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HIGIENE INDUSTRIAL AMBIENTE DE TRABAJO I: RUIDOS Y VIBRACIONES UNIDAD 1: INTRODUCCION. NOCIONES GENERALES. EL SONIDO Y EL RUIDO Oscilaciones acústicas El sonido es un fenómeno esencialmente oscilatorio, por lo que debemos hacer un breve repaso a los fundamentos del movimiento oscilatorio, definiendo a la vez los términos que la caracterizan. Decimos que una partícula está oscilando cuando pasa a iguales intervalos de tiempo por posiciones idénticas, respecto a un punto de reposo, estando animada de la misma velocidad. Ejemplos típicos son el cuerpo suspendido mediante un resorte (Fig. 1.6) o el péndulo de un reloj. La denominación oscilación acústica o vibración acústica se reserva para el caso del movimiento de una parte o partículas dentro de un medio elástico alrededor de su punto de equilibrio. En general se suele hablar de “oscilaciones acústicas” y de “vibraciones mecánicas”, y por lo expuesto se deduce que las oscilaciones acústicas son mecánicas (lo que no puede decirse de las oscilaciones electromagnéticas, por ejemplo). No obstante el término “vibraciones” se reserva para oscilaciones (de baja frecuencia) de máquinas, partes de ellas, fundamentos de la misma, etc. Desde el punto de vista histórico, la acústica, como su nombre lo indica, estaba vinculada con la audición. Vale decir estudiaba las vibraciones capaces de provocar sensación auditiva. En la actualidad este campo se ha expandido en forma que abarca “sonidos” no audibles, como los ultra e infrasonidos. Todo movimiento periódico simple se caracteriza por su amplitud y su frecuencia (Fig. 1.1.A.). La primera (A), es la elogación o apartamiento de la partícula respecto a su posición de equilibrio. En cambio la segunda (f) es las veces por segundo que la partícula pasa por un mismo punto desplazándose en el mismo sentido. A su ves, al tiempo que demora dicho pasaje se lo denomina período (T) y su expresión es: T = 1 (seg.) (1.1) f Fig. 1. 1 - Oscilación senoidal. (a) Variación en función del tiempo. (b) Variación en función de la distancia. La amplitud es una magnitud variable con el tiempo, siendo su expresión: a = Am sen 2πft = Am sen wt (1.2) El medio y la propagación Nos hemos referido a una partícula dentro de un medio elástico; oscilando alrededor de su punto de reposo. Ahora bien, al oscilar la partícula dentro del medio, arrastra en su movimiento a las partículas vecinas, las que a su vez hacen lo propio con las que están en su proximidad, etc. A este fenómeno lo denominamos propagación. La perturbación se propaga mediante ondas, que pueden ser longitudinales cuando el movimiento de las partículas se realiza a lo largo de la dirección de la perturbación, o transversales cuando el movimiento de aquéllas es perpendicular a la dirección de la perturbación. Las primeras se propagan tanto en los líquidos como en los gases; las segundas se encuentran únicamente en los sólidos (Fig. 1.2). La Fig. 1.2 ilustra estas dos situaciones. En a) observamos una serie de bolitas sin unión alguna entre ellas, que ejemplifican la situación de las moléculas en un medio gaseoso o líquido. La única forma que una de ellas ponga en movimiento al resto, es empujándolo a la que tiene al costado, o sea efectuando una perturbación longitudinal. La última de la fila, a su vez en el caso de tener un obstáculo, podrá ejercer una “presión” debido a su imposibilidad de desplazarse, y esa presión sería análoga a la presión sonora que ejercen las moléculas contra un obstáculo. La Fig. 1.2.c ilustra la situación en la cual las bolitas están atadas una a otra, es decir, hacen aparecer una resistencia de corte. En este caso es posible la propagación transversal. En el caso que nos ocupa, el medio de propagación más frecuente es el aire. Por lo tanto hablamos de “presión sonora” ya que la propagación es longitudinal y el movimiento molecular origina presiones y rarefacciones o sea ondas alternas de presión. Volviendo a la Fig. 1.2.b, tendremos presión máxima