(t) pi (t - u) + pn(t) Ec. (2.36) u

donde los términos de u representan las reflexiones indeseadas (eco, reverberación…) y pn(t) es el ruido de fondo extraño recibido en el micrófono

posicionado. K y son valores geométricos y tiempos de retardo. Sin embargo, para resolver más fácil estas ecuaciones, se utiliza un software donde las reflexiones son identificadas en una inspección visual en h(t). Después de pasar por la frecuencia dominante se aplica el algoritmo de FFT. Por lo tanto, el núcleo de la medición puede ser conducida a determinar la respuesta al impulso h(t) por la selección de la señal de entrada más adecuada pi(t), debajo del ruido pn(t). El método de reflexiones basado en impulsos, como todos los demás métodos, tiene limitación de frecuencias gracias a los fenómenos físicos. La limitación de frecuencias bajas surge porque los términos involucrados (señal directa y reflejada) deben ser seleccionados desde el término global de respuesta al impulso con un adecuado ventaneo del tiempo dominante. Pero siempre hay un solapamiento de las “colas” de estos impulsos con las reflexiones no deseadas, esto hace que el ventaneo se reduzca para quitar los disturbios de la señal, en este proceso se pierde información de las frecuencias bajas. Sin embargo, las mediciones en exteriores se asemejan a pequeñas cámaras reverberantes. Si se sigue perdiendo información en frecuencias bajas, se debe usar un sofisticado método de deconvolución. Una guía puede ser usado en el buen sentido la regla

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donde la resolución de la frecuencia, ∆, es inversamente proporcional al tiempo de duración del ventaneo, Tw.

∆= 1/ Tw Ec. (2.37) Un problema similar existe cuando las mediciones de absorción en sistemas resonantes (Ej. Resonadores de Helmholtz, hojas delgadas de metal vibratorias, etc.), porque la respuesta puede ser un tiempo relativamente largo y esto puede tener un solapamiento con las reflexiones no deseadas. La limitación en frecuencias altas surge principalmente por las irregularidades de las superficies de prueba (por ejemplo, algunas barreras en las vías). Los puntos de prueba en la superficie con diferentes profundidades y orientación del sonido incidente y reflejado en diferentes caminos, da lugar a patrones complejos en el resultado del campo acústico. Si la medición tiene un ancho de banda limitado, se establece que la profundidad, e, de las irregularidades de la superficie sea inferior o igual a una cuarta parte de la longitud de onda del sonido, entonces el límite en frecuencias altas está estipulado por el código de prueba de AFNOR donde:

max= c/4e Ec. (2.38) donde c es la velocidad del sonido en el aire. Por supuesto, las limitaciones conocidas que se derivan del teorema deben ser cumplidas. 2.6.4 Modelos acústicos a escala El principio de los modelos a escala fue presentado en la década de 1930 por Spandöck. Desde entonces, la técnica de modelos escalados ha sido aplicada en el estudio de salones de conciertos, fábricas y propagación al aire libre. Independientemente de la aplicación de un modelo acústico escalado se requiere considerar diferentes factores. Los modelos a escala tienen un rango desde 1:8 a 1:100. La absorción ultrasónica del aire ha demostrado ser un problema ya que causa un aumento no lineal de la atenuación acústica. Los materiales usados en la creación de este modelo, varían según la aplicación y la escala. Una cámara anecoica puede ser usada para aislar el modelo de ruidos extraños y prevenir las reflexiones indeseadas que afecten el resultado de la prueba. Las características del receptor han sido analizadas por Xiang y Blauert quienes han usado modelos a escala de una cabeza binaural para las mediciones. La aplicación de un modelo a escala para la propagación del sonido al aire libre se ha concentrado en el diseño de barreras acústicas, haciendo mediciones de la pérdida por inserción de las barreras. A pesar de las facilidades de un modelo a escala a la hora de analizar un fenómeno físico, algunos acústicos aseguran que estos experimentos introducen un número de errores en comparación con un

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modelo a escala completa, debido a que algunos fenómenos físicos como la absorción atmosférica y el efecto de los bordes no se pueden escalar linealmente. El objetivo de un modelo acústico a escala de barreras anti ruido para autopistas se puede aplicar para reproducir los cambios en el nivel de presión sonoro que ocurren a escala real en la superficie de la tierra y la pérdida por inserción. Los modelos deben considerar estos dos agentes, escogiendo el factor de la escala n, la construcción de la fuente, las condiciones de absorción del aire, la selección de los materiales a escalar, los instrumentos de medición, esto con el fin de simular las condiciones al aire libre. El campo sonoro en exteriores puede ser modelado por un escalamiento de las dimensiones del modelo y las características de la superficie por 1/n, tanto que las relaciones de las dimensiones de la longitud de onda sean preservadas. La correspondencia con la longitud en la escala real es l= nl’. En este caso es usado un modelo, teniendo que c= c’, el tiempo es tomado por segundos que viajan dando una distancia, t= nt’. En este caso, la constancia de la velocidad del sonido entre la escala real y el modelo requiere que la relación entre las longitudes de

onda del modelo y la escala completa y frecuencias sea: = n’ y = ’/n. Sin embargo, desde que las dimensiones hayan sido escaladas por 1/n, la frecuencia

dependerá de la absorción del aire (dB/m) en el modelo debe ser escalado por n,

lo que significa que = ’/n. Idealmente, ( r)/(’ r’)= 1.La impedancia de la superficie del modelo escala debe ser igual a los valores en la escala real, donde

Z()= Z(’). La escala exacta del modelo está relacionada con la longitud de onda y la impedancia de la superficie, esto significa que los efectos de interferencia y difracción pueden ser reproducidas. Desde que las distancias escaladas sean 1/n, la fuente producida en el modelo a escala produce cierta presión media cuadrática a una distancia r en la escala real, pero a r/n en el modelo. El nivel de presión sonoro a real y el nivel de presión sonoro a escala son relativos a los valores del modelo y se multiplican por n: Lw= L’w – 20Log10(n) Ec. (2.39) Lp= L’p – 20Log10(n) Ec. (2.40) Si el modelo es construido de acuerdo a estas leyes de escalamiento, Lp y Lw serán escaladas por n. El incremento no lineal de la absorción del aire puede ser mitigado usando un modelo a escala de otros gases que remplace el aire normal. Otro aspecto del incremento no lineal el modelo a escala es el asociado con el límite de la superficie acústica (acoustic boundary layer, ABL).

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3. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION El trabajo que se desarrolla es de carácter empírico analítico. Ya que basados en fundamentos teóricos, se plantea por medio del modelo a escala comprobar dicha teoría y llegar a una solución optima del ruido por medio de barreras acústicas. 3.2 LINEA DE INVESTIGACION DE LA UNIVERSIDAD Figura 3.0 Diagrama de línea de investigación

3.3 TECNICAS DE RECOLECCION DE INFORMACION Para obtener la información necesaria para el desarrollo del proyecto se deben usar los siguientes instrumentos: Sonómetro (medición de ruido en una vía rápida), Micrófonos de medición (medición de nivel de presión sonoro con la barrera, prototipo), Computador portátil (grabación de mediciones y procesamiento de información), Interfaz de audio, Amplificador, Ecualizador, Parlante (medición de absorción del material). 3.4 POBLACION Y MUESTRA Las mediciones de ruido de tráfico, se harán tratando de mostrar el espectro real de la vía, tomando muestras a diferentes horarios y en horas pico donde el flujo vehicular es mayor. Con esta información, se llega a un análisis óptimo del espectro de ruido y del diseño de la fuente. La cantidad de vehículos y la clasificación de los mismos se suprimirán en este proyecto. 3.5 HIPOTESIS Con la construcción de una barrera acústica se reduce el nivel de presión sonoro en el receptor, el modelo a escala facilita el óptimo diseño de esta.

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3.6 VARIABLES Al estudiar el sonido al aire libre se deben tener en cuenta diferentes factores que cambiaran el comportamiento del campo. En el modelo a escala se simulará el campo y la fuente, teniendo como principal objetivo generar una fuente cilíndrica la cual tenga un espectro similar al ruido vehicular. Sin embargo la atenuación debido a factores meteorológicos y aire, se asume que no afecta al campo escalado. 3.6.1 Variables independientes

Factores meteorológicos.

Absorción del suelo.

Fuente sonora.