en los puntos donde las bolitas se juntan, sucediendo todo lo contrario en los puntos intermedios. Fig. 1.2 - Propagación de ondas. (a) Péndulos en reposo; (b) Propagación longitudinal; (c) Propagación transversal. Es evidente, que esta imagen es instantánea y transcurrido el tiempo T/2 = 1/2f la situación se invierte, ya que la perturbación ha “avanzado”. Más claramente, las partículas del aire oscilan cada una alrededor de su punto de equilibrio, sin que éste se desplace. Lo único que avanza es la perturbación, propagándose el sonido. Es interesante detenerse en este punto y hacer la siguiente reflexión: si un observador está ubicado en el punto de reposo de una partícula, podrá observar su oscilación y se referirá al desplazamiento de la misma como un fenómeno oscilatorio en el que la amplitud varía según (1.2), y la velocidad según: u = dA = w Am cos wt (1.3) dt En cambio, otro observador situado en el camino de la perturbación, la verá pasar (verá pasar su frente) animada de la velocidad C, que es la velocidad de propagación y que es independiente de u. Del mismo modo observará que esta propagación se manifiesta en forma de onda de presión, similar a la propagación ondulatorio de la perturbación que provoca la caída de una piedra en la superficie tranquila del agua del estanque. Esta onda de presión tendrá una longitud l, que es función de la velocidad de propagación C y de la frecuencia de la onda, siendo su expresión (Fig. 1.1.B):  = C (1.4) f De este modo, la presión en un punto del aire producida por la fuente sonora es una función no sólo del tiempo, sino también de la distancia que media entre la fuente y el punto en cuestión: p = P sen w (t + x/C) (1.5) donde p: presión instantánea; P: su máximo valor; x: distancia entre la fuente y el punto; y C: velocidad del sonido. Esta ecuación, que es válida solamente para una onda plana, nos indica: a) Que la presión máxima es independiente de la distancia (P no es función de x). b) Que en todo punto, p varía con la misma frecuencia w = 2πf. c) Que el único efecto de x es retardar el instante en el que la presión toma el mismo valor que tiene en el origen (donde x = O). Velocidad de Propagación Existe una marcada dependencia entre las características del medio y la velocidad con la que se propaga la perturbación en dicho medio: en los sólidos se deduce teóricamente que la velocidad depende del módulo de elasticidad (E) y de la densidad del medio (p), resultando: (1.6) en los líquidos interviene el índice de compresibilidad x = 1/E, resultando: (1.7) Para el caso de los gases, hay que tomar en cuenta que las dilataciones y compresiones producidas por las ondas sonoras, se suceden a una velocidad que no permite el intercambio de calor con el medio ambiente, es decir, que son fenómenos adiabáticos. En estos casos el módulo de elasticidad de la (r.6) toma el valor de: E = K P (1.7) K es la relación entre los calores específicos a presión y a volumen constante. K = 1,41 para los gases diatómicos (como el aire). Es así como para estos gases resulta: (1.8) Ahora bien, tanto p como P son funciones de la temperatura. De allí, que aparezcan expresiones en las que C resulte función únicamente de la temperatura, como por ejemplo en la expresión correspondiente a la velocidad del aire: (1.9) donde ˚C es la temperatura en grados Celsius. Los valores de las velocidades de propagación en diversos medios y/o materiales están medidos y tabulados en los manuales que contienen las características de los mismos. Por ejemplo, encontramos para el aire a 0 ˚C y presión normal 332 m/seg.; para el agua 1,500 m/seg., y para el hierro 5,365 m/seg. Interferencia Es otro fenómeno bien conocido cuando se trabaja con fenómenos periódicos. Si una partícula está sometida simultáneamente a dos o más fuerzas, es evidente que su desplazamiento obedecerá a la resultante de ellas. En el caso de ondas periódicas, la resultante será también un desplazamiento periódico, si bien su período y amplitud serán función de las frecuencias y amplitudes de las ondas actuantes. En el campo de la acústica reviste particular atención la interferencia de dos ondas de igual frecuencia, ya que corresponde al caso de una onda producida por una fuente y reflejada por ejemplo en una pared. Entonces es cuando se producen las llamadas ondas estacionarias. Todo sucede como si la misma pared se convirtiera en una fuente sonora de igual frecuencia que la original. La combinación de ambas presiones (la directa y la reflejada) produce una presión resultante: (1.10) comparando la 1.5 (onda progresiva) con la 1.10 (onda estacionaria) se comprueba que en la última, para los valores de: es siempre p = 0, en cambio para: Fig. 1.3 — Espectros discontinuos. (a) Espectro del sonido de 400 Hz de órgano; (b) Espectro del sonido de 216 Hz de violonchelo. la amplitud varía w/2π veces por segundo entre + (P + P2) y - (P1 + P2) pasando por cero. En los puntos intermedios (valores de x distintos a los ya enunciados) las amplitudes varían, como siempre, con la misma frecuencia, siendo sus valores máximos comprendidos entre 0 y 2A. Todo sucede como si la onda estuviera detenida en el espacio. Los puntos en los que p es siempre igual a cero, se denominan nodos, y reciben el nombre de vientres los puntos donde la presión adquiere su máximo valor. Fig. 1.4 - Espectro continuo del sonido de una campanilla telefónica. La Fig. 6.1.C es la representación espacial de una onda estacionada. Se observan claramente los nodos y los vientres espaciados en π/2 unos de otros. Las ondas estacionarias adquieren especial importancia en la acústica de los recintos, ya que ésta es una de las causas por la cual se observan áreas en el interior de las salas, en las que la audición resulta deficiente. El nivel de algunos sonidos resulta más elevado del que tendría que ser en ausencia de una onda reflejada importante. Sonido puro y compuesto Denominamos sonido puro a la señal acústica de forma senoidal que responde a una excitación de una sola frecuencia, y sonido compuesto a la que responde a la suma de varios sonidos puros. Se demuestra que toda función periódica que cumple con determinadas condiciones, puede ser descompuesta en una serie de frecuencias denominadas componentes armónicas. El procedimiento matemático más frecuente para este fin es el análisis de Fourier. En la práctica se recurre al uso de los denominados analizadores, o filtros. Su descripción detallada, así como su uso, son tratados en forma extensa más adelante (parr. 2.3). Estos equipos permiten conocer tanto las amplitudes, como las frecuencias de los componentes del sonido compuesto. Magnitudes acústicas a) Presión sonora (P) Debemos diferenciar entre la, presión estática, que es la debida a la presencia del aire que nos rodea, y la sonora, que es la producida por el sonido, y resulta ser la diferencia entre la estática y la existente. La unidad más comúnmente utilizada en acústica, es el Pascal: 1 Pascal = 1 Newton/m2 = lOµB = 10 dina/cm2 Tratándose de un fenómeno periódico, tendremos los valores instantáneos, máximos y eficaces, relacionados entre sí en la forma ya conocida para estos fenómenos. b) Densidad de energía (L) Es la energía sonora comprendida dentro de la unidad de volumen. Se mide en erg/cm3. La energía sonora consta de dos partes. Por una las partículas en movimiento contienen energía cinética, y por otra el aire comprimido tiene energía potencial. La energía cinética por unidad de volumen es: (1.11) donde ux, uy y uz, son las componentes ortogonales de la velocidad y V el volumen considerado. La energía potencial es en cambio, en el caso de una compresión adiabática: (1.12) Siendo iguales ambas energías, la energía total, en el caso de la onda plana, toma la expresión: (1.13) o sea, resulta proporcional al cuadrado, tanto de la velocidad de las partículas (u) como a la presión (P). c) Intensidad sonora (Z). Es el valor medio de la potencia acústica instantánea que atraviesa la unidad de aérea y se nade en: erg / seg. cm2 Para el caso de una onda plana