Divergencia geométrica. 3.6.2 Variables dependientes

Comportamiento de arreglo de altavoces.

Materiales de construcción.

Nivel de presión sonoro en el receptor.

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4. MARCO LEGAL O NORMATIVO 4.1 LEY COLOMBIANA La resolución 627 del 7 de Abril de 2006 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial establece un nivel de presión sonoro permitido para diferentes locaciones. Las mediciones de ruido vehicular se realizaron en la autopista norte de Bogotá y según la resolución se encuentra en el sector C (ruido intermedio restringido), donde en el día es permitido 70 dB y en la noche 60 dB. 4.2 MEDICIÓN DE RUIDO VEHICULAR Para esta medición se usa la norma ISO 1996, la cual hace una descripción, evaluación y medición del ruido medio ambiental. La norma da los parámetros para analizar la fuente de ruido y estipula una serie de correcciones que se deben hacer dependiendo del tipo de fuente de ruido. Además describe el tipo de equipamiento que se debe tener en cuenta para realizar la medición. 4.3 MEDICIÓN Y DISEÑO DE LA FUENTE Para la descripción de la fuente, se realiza un análisis con la norma francesa NF S31-133, la cual toma como referencia en los cálculos la ISO 9613-2. Esta norma hace una descripción de la fuente analizándola como una línea de fuentes puntuales en una sección de la carretera. Por lo tanto para el modelo a escala se toma una sección de la carretera y se realiza una línea de parlantes. 4.4 MEDICIÓN DE ABSORCIÓN DEL MATERIAL Se estudian las normas ISO 354, 10534-1, 10534-2, sin embargo por la falta de los equipos descritos en las normas se toma la decisión de usar un método in situ propuesto por Eckard Mommertz. Esta medición está basada en la reflexión ya que el coeficiente de absorción se obtiene a partir de la señal incidente y reflejada. 4.5 CÁLCULO DE ATENUACIÓN SONORA EN EL MEDIO EXTERIOR Se estudia la norma internacional ISO 9613-1 y la ISO 9613-2, las cuales permiten calcular barreras acústicas. Estas normas describen el comportamiento del campo y los factores que influyen en el receptor. La primera parte de la norma detalla la absorción sonora de la atmosfera donde se especifica un método de cálculo de la atenuación en exteriores en orden de predecir el nivel del ruido medioambiental en distintos puntos para varias fuentes. La segunda parte de la norma entrega un método de cálculo general y la atenuación debido a la barrera acústica.

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Para poder hacer el cálculo se debe hacer un estudio de la fuente de ruido con la norma ISO 1996. 4.6 PRESENTACIÓN DE TESIS Para la presentación de la tesis se usa la norma técnica colombiana NTC 1486, la cual muestra los requisitos para entregar un proyecto de grado. Además normaliza el formato del documento teniendo en cuanta como se enumeran los capítulos, las tablas, figuras…

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5. DESARROLLO INGENIERIL Para iniciar el proceso de creación y diseño del prototipo, se realizaron las mediciones de la autopista para obtener el espectro de ruido que esta genera. Esto con el fin de analizar el rango de frecuencias que se iban a escalar y así diseñar la fuente de ruido. Después se examinaron los materiales de construcción y se hizo la medición de absorción del material para continuar con la fabricación del prototipo, teniendo este montaje se realizaron las mediciones correspondientes. Con esta información (dimensiones y espectro de ruido) se procede a hacer los cálculos correspondientes según los métodos mencionados anteriormente y por último se analizaron los resultados y se compararon con la información calculada. 5.1 MEDICIÓN DE UNA VÍA RÁPIDA (AUTOPISTA NORTE BOGOTA) Para obtener el espectro de ruido de una vía con alto flujo vehicular, se escogió la autopista norte de la ciudad de Bogotá, la cual cumple con las características deseadas para este trabajo. El punto de medición se muestra en las siguientes figuras: Figura 5.0 Autopista norte Bogotá (sentido norte-sur)

En el medio de los carriles sentido norte-sur, sur norte se encuentra un espacio de 7 m aproximadamente, en este lugar existe mucha vegetación, por lo tanto, funciona como una barrera natural, entonces la influencia en el nivel de presión sonoro de la otra vía es despreciada en la medición de ruido vehicular.

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Figura 5.1 Imagen satelital punto de las mediciones de la autopista.

La medición de la vía se realizó teniendo como referencia la norma ISO 1996-1 (Descripción, medición y evaluación del ruido ambiental) y la ISO 1996-2 (Descripción y medición de ruido ambiental) la cual describe que la técnica de medición usada, número de micrófonos, instrumentación, grilla de medición, número y duración de las mediciones, todas estas consideraciones dependen de la naturaleza de la fuente sonora y del receptor. Además la norma especifica que los instrumentos de medición deben estar calibrados y ser clase 1, pero se acepta como mínimo clase 2. La fuente sonora producida por el ruido de tráfico es de tipo continua, la zona de la medición no se ve afectada por reflexiones de edificios. A partir de esta información se procede a determinar el número y el tiempo de las mediciones. Los elementos en la medición: Sonómetro Svantek 943 Trípode Según la norma ISO 1996-2 debe hacerse un diagrama los puntos de medición en la autopista.

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Figura 5.2 Puntos de medición en la autopista norte (Bogotá-Colombia)

Para medir el nivel de presión sonoro en la autopista, se realizaron 8 mediciones de 30 minutos. Los datos se obtuvieron los 5 días de la semana a diferente horario, además se ejecutaron mediciones a hora pico para tener un espectro lo más real posible. Siguiendo la normativa, el Anexo A especifica una corrección del nivel de presión sonoro final. Para la fuente producida por una autopista es 0 dB, por lo tanto los datos obtenidos y promediados de las mediciones son: Tabla 5.0 Mediciones en autopista norte en dB

Frecuencia (Hz) 31 63 135 250 500

Medición 1 79,00 80,60 78,90 76,30 75,30

Medición 2 79,80 80,80 78,40 75,60 74,60

Medición 3 74,20 79,70 77,70 75,70 74,80

Medición 4 72,80 78,50 78,00 76,40 74,80

Medición 5 72,10 78,80 78,20 75,10 75,90

Medición 6 72,80 79,60 76,70 73,40 73,50

Medición 7 74,70 79,70 76,80 75,20 73,70

Medición 8 73,80 80,90 78,10 76,00 74,30

Promedio 75,87 79,90 77,91 75,55 74,68

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El espectro de ruido en la medición de la vía: Figura 5.3 Espectro de ruido de la autopista.

En esta figura, se observa el alto contenido en bajas frecuencias, especialmente a 63 Hz, donde es la zona critica. Teniendo este espectro como referencia, se procede a construir el arreglo lineal de la fuente para el modelo a escala. 5.2 ESCALAMIENTO DE LAS FRECUENCIAS Continuando con el desarrollo del proyecto se tomó la decisión de usar la escala 1:16 debido a su facilidad de uso, tanto en la construcción de la maqueta como en el escalamiento de frecuencias trabajando por banda de octava. Esto significa que los parámetros utilizados fueron disminuidos en proporción a 16 veces su valor normal. Para el escalamiento de frecuencias, se presenta el caso donde los cálculos se hacen mediante un escalamiento directo de frecuencias, es decir, las frecuencias a tener en cuenta tendrán que ser multiplicadas como se explico anteriormente por un factor de 16 de forma directa para tener el resultado escalado.

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Tabla 5.1 Escalamiento de frecuencias por banda de octava.

Conociendo esta información se procede a realizar el diseño del arreglo de altavoces, los cuales deben funcionar para el rango de frecuencia detallado anteriormente. 5.3 MEDICIÓN DE LA FUENTE Para realizar la medición de los parlantes se midieron 8 tipos diferentes de altavoces para encontrar el que tuviera la potencia requerida para simular el espectro del tráfico vehicular. Este espectro, está definido por la medición en la autopista norte. Los elementos en la medición: Base de parlantes Amplificador Alessis RA150 Tarjeta de Sonido M-box 2 pro Computador Portátil MacBook Cables de audio Sonómetro Svantek 943 Trípode Ecualizador grafico DBX Parlantes:

LS19C050

CF20S

44AP-05

SP-228

SP-161

SS YD-45-1A

C35128A

TSP Debido a la inexistencia de cámara anecoica se procedió a buscar un espacio que tuviera bajos niveles de ruido de fondo y además bajos tiempos de reverberación, por lo que se concluye que el lugar más indicado para la medición es el salón de sonido en vivo, en el cual, para la toma de datos, se trabajo en campo directo. El ruido de fondo presente en la medición fue de 32,4 dB (A).

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En esta medición, se colgaron los distintos parlantes en la base a 1,5 m de altura. El sonómetro se ubicó a 1 m de la fuente y a la misma altura del parlante para obtener la información del eje del altavoz. El amplificador fue aumentando la potencia, ya que se quería llegar al nivel del espectro de la vía. El ruido que se utilizó para excitar los parlantes fue ruido rosa. El resultado del nivel de presión sonoro para los 8 altavoces es: Figura 5.4 Comparación de los 8 parlantes medidos.

El parlante que se escogió para la creación de la fuente es el TSP debido a su comportamiento constante de nivel de presión sonoro para todas las bandas a estudiar. A pesar de tener una caída en 1000 Hz, es el altavoz que genera el nivel de presión sonoro más alto. Parlante TSP - Diámetro: 5.75 cm - Watts: 0.5 w

- Impedancia: 16 Figura 5.5 Fotos del parlate TSP

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5.3.1 Medición de patron de directividad La medición se realizó tambien en el salón de sonido en vivo, y se ejecutaron mediciones cada 30º para obtener el patron polar por banda de octava, los resultados obtenidos fueron:

Tabla 5.2 Nivel de presión sonoro por banda de octava.

Parlante Frecuencia

(Hz)

Grados / Nivel de presión sonoro (dB)

0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o

TSP

500 69,4 68,5 63,1 58,9 67,7 67,3 67

1k 57,1 62 51,7 49,6 66,2 57,2 65,3

2k 77,4 69,7 61,9 62,4 58,7 66,9 68,9

4k 71,8 73,9 73,8 70,1 73,3 78,2 78,3

8k 80,9 71,4 65,3 62,3 66,1 70 73,8

Con los datos conseguidos se construyo el diagrama del patrón polar por banda de octava: Figura 5.6 Patron polar del parlante TSP por banda de octava.

5.3.2 Arreglo lineal de fuentes puntuales Según la norma francesa NF S31-133, la fuente de ruido producida por una autopista puede ser estudiada como un arreglo de fuentes puntuales.

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Se usaron 10 parlantes que cubrieran el largo de la vía propuesta en el modelo a escala (1,5 m), conjuntamente se debe tener en cuenta que la distancia entre cada parlante no puede ser mayor a la distancia fuente-receptor. Figura 5.7 Arreglo de fuentes puntuales para el modelo a escala.

La potencia del arreglo se configuró de acuerdo a las especificaciones del amplificador, el cual tiene tres tipos de disposiciones:

1- 75W a 4

2- 45W a 8

3- 150W a 8 (configuración Bridge mono) La configuración que se utilizó fue la tercera, esto con el fin de aprovechar al máximo la potencia que suministra el amplificador, por lo tanto la conexión que se aplicó fue: Figura 5.8 Conexión del arreglo de fuentes puntuales.

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Después de tener la conexión, se ubicaron los altavoces en una base para parlantes, esto con el fin de analizar el comportamiento de la fuente como se muestra en la Fig. 5.9. Figura 5.9 Distribución de parlantes en medición del arreglo lineal.

Las mediciones se realizaron al aire libre, con ruido rosa, ubicando los parlantes en una línea vertical separados entre si 10,28 cm y del suelo 50 cm, teniendo así la menor cantidad de reflexiones. Se ubicaron tres puntos a diferentes alturas de sonómetro (70 cm, 125 cm y 170 cm). Se usó ruido rosa para excitar los parlantes. El ruido de fondo fue 67,4 dB. Los datos obtenidos fueron: Tabla 5.3 Medición del arreglo de fuentes a 0,7 m del suelo.

Medición 1 0,7 m del suelo

Grados / SPL (dB)

Frecuencia (Hz) 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o

500 71,1 69,9 64,2 47,5 63,2 66,9 68,2

1000 77,2 76,2 70,7 57,2 69,1 72,7 73,7

2000 78,6 77,3 71,7 63,5 68,1 73,8 76,8

4000 81,3 79,4 71,8 67,7 74,3 82,5 83,3

8000 83,2 81,3 71,4 65,8 69,6 77,9 81,4

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Tabla 5.4 Medición del arreglo de fuentes a 1,25 m del suelo.

Medición 2 1.25 m del suelo

Grados / SPL (dB)

Frecuencia

(Hz) 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o

500 71,7 70,8 65,3 48,4 66,9 70 72,1

1000 77,4 76,5 70,8 58,7 71,5 74,2 76

2000 83,1 81,6 77,1 67,4 74,2 77,4 79,9

4000 85,3 83,2 74,6 68,6 75,3 77 83

8000 83,8 79,5 71,1 64,9 70,3 75 84,3

Tabla 5.5 Medición del arreglo de fuentes a 1,70 m del suelo.

Medición 3 1,70 m del suelo

Grados / SPL (dB)

Frecuencia (Hz) 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o

500 70,4 68 61,7 48,3 63,5 66,8 68,6

1000 75,7 73,5 66,9 54,6 68,6 72 73,8

2000 79,7 77,1 69,8 60,5 69,4 72,9 74,4

4000 83,3 80,1 71,5 64,5 71,9 75,4 77,7

8000 81 75,9 68,5 61,6 69,9 75,7 79,4

Se realizaron tres mediciones por punto en el rango de frecuencias a estudiar y sobre los ejes horizontal y vertical. En estas tablas se puede ver que los niveles son similares a diferentes alturas, en el medio hay un aumento de energía, sin embargo, se percibe que los parlantes y el arreglo propuesto funcionan como una fuente cilíndrica.

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Figura 5.10 Patrón polar del arreglo de altavoces.

500Hz 1000Hz 2000Hz

4000Hz 8000Hz

La diferencia entre el espectro de la vía y el generado se muestra en la siguiente figura: Figura 5.11 Diferencia de niveles de presión sonoro.

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La curva muestra el comportamiento de la fuente de ruido a escala real, comparado con el arreglo lineal de fuentes a escala 1:16, la cual a bandas de frecuencias de 4000 Hz y 8000 Hz tiene una caída de 8 dB. Sin embargo, la medición del arreglo esta hecho al aire libre. Al poner los parlantes sobre el área de la vía, la potencia aumenta debido a la superficie altamente reflejante. Para lograr el espectro deseado se ubicaron los parlantes sobre unas placas de cemento simulando las condiciones de la autopista, se realizó una ecualización del arreglo y el resultado fue: Tabla 5.6 Comparación de espectros de ruido en dB

Frecuencia (Hz) 31/500 63/1000 125/2000 250/4000 500/8000

Autopista 75,87 79,90 77,91 75,55 74,68

Arreglo 67,57 76,97 80,28 81,64 79,96

Figura 5.12 Espectro de ruido generado en el modelo a escala.

En esta figura se ve que aumentaron las frecuencias altas gracias a las reflexiones del suelo. A pesar de haber ecualizado los altavoces, el nivel aumento 5 dB en estas bandas. Al sistema no se le hizo más ecualización por las difíciles condiciones de medición.

50

5.4 EXAMINACIÓN DEL MATERIAL Para analizar las propiedades absorbentes de los materiales se debe hacer una medición como lo expresa la norma internacional ISO 354, en la cual se usa una cámara reverberante, o usando un tubo de impedancia a escala (ISO 10534-2). Debido a la falta de estos recursos para realizar el estudio pertinente se toma la decisión de usar el método in situ para obtener el coeficiente de absorción del material a escala. Para la medición del material de construcción, se realizó una placa de muestra (50 x 50 cm), como se ve en las siguientes figuras: Figura 5.13 Placa de ladrillo, construida para la medición in situ de absorción.

Se efectuaron las mediciones según el método de Mommertz explicado anteriormente, usando los siguientes equipos: Amplificador Alessis RA150 Parlante EON 15” Tarjeta de Sonido M-box 2 pro Computador Portátil MacBook Cables de audio Sonómetro Svantek 943 Micrófono Beheringer ECM 8000 Software Adobe Audition (Plug-in Aurora) Trípodes Esta medición se realizó al aire libre, sobre césped, tratando de tener la menor cantidad de reflexiones posibles e indeseadas. El montaje se hizo ubicando la fuente a 1,8 metros del suelo (distancia H), el micrófono a 0,9 metros (distancia h). La señal que se utilizó fue un Long Sine Sweep de 15 segundos y se realizaron 6 mediciones, las cuales fueron promediadas.