senoidal, resulta: (1.14) ya que siendo el sonido un fenómeno periódico, la intensidad es el producto de la densidad por la velocidad de propagación. d) Impedancia acústica (Z) Es la relación compleja entre la presión sonora en un punto y la velocidad de las partículas en el mismo punto de una onda plana. Su valor es: (1.15) Se mide en g cm-2 seg. o en ohms acústicos. Su valor para el aire es de 41 ohms acústicos. Si la onda se propaga en forma libre, sin reflexiones ni interferencias, la presión y la velocidad están en fase, por lo cual la impedancia es un número real En caso contrario, por ejemplo dentro de un material poroso, aparecen desfasados, por lo que la impedancia resulta compleja. Su expresión entonces contiene dos componentes: la real y la imaginaria. Fig. 1.6 — Sistema resonante mecánico. También se define la impedancia acústica de un material como la relación compleja entre la presión y la velocidad de las partículas sobre la superficie del mismo. Resonancia Toda vez que se trata de vibraciones u oscilaciones aparece el concepto de la resonancia. Un modo de visualizar el fenómeno, dentro del campo de la mecánica podría ser el siguiente: imaginemos un elemento inercial (una masa) y un elemento elástico (un resorte), que vincule al primero con un plano de referencia (Fig. 1.6). Si estando el sistema en equilibrio estiramos el resorte dejándolo luego en libertad, la masa comenzará a oscilar alrededor de su punto de equilibrio. La frecuencia de dicha oscilación será independiente de la elongación inicial ocasionada y dependerá únicamente de las constantes de la masa y del resorte. Dicho de otro modo, la frecuencia es algo propio del sistema, por lo que se la denomina "propia" o "de resonancia". Si en vez de la excitación brusca (al estirar el resorte), le aplicamos una fuerza variable con el tiempo y de una frecuencia igual a la de resonancia, las oscilaciones adquieren una amplitud máxima. A su vez a esta frecuencia el sistema necesita un mínimo de energía para ponerse a oscilar. En rigor necesita solamente la energía que disipa por fricciones internas del resorte, roce con el aire, etc. Por otra parte si excitamos el sistema mediante una fuerza de otra frecuencia, los desplazamientos que se obtendrán serán de mucho menor amplitud. Vale decir, que en última instancia, el fenómeno de resonancia se puede explicar como un comportamiento selectivo con la frecuencia de un sistema mecánico. Exactamente lo mismo aparece en un sistema eléctrico que contenga un elemento inercial (una inductancia) y otro elástico (un capacitor). Todo cuerpo físico lleva en sí los elementos de masa y elasticidad mencionados. Al ser excitado vibra con mayor o menor frecuencia, dependiendo ello de la magnitud de sus componentes. La amplitud de dicha vibración y su frecuencia pueden ocasionar presiones acústicas no detestables por el oído humano. Por otra parte los cuerpos físicos no son por lo general uniformes ni homogéneos, de modo que pueden vibrar a la vez a más de una frecuencia y con distintas amplitudes en cada caso. La excitación puede realizarse también con un impacto. Ejemplo típico son los instrumentos a cuerda punteados (guitarra, arpa) o golpeados (piano). En estos casos, la cuerda vibra a su frecuencia propia. Otro ejemplo común es la vibración del vaso ocasionada al ser percutido con un cuchillo o aún con la uña del dedo de la mano. Se puede excitar la vibración del vaso por otros medios como por ejemplo haciendo que un parlante emita sonidos de la misma frecuencia que la propia del vaso. Se puede dar el caso de llegar, incluso, a la destrucción del mismo, si la excitación es suficientemente elevada. (El anecdotario de los grandes cantantes incluye varios episodios de destrucción de copas de cristal, simplemente con la emisión de un sonido de amplitud y frecuencia determinadas.) He aquí otro ejemplo típico es la frecuencia de resonancia de un recinto. Es bien conocida la natural tendencia a cantar en el baño, y ello se debe a que las paredes de