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Figura 5.14 Medición del material.

Después de tener las seis señales se procesan con el software, aplicando el plug-in aurora el cual tiene diferentes algoritmos para realizar análisis acústicos. La señal grabada es la siguiente: Figura 5.15 Señal grabada.

Para el procesamiento del audio, inicialmente se revirtió la onda original y a esta se le hizo deconvolucionar con el audio grabado, con el fin de obtener la respuesta al impulso.

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Figura 5.16 Respuesta al impulso.

Haciendo una inspección visual de la onda, se observa que el primer impulso es la señal incidente y la otra parte de la señal se divide en la primera reflexión (resaltada en blanco) y las reflexiones indeseadas. Para conseguir el tiempo del ventaneo, se usa la siguiente ecuación: ∆t= H/c = 0,0053 s Ec. (5.0) Este ventaneo, se hace para realizar la transformada rápida de Fourier (FFT) y lograr los resultados de la respuesta al impulso por banda de octava. Al aplicar el ventaneo en la FFT se debe configurar en la parte inferior del software la forma de la ventana, para evitar el solapamiento y las reflexiones indeseadas se debe usar hanning. Figura 5.17 Transformada rápida de Fourier.

53

Después de obtener los datos de cada medición y hacer el ventaneo de la señal incidente y reflejado, se promediaron los datos para calcular el coeficiente de absorción. Los resultados para las bandas a estudiar fueron: Tabla 5.7 Resultados medición material.

Frecuencia (Hz)

dB Full Scale Voltaje (v) Resultado del coeficiente de

absorción () Señal

incidente Señal

reflejada Señal

incidente Señal

reflejada

500 -19,70 -20,93 0,01274 0,01105 -5,78

1000 -27,22 -28,06 0,00536 0,00486 -6,40

2000 -41,57 -41,88 0,00103 0,00099 -7,38

4000 -54,76 -55,07 0,00022 0,00022 -7,37

8000 -67,47 -66,70 0,00005 0,00006 -9,73

En la Tabla 5.7 los resultados del coeficiente de absorción son negativos, esto es gracias al tamaño del material y a las condiciones de medición. Debido a que es un modelo a escala, la muestra del material no es lo suficientemente grande para cumplir con las condiciones propuestas por el método. Asimismo el lugar de medición no es el indicado para hacer este tipo de pruebas y el equipo con el que se realizaron los ensayos no son de laboratorio, así que no cumple tampoco con los requerimientos. Otro factor que influye en los resultados es el software de procesamiento, el cual no es sofisticado y presenta limitaciones por ser versiones de prueba. 5.4.1 Tablas de materiales Después de no obtener los resultados esperados para la medición de el material se procede a examinar el material idóneo para la construcción de la barrera se hace por medio de una inspección de materiales teniendo en cuenta la accesibilidad, duración, construcción, etc. Esta clasificación se hace basada en los libros de construcción de barreras acústicas para exteriores, los cuales son usados en Estados Unidos e Inglaterra.

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Tabla 5.8 Materiales examinados I.

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Tabla 5.9 Materiales examinados II.

Al analizar todos estos parámetros de los diferentes materiales, se toma la decisión de hacer la barrera de ladrillo hueco, ya que es un material fácil de escalar, tiene una larga duración, lo cual asegura que disminuye su costo de mantenimiento, gracias a su estructura interna, puede tener propiedades absorbentes a escala real. Para el modelo a escala los cimientos deben tener concreto y algún tipo de metal que de mayor resistencia, no solo contra impactos, sino también para la movilidad y transporte del prototipo.

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5.5 DISEÑO DEL PROTOTIPO Teniendo la información de las frecuencias y después de haber escogido la escala 1:16, se hizo el diseño del prototipo en Autocad. Las dimensiones de la maqueta dependen de la facilidad de movilidad, por lo tanto la base es de 1,90 m de largo por 0,90 m de ancho. Figura 5.18 Planta.

Figura 5.19 Corte frontal.

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Figura 5.20 Imagen 3D.

Ver el detalle de los planos en el ANEXO A. 5.6 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO Con los planos en Autocad y el material de construcción de la barrera, empieza la ejecución del proyecto. Los elementos de construcción son: Ladrillos (2,5 x 1,7 x 0,9 cm) Cemento Estuco plástico Varillas de acero Césped artificial Madera Triplex Pintura para exteriores (Gris, Blanca, Amarilla) Tubo de PVC (para bases de parlantes y coronación) 5.6.1 Base del prototipo La base del prototipo debe ser un material resistente al peso y fuera manejable para el transporte de la maqueta, por lo tanto se busco una madera dura y gruesa que soportara el peso del prototipo. Se decidió escoger un Triplex de 17 mm el cual mide 1,7 x 0,9 m. 5.6.2 Vía Para la construcción de la vía, se usaron las mismas características de las placas usadas en el arreglo de fuentes. Se fabricó un molde (30 x 50 cm), en la cual se vació el cemento con una malla en el medio para darle mayor resistencia

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mecánica. Se vaciaron tres placas las cuales se acoplan gracias a unos tornillos como se ve en las imágenes: Figura 5.21 Placas de cemento para el prototipo.

5.6.3 Barrera Para la construcción de la barrera, se usaron ladrillos de barro hueco, los cuales fueron pegados con cemento, además se hizo una capa de cemento para protección. El prototipo consta de dos muros de ladrillos doble y tres columnas construidas con acero y forradas con ladrillo para darle mayor resistencia y manejo del diseño, como se ve en las imágenes: Figura 5.22 Ladrillo.

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Figura 5.23 Construcción de la barrera.

5.6.4 Fuente La fuente tiene la configuración descrita anteriormente. Además se ubico sobre unos tubos de PVC para lograr la altura necesaria según la normativa (50 cm a escala real, 3 cm a escala 1:16). 5.6.5 Punto receptor En el punto receptor se cubrió con el césped artificial, para simular condiciones aledañas a vías rápidas. No se tuvo en cuenta edificios para evitar reflexiones no deseadas. Se tomaron 5 puntos de receptor para analizar el comportamiento de la barrera.

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5.7 MEDICIONES DEL PROTOTIPO Después de ensamblar todos los componentes del prototipo el resultado obtenido es: Figura 5.24 Imágenes de mediciones del prototipo sin barrera, con barrera y coronación.

Las mediciones se realizaron en la azotea de un edificio para evitar las reflexiones no deseadas. Los equipos usados para esta medición fueron:

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Parlantes TSP Amplificador Alessis RA150 Ecualizador grafico DBX Tarjeta de Sonido M-box 2 pro Computador Portátil MacBook Cables de audio Sonómetro Svantek 943 Trípode Se tomaron 5 puntos de medición espaciados en el prototipo como se muestra en la figura: Figura 5.25 Ubicación de los puntos de medición.