los baños son poco absorbentes y hacen que la potencia de la voz aparezca multiplicada. A la vez, si uno imita el sonido de la sirena, observa que hay frecuencias para las cuales todo el recinto vibra, son las frecuencias de resonancia del mismo. En este caso, que es similar a los recintos acústicos (denominados cajas de altoparlantes o "bafles", el aire cumple la doble función de elemento inercial y elástico. El fenómeno de la resonancia mecánica adquiere especial importancia desde el punto de vista de la seguridad de estructuras como edificios, puentes, líneas de alta tensión, etc. Tanto es así que una falla en la apreciación de las fuerzas actuantes (y sus frecuencias) puede llevar a la destrucción de las estructuras citadas.

UNIDAD 2: TEORIA GENERAL ACUSTICA ...el fluir del sonido se desliza gentilmente, o bien salta con gracia o se agita con violencia, con su primitiva vivacidad, trae al alma del oyente una disposición inimaginable, que el artista ya había escuchado en si mismo. H. L. F. von Helmholtz ¿Qué es el sonido? Todo el mundo cree saber qué es un sonido, pero son relativamente pocos aquellos que tienen una idea exacta de la naturaleza de este fenómeno físico. En los libros de acústica se encuentran definiciones diversas del sonido. Por ejemplo, Leo Beranek, en su libro “Acústica”, dice que hay sonido cuando un disturbio. que se propaga por un medio elástico, causa una alteración de la presión o un desplazamiento de las partículas del material, que pueden ser reconocidos por una persona o por un instrumento. En el origen de todo sonido hay una vibración mecánica. Todos sabemos que si queremos hacer sonar una campana. debemos darle un golpe para que vibre. Esa vibración de la campana se trasmitirá luego a las moléculas del aire que la rodea y allí comienza el fenómeno de la “propagación”, es decir, la puesta en vibración de otras moléculas cercanas. Así, el disturbio que se originó en la campana al ser golpeada, se va alejando de la fuente, propagándose por el medio elástico, el aire. Para que exista la propagación del sonido es imprescindible que haya un medio elástico, que en el caso descripto es el aire, pero que también podría ser un líquido o un sólido, ya que el sonido también se propaga a través de estos materiales, como veremos más adelante. Pero sin la presencia de ese medio elástico no puede haber sonido. Si un astronauta golpeara una campana en la luna, no generaría ningún sonido, ya que la ausencia de atmósfera haría que las vibraciones de la campana no pudieran propasarse. Sobre la superficie de la tierra, en cambio, existe una atmósfera formada por la capa de aire que nos rodea. Este aire está comprimido a una cierta presión, la presión atmosférica, que al nivel del mar tiene un valor de 100.000 Pascal. (La unidad de presión en el sistema MKS o Técnico es el “Pascal”, resultante de dividir una fuerza de un Newton aplicada sobre una superficie de un metro cuadrado). Presión sonora La presencia del sonido produce en el aire pequeñas variaciones de presión que se superponen a la presión atmosférica. A esas variaciones de presión se las conoce como “presión sonora”. La presión sonora actúa sobre nuestros oídos, tal como veremos en el Capítulo III y produce la sensación de oír. Frecuencia, velocidad de propagación y longitud de onda Cuando la campana de nuestro ejemplo anterior vibra, lo hace cumpliendo un movimiento oscilatorio que se repite varias veces por segundo. Al número de ciclos completos de vibración por unidad de tiempo se lo denomina “frecuencia” y su unidad de medición es el Hertz (Hz). Para que un sonido sea oído por el hombre su frecuencia tiene que estar dentro del rango de 20 Hz a 20.000 Hz, ya que éstos son los límites de audibilidad del ser humano, como se verá con más detalles en el Capítulo IV. Se denomina “velocidad de propagación del sonido” a la velocidad con que las ondas sonoras se alejan de la fuente. Esta velocidad se expresa en metros/segundos, y su valor varía según el medio de propagación. Para