Se hicieron tres mediciones por punto y se realizaron tres experimentos: primero sin barrera, después se hizo el montaje de las columnas y la barrera y por último se inserto en la parte superior de la barrera un tubo de pvc el cual es la coronación, esto con el fin de analizar si mejoraba las condiciones de la barrera. 5.7.1 Resultados Los resultados obtenidos de cada punto se promediaron y se analizaron por banda de octava:

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Para el punto 1: Tabla 5.10 Punto 1, comparación de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 67,17 76,37 80,58 84,87 84,35

Barrera 62,02 66,20 66,74 64,57 60,37

Barrera y coronación 61,16 64,93 64,15 63,58 59,02

Para el punto 2: Tabla 5.11 Punto 2, comparación de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 71,04 78,87 83,13 96,87 91,81

Barrera 62,37 60,58 67,30 68,19 60,67

Barrera y coronación 62,19 60,45 67,17 67,11 60,71

Para el punto 3: Tabla 5.12 Punto 3, comparación de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 64,67 76,00 78,97 84,23 79,44

Barrera 60,85 62,33 62,87 65,11 60,63

Barrera y coronación 61,14 62,27 62,04 65,24 60,17

Para el punto 4: Tabla 5.13 Punto 4, comparación de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 68,13 78,63 85,83 92,48 90,65

Barrera 63,54 65,37 65,17 70,03 64,10

Barrera y coronación 63,57 65,34 64,97 70,10 63,84

Para el punto 5: Tabla 5.14 Punto 5, comparación de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 60,60 71,97 78,07 79,64 79,54

Barrera 59,97 63,33 64,53 65,80 59,77

Barrera y coronación 60,27 63,33 64,43 65,67 59,11

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La atenuación total de la barrera por banda de octava es: Tabla 5.15 Datos por banda de octava de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 67,56 76,97 82,28 91,64 87,96

Barrera 61,92 64,02 65,60 67,25 61,42

Barrera y coronación 61,82 63,61 64,87 66,94 60,97

5.7.1.1 Medición de divergencia Después de obtener las mediciones en el prototipo se regresó a la autopista para medir en los mismos puntos que se usaron en el prototipo pero esta vez a escala real. Esto con el fin de ver la atenuación por divergencia. Se realizaron 3 mediciones por punto a las siguientes distancias: Punto 1: 6,4 metros Punto 2: 3,2 metros Punto 3: 9,6 metros Punto 4: 3,2 metros Punto 5: 8,0 metros El resultado es: Tabla 5.16 Medición de divergencia en la autopista norte, resultados en dB

Frecuencia (Hz) 31,5 63 125 250 500

Punto 1 74,84 81,83 76,51 72,59 75,71

Punto 2 75,7 79,8 78,48 78,43 76,23

Punto 3 71,17 76,6 75,25 73,56 70,64

Punto 4 74,84 81,83 76,51 72,59 75,71

Punto 5 74,48 78,95 73,53 70,92 71,69

5.8 CÁLCULOS DE LOS CINCO PUNTOS ESCALADOS 1:16 Posteriormente se realizaron los cálculos de la barrera. Esto se hizo con el fin de comparar la teoría con los resultados de la medición. Para realizar los cálculos se usaron los valores de nivel de presión sonoro generado por el arreglo de parlantes, la geometría de la barrera construida y las distancias de los puntos de la medición. Los cálculos se realizaron con los métodos propuestos anteriormente. Distancias de los puntos receptores respecto a la fuente Punto 1: 0,4 metros

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Punto 2: 0,2 metros Punto 3: 0,6 metros Punto 4: 0,2 metros Punto 5: 0,5 metros El SPL (sound pressure level) de la fuente lineal se muestra en la siguiente tabla: Tabla 5.17 Nivel de presión sonoro medido en el arreglo lineal en dB

SPL1 500Hz 71,1

SPL1 1kHz 76,8

SPL1 2kHz 80,9

SPL1 4kHz 83,6

SPL1 8kHz 82,8

5.8.1 Cálculos según ISO 9613-2 Conociendo el SPL de la fuente, se debe obtener el nivel de presión sonoro continuo equivalente (por octava) en el receptor se despeja Ec. (2.0), la cual depende de la potencia de la fuente, corrección de directividad y atenuación total. El nivel de potencia sonora de la fuente se calcula con la Ec. (2.1) donde hay que despejar la potencia de la fuente por octava, para esto se tiene en cuenta el nivel de presión sonoro del arreglo lineal que se muestra en la Tabla (5.6). Teniendo esta información se consigue la potencia con la siguiente ecuación: P1= 10[(SPL/10)-12 – Log (1/2πrL)] Ec. (5.1) donde r es la distancia fuente-receptor y L el largo de la fuente. Por lo tanto la potencia calculada por octava será: Tabla 5.18 Nivel de potencia por octava del arreglo lineal en Watts

P1 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

P1 500Hz 4,86E-05 2,43E-05 7,28E-05 2,43E-05 6,07E-05

P1 1kHz 1,80E-04 9,02E-05 2,71E-04 9,02E-05 2,26E-04

P1 2kHz 4,64E-04 2,32E-04 6,96E-04 2,32E-04 5,80E-04

P1 4kHz 8,64E-04 4,32E-04 1,30E-03 4,32E-04 1,08E-03

P1 8kHz 7,18E-04 3,59E-04 1,08E-03 3,59E-04 8,98E-04

65

En seguida se calcula Lw. Tabla 5.19 Nivel de potencia sonoro calculado en dB

Lw Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Lw 500Hz 76,86 73,85 78,62 73,85 77,83

Lw 1kHz 82,56 79,55 84,32 79,55 83,53

Lw 2kHz 86,66 83,65 88,42 83,65 87,63

Lw 4kHz 89,36 86,35 91,12 86,35 90,33

Lw 8kHz 88,56 85,55 90,32 85,55 89,53

La corrección de directividad, Dc, para el campo libre es 0 dB. La atenuación total esta descrita en la Ec. (2.2), por lo tanto se debe calcular:

Atenuación respecto a la divergencia geométrica, Adiv, no se calculó según la normativa porque al escalar las distancias no se cumplen los requerimientos propuestos, por lo tanto se uso la ecuación del nivel de presión sonoro para fuente cilíndrica: SPL= 10 Log (1/2πrL) Ec. (5.2)

Tabla 5.20 Atenuación por divergencia en dB.

Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Adiv 5,76 2,75 7,52 2,75 6,73

Atenuación atmosférica, Aatm= 0, para distancias menores a 100 m.

Atenuación por efecto del suelo, Agr, es despreciada debido a la corta distancia de fuente-receptor, ya que las tres regiones que se muestran en la Figura (2.0) no se pueden cumplir gracias al tamaño del modelo a escala.

Atenuación por factores adicionales, Amisc= 0

Atenuación por difracción, Abar, la difracción de una barrera se calcula sobre los bordes laterales y el borde superior, teniendo en cuenta la atenuación de la barrera la cual depende de la corrección meteorológica y la distancia fuente-coronación y coronación-receptor como se detalla en la Ec. (2.26), Ec. (2.27), Ec. (2.28) Ec. (2.29).

Para el modelo a escala el cálculo de la pérdida por inserción se hizo con la Ec. (2.25).

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En consecuencia, los valores obtenidos son:

Tabla 5.21 Valores de distancia (m) y corrección meteorológica

Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

z 0,24 0,19 0,32 0,19 0,28

Kmet 0,998 0,998 0,998 0,998 0,998

La atenuación de la barrera para cada banda de octava es:

Tabla 5.22 Atenuación de la barrera calculada en dB.

Dz Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Dz 500Hz 10,05 9,28 10,93 9,28 10,51

Dz 1kHz 12,36 11,45 13,38 11,45 12,89

Dz 2kHz 14,98 13,96 16,09 13,96 15,56

Dz 4kHz 17,78 16,71 18,93 16,71 18,38

Dz 8kHz 20,68 19,57 21,86 19,57 21,30

La atenuación en el borde superior es:

Tabla 5.23 Atenuación del borde superior en dB

Abar1 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Abar1 500Hz 10,05 9,28 10,93 9,28 10,51

Abar1 1kHz 12,36 11,45 13,38 11,45 12,89

Abar1 2kHz 14,98 13,96 16,09 13,96 15,56

Abar1 4kHz 17,78 16,71 18,93 16,71 18,38

Abar1 8kHz 20,68 19,57 21,86 19,57 21,30

Atenuación por los bordes laterales es:

Tabla 5.24 Atenuación de los bordes verticales en dB

Abar2 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Abar2 500Hz 10,05 9,28 10,93 9,28 10,51

Abar2 1kHz 12,36 11,45 13,38 11,45 12,89

Abar2 2kHz 14,98 13,96 16,09 13,96 15,56

Abar2 4kHz 17,78 16,71 18,93 16,71 18,38

Abar2 8kHz 20,68 19,57 21,86 19,57 21,30

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Por último se calcula la atenuación total debido a la difracción según la normativa:

Tabla 5.25 Atenuación por difracción total calculada, IL, según ISO 9613-2 en dB

Abar Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Abar 500Hz 13,06 12,29 13,94 12,29 13,52

Abar 1kHz 15,37 14,46 16,39 14,46 15,90

Abar 2kHz 17,99 16,98 19,10 16,98 18,57

Abar 4kHz 20,79 19,72 21,94 19,72 21,39

Abar 8kHz 23,69 22,58 24,87 22,58 24,31

Por lo tanto la absorción total en el punto de receptor es: Tabla 5.26 Absorción total en el receptor en dB

Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

A 20,04 18,97 21,18 18,97 20,64

Después de calcular todos los factores de Ec. (2.0) el resultado del nivel continuo equivalente en el receptor es: Tabla 5.27 Nivel continuo equivalente según ISO 9613-2 en dB

Lft(DW) Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

66,54 64,60 67,16 64,60 66,91

Lft 500Hz 56,82 54,89 57,44 54,89 57,19

Lft 1kHz 62,52 60,59 63,14 60,59 62,89

Lft 2kHz 66,62 64,69 67,24 64,69 66,99

Lft 4kHz 69,32 67,39 69,94 67,39 69,69

Lft 8kHz 68,52 66,59 69,14 66,59 68,89

5.8.2 Cálculos según el método de Maekawa Otra forma de calcular la atenuación debido a la difracción es por el método de Maekawa (2.6.3.4), en este se debe tener en cuenta el número de Fresnel (Ec. (2.19)). Tabla 5.28 Número de Fresnel

N Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

N500Hz 0,31 0,39 0,29 0,39 0,30

N1kHz 0,61 0,78 0,58 0,78 0,59

N2kHz 1,22 1,56 1,16 1,56 1,18

N4kHz 2,45 3,12 2,32 3,12 2,36

N8kHz 4,90 6,24 4,63 6,24 4,73

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Cuando N<0 el receptor está en la zona de sombra. Al analizar los datos se determina que en ningún momento el punto de receptor se encuentra en esta zona. La pérdida por inserción según el ábaco de Maekawa (Figura 2.12): Tabla 5.29 Pérdida por inserción según Maekawa en dB

IL Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

IL500Hz 12 12,8 12 12,9 11,8

IL1kHz 14,9 15,2 14,4 15 14,4

IL2kHz 16,8 18,2 16,5 18,2 16,5

IL4kHz 20 21 19,8 21,1 19,6

IL8kHz 35 24 22,8 24,1 22,6

Siguiendo este método, se calcula atenuación por difracción (Ec. 2.20): Tabla 5.30 Atenuación en dB y distancias en m

L1 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

L1500Hz 12 12,8 12 12,9 11,8

L11kHz 14,9 15,2 14,4 15 14,4

L12kHz 16,8 18,2 16,5 18,2 16,5

L14kHz 20 21 19,8 21,1 19,6

L18kHz 35 24 22,8 24,1 22,6

0,10 0,13 0,10 0,13 0,10

SO 0,2198 0,2198 0,2198 0,2198 0,2198

OR 0,29 0,13 0,48 0,13 0,39

d1 0,41 0,21 0,60 0,21 0,51

El cálculo para efectos de reflexión del suelo con la teoría del punto espejo según Ec. (2.21) indica que se debe calcular primero el número de Fresnel para obtener la atenuación sonora en el punto de espejo: Tabla 5.31 Número de Fresnel punto de espejo para efecto de reflexión del suelo

N2 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

N2 500Hz 0,37 0,64 0,24 0,37 0,29

N2 1kHz 0,73 1,29 0,49 0,73 0,58

N2 2kHz 1,47 2,57 0,97 1,47 1,16

N2 4kHz 2,94 5,15 1,95 2,94 2,32

N2 8kHz 5,87 10,30 3,90 5,87 4,65

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Teniendo esta información se puede calcular: Tabla 5.32 Atenuación sonora en punto de espejo en dB y distancias en m

L2 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

L2500Hz 12,5 14,9 11,5 12,7 11,6

L21kHz 15 16,7 13,8 15 14,2

L22kHz 17,3 20,1 15,8 17,6 16,5

L24kHz 20,6 23,1 18,9 20,7 19,5

L28kHz 23,6 27 21,9 21,8 22,6

0,12 0,22 0,08 0,12 0,10

SO 0,2198 0,2198 0,2198 0,2198 0,2198

OR' 0,416 0,322 0,568 0,416 0,487

d2 0,511 0,323 0,705 0,511 0,608

Para obtener el valor de atenuación del receptor, primero se debe hacer la suma de L1 y L2. Entonces L3: Tabla 5.33 Suma de atenuación L1 y L2 en dB

L3 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

L3500Hz 15,27 16,99 14,77 15,81 14,71

L31kHz 17,96 19,02 17,12 18,01 17,31

L32kHz 20,07 22,26 19,17 20,92 19,51

L34kHz 23,32 25,19 22,38 23,91 22,56

L38kHz 35,30 28,76 25,38 26,11 25,61

El valor final de la atenuación en el receptor esta dado por Ec. (2.23): Tabla 5.34 Valor de atenuación en el receptor en dB según Maekawa

L Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

L500Hz 62,87 63,95 61,65 65,13 62,49

L1kHz 60,18 61,92 59,30 62,93 59,89

L2kHz 58,07 58,68 57,25 60,02 57,69

L4kHz 54,82 55,75 54,04 57,03 54,64

L8kHz 42,84 52,18 51,04 54,83 51,59

PROM L 49,33 56,53 55,07 58,49 55,63

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Finalmente el efecto de protección de una barrera (Ec. 2.24): Tabla 5.35 Efecto de protección de una barrera según Maekawa en dB

FX Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

FX 500Hz 4,29 7,08 3,02 3,01 -1,88

FX 1kHz 16,19 16,95 16,70 15,70 12,08

FX 2kHz 22,50 24,46 21,72 25,81 20,38

FX 4kHz 30,05 41,12 30,20 35,45 25,00

FX 8kHz 41,51 39,63 28,40 35,82 27,95

FX MID 32,38 34,73 24,70 29,83 21,57

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6. ANÁLISIS Y RESULTADOS 6.1 ANÁLISIS DE MEDICIONES DEL PROTOTIPO Los resultados provenientes de las mediciones se analizaron inicialmente para cada punto, luego se hizo una comparación de todos los puntos y finalmente se hizo un promedio que permitiera ver el comportamiento de la barrera y la atenuación que esta produjo en el punto receptor. A continuación el análisis de cada punto: Figura 6.0 Comparación por banda de frecuencias.

Para el punto 1, la diferencia de niveles sin barrera y con barrera es mayor a 20 dB. La coronación funciona, reduciendo el nivel aproximadamente en 1 dB. La menor atenuación se dio en 500 Hz. Este punto está ubicado en el centro del prototipo y se puede ver que la barrera funciona bien en frecuencias altas especialmente.

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Figura 6.1 Comparación por banda de frecuencias.

El punto dos por ser más cercano a la fuente recibe un nivel de presión sonoro sin barrera más alto, al instalar la barrera la disminución del nivel es similar al punto 1. La banda de 4000 Hz es la en la que mejor desempeño tiene la barrera. Figura 6.2 Comparación por banda de frecuencias.

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El comportamiento de la barrera en este punto es similar a la del punto 1, ya que la ubicación de ambos es muy parecida. La barrera tiene un comportamiento similar para todas las bandas. Figura 6.3 Comparación por banda de frecuencias.

Este punto es muy cerca de la fuente y a un borde vertical, la atenuación más significativa es para frecuencias altas también. Ya que las columnas son gruesas y en forma de T, no genera difracción en este punto. El punto cinco se ubico muy cerca de la fuente y al borde, esto con el fin de analizar la difracción que se presentaba, en la siguiente figura se puede ver como la atenuación es mucho menor.

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Figura 6.4 Comparación por banda de frecuencias.

La atenuación no es mayor de 20 dB en las frecuencias altas. Para 500 Hz no hay atenuación, esto se debe a la ubicación del punto. Por lo tanto, la eficiencia de la barrera esta en el centro, en los bordes se presentan problemas por la difracción para frecuencias bajas y no hay protección de ruido en el receptor Siguiendo con el análisis de las mediciones por punto, se promediaron las frecuencias y se hizo una comparación de los puntos para las tres pruebas realizadas y el resultado es: Tabla 6.0 Comparación de los tres experimentos en dB

Sin barrera Barrera Barrera y coronación

Punto 1 81,71 64,60 63,05

Punto 2 91,26 65,05 64,56

Punto 3 79,77 62,68 62,54

Punto 4 88,32 66,36 66,33

Punto 5 77,21 63,32 63,22

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Figura 6.5 Comparación de los diferentes puntos.

En la figura anterior se ve la eficiencia de la barrera en todos los puntos, la cual es persistente en todas las posiciones. Después de instalar la barrera, se puede observar que no importa que tan cerca este el receptor de la fuente, ya que el funcionamiento de la barrera es constante, disminuyendo aproximadamente más de 15 dB por punto. Sin embargo esta es un promedio de las frecuencias implicadas. El punto 2 tiene la mayor atenuación. Los resultados de la atenuación de la barrera por banda de octava se promediaron y se obtuvo el siguiente resultado: Tabla 6.1 Datos por banda de octava de los tres experimentos en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Sin Barrera 67,56 76,97 82,28 91,64 87,96

Barrera 61,92 64,02 65,60 67,25 61,42

Barrera y coronación 61,82 63,61 64,87 66,94 60,97

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Figura 6.6 Promedio energético de los puntos de medición Nivel en el receptor sin barrera, con barrera y barrera-coronación.

En esta grafica se puede ver que la barrera es más eficiente en frecuencias altas, donde se alcanza una atenuación de 20 dB. La curva de la barrera con coronación es semejante a la de barrera sola, es decir que esta técnica en el prototipo a escala no aumento la atenuación y la difracción en los bordes superiores no se pueden estudiar, por lo tanto es indiferente la implementación de este sistema. 6.1.1 Análisis de atenuación por divergencia Los datos obtenidos en la autopista se compararon con los medidos en el prototipo para analizar cómo afecta el escalamiento de las barreras en el fenómeno de divergencia geométrica.

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Tabla 6.2 Comparación de divergencia a escala real y escala 1:16 dB

SPL prom

Punto 1 (med. real) 77,53

Punto 1 (med. escala) 81,71

Punto 2 (med. real) 77,99

Punto 2 (med. escala) 91,26

Punto 3 (med. real) 74,03

Punto 3 (med. escala) 79,77

Punto 4 (med. real) 77,53

Punto 4 (med. escala) 88,32

Punto 5 (med. real) 74,95

Punto 5 (med. escala) 77,21

Figura 6.7 Comparación de divergencia a escala real y escala 1:16.

En esta figura se puede ver que para las columnas azules (medición a escala real), los valores de nivel son más pequeños que a escala 1:16. Sin embargo para algunos puntos la diferencia no es significativa. Esto se debe a que el espectro de ruido generado en el prototipo es continuo, en cambio el flujo vehicular la vía es variable.

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6.2 ANÁLISIS DE CÁLCULOS 6.2.1 Atenuación por el suelo Esta atenuación es despreciada debido a la corta distancia de fuente-receptor. Las tres regiones que se muestran en la Figura (2.1) no se pueden cumplir gracias al tamaño del modelo a escala. Por lo tanto el diagrama de las regiones en el prototipo será:

Figura 6.8 Diagrama de regiones.

La altura del receptor es de 1,7 m, por lo tanto el largo de la región de receptor debe ser 30 veces esta longitud. Igualmente para la fuente la cual esta a una altura de 0,5 m. El resultado de este diagrama es la superposición de regiones la cual no permite establecer la región media para calcular la atenuación. 6.2.2 Comparación de ISO 9613-2 y ábaco de Maekawa Los diferentes métodos se compararon para analizar cuál es el que se ajusta en los cálculos de un modelo a escala. Al final de este documento se hace una comparación de los valores calculados con los datos obtenidos en la medición. 6.2.2.1 Pérdida por inserción La pérdida por inserción se calculó según la ISO 9613-2 y el ábaco de Maekawa. Los resultados obtenidos son:

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Tabla 6.3 Resultados obtenidos por los cálculos promediando los puntos en dB Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

ISO 9613-2 13,72 12,67 14,86 12,67 14,32

Maekawa 25,26 16,95 15,73 17,02 15,57

Figura 6.9 Comparación de IL de los dos métodos

El método de Maekawa está basado en el ábaco y puede ser implementado cuando el receptor no lo afectan las reflexiones, sin embargo en el modelo a escala la fuente está muy cerca de la superficie, entonces aumenta la potencia de la fuente. Además algunos valores de Ec. (2.23) se obtienen por una evaluación visual de la Figura 2.12 la cual está basada en una experimentación con una barrera semifinita a escala real usando otra configuración de fuente. En los cálculos de la norma ISO 9613-2 se tiene en cuenta las reflexiones del suelo como una constante para obtener el valor de atenuación de la barrera en los bordes laterales. Para el cálculo del borde superior el valor de la absorción del suelo, deja de ser contante y se puede calcular. Debido a las condiciones de escalamiento, este valor es despreciado. Entonces para obtener el valor total de atenuación de la barrera, se suma la atenuación por la difracción en los bordes y ocurre un incremento por banda de octava de aproximadamente 3 dB, como se ve en el Figura (5.9). Estos cálculos también se realizaron para escala real y los resultados son similares:

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Tabla 6.4 Cálculos de atenuación por la barrera a escala real en dB

Frecuencia (Hz) 31 63 125 250 500

ISO 9613-2 (Escala real) 13,09 15,41 18,00 20,80 23,70

Maekawa (Escala real) 12,30 14,79 17,24 20,28 23,30

A pesar de que hay una variación en la longitud de onda y las dimensiones (fuente-coronación, coronación-receptor) cambian, para la norma internacional no hay diferencia significativa en los valores obtenidos, los valores según el ábaco de Maekawa son datos variables. 6.2.2.2 Nivel de atenuación total en el receptor Este nivel se cálculo según la norma ISO 9613-2 y el ábaco de Maekawa. Los resultados obtenidos son: Tabla 6.5 Resultados obtenidos por los cálculos promediando los puntos en dB

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

ISO 9613-2 56,39 62,09 66,19 68,89 68,09

Maekawa 63,39 61,06 58,45 55,39 51,82

Figura 6.10 Comparación de nivel de atenuación en el receptor

Para este cálculo según el método del ábaco de Maekawa, se tienen las mismas condiciones de evaluación visual detalladas anteriormente. Además este método no examina algunos fenómenos físicos como la corrección meteorológica, la divergencia geométrica… que afectan el nivel en el receptor. La norma ISO 9613-2 contempla más factores que perturban al receptor. Sin embargo, muchos de los valores de Ec. (2.0) son despreciados debido al tamaño del prototipo.

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Además de comparar estos dos métodos a escala 1:16, se realizaron los cálculos a escala real y los resultados son: Tabla 6.6 Cálculo del nivel de presión en el receptor en dB

Frecuencia (Hz) 500 /

31 1000 /

63 2000 /

125 4000 /

250 8000 /

500

ISO 9613-2 (Escala 1:16) 56,39 62,09 66,19 68,89 68,09

Maekawa (Escala 1:16) 63,39 61,06 58,45 55,39 51,82

ISO 9613-2 (Escala real) 72,26 76,72 79,75 82,28 81,45

Maekawa (Escala real) 62,55 60,24 57,81 54,67 51,68

Figura 6.11 Comparación de los cálculos de nivel en el receptor

En la figura se puede ver que en el método de Maekawa es igual el nivel de presión en el receptor, a pesar de que las frecuencias son diferentes la curva no cambia. Para los cálculos realizados con la norma se utilizó las mismas variables. El comportamiento de la curva es similar, pero a escala real hay una atenuación mucho mayor (aproximadamente 14 dB en todas las bandas), esto se debe a que en el modelo a escala las dimensiones se reducen tanto que la atenuación por divergencia es muy pequeña, en cambio a escala real este valor crece como se ve a continuación: Tabla 6.7 Atenuación por divergencia calculada en dB

Punto de medición Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

Adiv (Escala 1:16) 5,76 2,75 7,52 2,75 6,73

Adiv (Escala real) 29,85 26,84 31,61 26,84 30,81

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Figura 6.12 Cálculos de atenuación por divergencia a escala real y escala 1:16

La diferencia es de 24 dB para todos los puntos, por lo tanto, la variación de las distancias fuente-receptor en el modelo a escala afectan significativamente el nivel de presión sonoro en el receptor. 6.2.3 Comparación de valores calculados y medidos 6.2.3.1 Pérdida por inserción La pérdida por inserción de la barrera se calculó según la norma internacional y con los datos obtenidos se despejó Ec. (2.15). Los resultados son: Tabla 6.8 Comparación de IL en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

Medición del prototipo 5,34 14,13 16,85 23,53 26,38

Cálculo ISO 9613-2 12,08 15,63 17,04 24,09 21,13

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Figura 6.13 Comparación de IL medido y calculado.