el sonido que se propaga en el aire, a temperatura ambiente, la velocidad del sonido es del orden de 344 m/s. Se la suele determinar con la letra “c”. Esta velocidad depende de la temperatura del medio y se la puede calcular en forma exacta con la siguiente fórmula: c = 20,06 ˚C + 273[m/s] donde: ˚C es la temperatura en grados centígrados. En medios sólidos y líquidos, las velocidades de propagación son mayores. Por ejemplo: agua salada:1.500 m/s aluminio:5.200 m/s hierro:3.400 m/s acero:5.000 m/s Se denomina “longitud de onda” a la distancia que existe entre dos puntos de máxima presión, correspondientes a la onda sonora que se está propagando. Ya hemos dicho que el sonido se manifiesta como variaciones de presión en el ambiente. Si estuviéramos parados en un punto del espacio observaríamos “pasar” a la onda sonora, como rápidas variaciones de presión, que se suceden a una frecuencia “f”. Si en cambio tomáramos una fotografía instantánea de qué es lo que pasa en el ambiente, en la dirección de propagación del sonido, veríamos zonas en que la presión sonora es positiva y otras en que es negativa. Esta configuración no Permanece quieta sino que se mueve en la dirección de propagación, con la velocidad del sonido “c”. La longitud de onda “l” se puede calcular así:             [m] Si hemos dicho que el sonido en el aire, a temperatura ambiente, se propaga con una velocidad de 344 m/s, se puede calcular qué valores tendrá la longitud de onda para las frecuencias que corresponden a los límites del rango audible: 20 Hz y 20.000 Hz: Puede comprobarse así qué diferentes son dos sonidos de frecuencias bajas y altas, desde el punto de vista de sus longitudes de onda. Más adelante se verá cómo estos sonidos poseen características físicas muy diferentes. A los sonidos de frecuencias bajas y grandes longitudes de onda se los llama “graves”. En cambio, a los sonidos de alta frecuencia y de pequeñas longitudes de onda se los llama “agudos”. En la zona intermedia se ubican los sonidos de frecuencias “medias”. Nivel de presión sonora Ya hemos dicho que la onda sonora se propaga en el aire en forma de variaciones de presión. La intensidad de un sonido depende del valor que tenga esa presión sonora. Un sonido muy débil, apenas audible por el hombre, tiene una presión sonora del orden de 20 millonésimos de Pascal (0,00002 Pa). A esta pequeñísima presión sonora se la denomina “umbral de audición”, porque es el valor a partir del cual el ser humano es capaz de oír. En cambio, se denomina “umbral de dolor” a una presión sonora muy elevada, del orden de 20 Pascal. La relación, entonces, entre la máxima y la mínima presión sonora que el oído puede percibir, es de 1.000.000 de veces. (20 Pascal/20 millonésimos de Pascal.) Todos los sonidos que oímos tienen presiones sonoras comprendidas dentro de estos límites. Como sería muy complicado expresar las intensidades de los sonidos midiendo sus presiones sonoras en Pascal, es que se ha adoptado una nueva unidad de medida que es el “decibel”. El decibel es una unidad de tipo adimensional, que se obtiene calculando el logaritmo de una relación entre dos magnitudes similares, en este caso, dos presiones sonoras. Se compara la presión sonora del sonido que se desea medir con otra presión sonora que se adopta como referencia, y se aplica la siguiente expresión matemática, que permite calcular el así llamado “nivel de presión sonora”, expresado en decibeles: donde: N.P.S.: nivel de presión sonora, expresado en dB. p: presión sonora del sonido a medir, expresada en Pa. Pref: presión sonora de referencia, que se adopta con valor: 0,00002 Pa = 2 x 105 Pa. De esta manera, todos los sonidos comprendidos entre el umbral de audición y el umbral de dolor, podemos expresar los en una escala que va desde 0 a 120 dB, tal como se muestra en la Fig. 2-l. 20 Pa120 dB 2 Pa100 dB 0,2 Pa80 dB 0,02 Pa60 dB 0,002 Pa40 dB 0,0002 Pa20 dB O,00002 Pa0 dB Fig. 2-1. Escala de los decibeles. Nivel sonoro Se denomina así al resultado, expresado en dB, de