La barrera tiene mayor pérdida por inserción en frecuencias altas. Para 500 Hz, se esperaba un mejor comportamiento de la barrera. Ambas curvas son similares, exceptuando por las frecuencias limites que la variación es de 5 dB. Por lo tanto se demuestra que los datos obtenidos por la medición son verídicos y confiables. 6.2.3.2 Nivel de atenuación en el receptor El nivel en el receptor se calculó y se midió para determinar que método de cálculo es el indicado para un modelo a escala. El resultado es: Tabla 6.9 Nivel de atenuación en el receptor calculado y medido en dB.

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 4000 8000

ISO 9613-2 56,39 62,09 66,19 68,89 68,09

Maekawa 63,39 61,06 58,45 55,39 51,82

Medición del prototipo 61,92 64,02 65,60 67,25 61,42

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Figura 6.14 Nivel de presión sonoro en el receptor, calculado y medido.

En esta figura se muestra que la curva de la medición del prototipo es similar a la curva calculada según la norma. Sin embargo en las bandas de frecuencias de 500 Hz hay un incremento de 5 dB, en 8000 Hz disminuye 8 dB, en las frecuencias medias las curva medida es más parecidas respecto a la curva ISO 9613-2, la razón del cambio es gracias a que a la hora de hacer los cálculos algunos factores como la absorción atmosférica son despreciados y en la medición del prototipo no se discrimina ningún tipo de absorción. Además el lugar de medición no es el apropiado ya que se presentan reflexiones del suelo y las condiciones climáticas afectan los resultados. También la pérdida por inserción cambia como se ve en la Figura 6.13 y este resultado se evidencia en la diferencia de la curva medida y calculada. Para calcular la atenuación de una barrera en un modelo a escala, se sugiere usar la normativa, ya que en el otro método las variables están predeterminadas y no son calculados como en la norma internacional. Además la curva de eficiencia de la barrera es similar a la de la normativa. 6.3 ERRORES SISTEMÁTICOS

Al no tener recursos normalizados para medir el coeficiente de absorción del material, se usa el método in situ el cual presenta problemas para el tamaño de la superficie medida.

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El ruido vehicular no es continuo debido a la movilidad en la autopista norte de Bogotá y esto afecta las mediciones realizadas y el diseño del arreglo lineal de parlantes porque en este se usa ruido rosa el cual es continuo.

Al realizar las mediciones al aire libre el viento afecta los resultados de la medición ya que aumenta el nivel de ruido de fondo. Además la fuente y el receptor están más cerca de la superficie lo que genera más reflexiones y mayor potencia.

Los equipos de medición no están calibrados y no son equipos de laboratorio, por lo tanto la medición no es completamente confiable ya que algunos parámetros de la norma ISO 1996 no se cumplen.

El software en el que se realizó el análisis y procesamiento de la señal grabada para la medición de absorción, es un demo, por lo tanto tiene errores que pueden afectar el resultado final.

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7. CONCLUSIONES

Los modelos a escala de barreras acústicas reducen el nivel de presión sonora en el receptor, sin embargo la construcción de este no facilita el optimo diseño de la barrera ya que los modelos hacen una predicción del campo sonoro y al ser escalado se cambian muchas condiciones como las frecuencias y distancias que modifican el comportamiento del campo, por lo tanto para tener un diseño idóneo de una barrera se debe conocer, estudiar y clasificar la fuente de ruido.

Los modelos a escala modifican las condiciones de medición descritas en la norma, ya que se varían las frecuencias y longitudes, en consecuencia el receptor se acerca a la fuente y la línea de altavoces (fuente de ruido) está más cerca de la superficie reflejante, por consiguiente algunos factores son despreciados por la distancia y se genera aumento de la potencia de la fuente principalmente en frecuencias altas.

Un modelo a escala sirve para analizar un fenómeno físico debido a la facilidad de construcción comparado con un modelo a escala real, ya que este propone un acercamiento a las condiciones que se presentan en una vía rápida con alto flujo vehicular. Sin embargo existen varios limitantes como la divergencia geométrica y la absorción del suelo, que cambian las condiciones de las mediciones.

La atenuación por la divergencia cambia debido a las dimensiones del prototipo, ya que al hacer las mediciones en la vía con las longitudes reales, los valores de nivel de presión sonoro son menores confrontados con los resultados obtenidos en el prototipo. Por lo tanto se demuestra que los datos de divergencia geométrica a escala 1:16 no se pueden comparar con lo que ocurre en la realidad.

El espectro de ruido de tráfico no puede ser normalizado y tampoco comparado con la norma ISO 1793-3, debido a que las autopistas colombianas tienen una composición de flujo vehicular variable. Debe hacerse un estudio de la demanda del flujo para la construcción de la vía y de la barrera, optimizando así el diseño y la eficiencia acústica.

El método de medición de absorción in situ del material, tiene limitantes para los modelos a escala, ya que se requieren superficies grandes y equipamiento especializado (de laboratorio). Además al analizar la información para las frecuencias escaladas, el comportamiento del material cambia debido a las dimensiones del mismo. Por esta razón para un

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modelo a escala el coeficiente de absorción no se puede medir por este método.

Para calcular la atenuación de una barrera en un modelo a escala, se sugiere usar la normativa, ya que con otro método las consideraciones de atenuación están predeterminados. Por otro lado no se puede afirmar que la ISO 9613-2 se puede aplicar para modelos a escala ya que la norma no está diseñada para calcular prototipos a escala. Sin embargo en los resultados de la mediciones la curva calculada para un modelo a escala y la curva resultante de las pruebas en el prototipo tienen un comportamiento similar.

El cálculo de la atenuación del suelo es despreciado ya que al usar las variables de la norma no se cumple con las tres zonas propuestas, por lo tanto este cálculo para un modelo a escala no puede ser implementado. La razón de esta limitante es que el cálculo de esta variable en la norma usa un método heurístico el cual está basado en la experimentación y no puede ser normalizado.

El método del ábaco de Maekawa siendo una solución confortable para el cálculo de las barreras, utiliza condiciones atmosféricas ideales y predeterminadas, dando un valor estándar de las mismas. Por esta razón existe gran diferencia con los cálculos de Maekawa comparado con los valores obtenidos en la medición del prototipo.

El diseño y construcción de la barrera cumplen con la atenuación calculada y en consecuencia funciona como un reductor de ruido para una vía rápida con alto flujo vehicular.

Los parlantes del arreglo lineal de fuente no son omnidireccionales por sus características físicas y además están diseñados para reproducir frecuencias altas, por lo tanto la mayor radiación de energía es sobre el eje.

En un modelo a escala no se puede ver el funcionamiento de una coronación debido al tamaño del prototipo. Por lo tanto no se realizó ningún análisis de la disminución de nivel en el receptor debido a la coronación.

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RECOMENDACIONES

1. Los modelos a escala sirven para analizar fenómenos físicos, sin embargo a la hora de la construcción de la barrera a escala real debe tenerse en cuenta que el estudio se hace para otro rango de frecuencias, por lo tanto deben hacerse nuevas mediciones.

2. La absorción de materiales para un modelo a escala no se puede estudiar con métodos in situ, por lo tanto se recomienda el uso de la norma internacional para obtener los resultados indicados.

3. Para realizar las mediciones del prototipo se sugiere el uso de instrumentos

de laboratorio y el uso de una cámara anecoica para evitar reflexiones y que las condiciones climáticas perjudiquen la medición.

4. Se deben usar parlantes omnidireccionales o modificar su radiación, esto

con el fin de evitar la concentración de energía y que se modifique el comportamiento de la fuente cilíndrica.

5. El patrón polar del arreglo de altavoces debe medirse sobre el eje horizontal

y vertical para obtener la información completa de radiación de la fuente y así, poder observar y analizar el comportamiento cilíndrico de la misma. Sobre el eje horizontal debe medirse la dispersión de la fuente. Además se debe hacer la comprobación sobre la superficie de la vía.

6. Si se va a calcular la transmisión sonora de las barreras se debe tener en

cuenta las características del material de construcción (ladrillo hueco de barro).

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ANEXO A En este anexo se muestran los planos del prototipo:

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