una medición de sonido que abarca todo el espectro audible, realizada con un instrumento denominado “medidor de nivel sonoro”. En algunos casos, el medidor de nivel sonoro incorpora filtros con curvas de respuesta que se asemejan a la respuesta del oído humano. En ese caso se dice que el nivel sonoro ha sido compensado de acuerdo a diferentes curvas de compensación, como por ejemplo, las curvas A, B y C. Entonces, el resultado de la medición se expresa en dBA, dBB y dBC, según corresponda. El verdadero significado de estas curvas de compensación se verá en el Capítulo IV cuando se estudie la respuesta del oído. Análisis de frecuencia En muchos casos, al hacer mediciones de sonido, se prefiere no medir sobre la totalidad del espectro audible, sino hacerlo en zonas más restringidas de éste. En ese caso, se realiza lo que se denomina un “análisis de frecuencia”. Para ello se utilizan filtros que poseen un “ancho de banda” determinado, es decir, que sólo dejan pasar las señales comprendidas en una pequeña zona del espectro audible. Los más conocidos son los filtros de “octavas” y de “tercios de octava”. En los filtros de octavas, el ancho de banda se extiende desde la “frecuencia inferior” f1 hasta la “frecuencia superior” f2 existiendo la siguiente relación matemática: En cambio, en los filtros de tercios de octava, la relación es: A los filtros de octavas y de tercios de octava se los identifica por su frecuencia central o “frecuencia normalizada” y constituyen una serie que cubre la totalidad del espectro audible. A continuación se indican las frecuencias normalizadas para cada tipo de filtro: Filtro de octavas:16     31.5      63 Filtro de 1/3 de octava:16   20   25   31,5       40        50    63    80    100 125  250   500    1000 125   160  200   250  315   400   500  630  800  1000  1250   1600 2000  4000  8000   16000 2000  2500  3150  4000  5000  6300  8000   10000  12500   16000 Para mediciones de ruido, generalmente se suelen utilizar sólo las bandas comprendidas entre 125 Hz y 8.000 Hz. Sonido y ruido Generalmente llamamos “sonido” a todas aquellas señales acústicas que nos producen una sensación agradable. El sonido de una campana, el sonido de un piano, el sonido de una voz conocida. Los sonidos tienen, por lo general, una composición armónica definida. Llamamos “ruido” a aquellos sonidos desagradables. El ruido de una máquina, de un avión, etc. Se trata de sonidos complejos, con una composición armónica no definida. Infrasonidos y ultrasonidos Cuando las vibraciones de una fuente producen variaciones de presión en el aire, con frecuencias que se encuentran fuera del rango audible (de 20 a 20.000 Hz) nuestro oído es incapaz de oírlas. Llamaremos “infrasonidos” a todas aquellas señales de frecuencias menores que 20 Hz, y “ultrasonidos” a las señales de frecuencias mayores que 20.000 Hz. Si bien los infrasonidos y los ultrasonidos son inaudibles, se presume que. siendo de niveles importantes, pueden causar efectos sobre el organismo. El decibel El decibel constituye una unidad creada por los ingenieros de la Bell Telephone System (EE.UU.), ante la necesidad de tener que solucionar algunos problemas importantes, que se presentaban en las líneas. durante la transmisión de señales desde una estación a otra. En estas líneas se producían, como es lógico, efectos de atenuación (pérdida de energía), haciéndose necesario, por lo tanto, establecer una unidad que permitiese expresar con certeza esta reducción de potencia, a la salida de la línea, en relación con la entrada. Muchos fueron los intentos efectuados para establecer tal unidad, debiéndose mencionar entre ellos la “Milla de Cable Normal” y luego “Milla 800 ciclos”. Lamentablemente, ambas unidades no resolvían íntegramente el problema, puesto que si bien, en un principio, parecían constituir la solución buscada, resultaron inadecuadas cuando se amplió la gama de frecuencias transmitidas. Fueron los ingenieros de la Bell Telephone, como ya se indicara, quienes resolvieron el problema en el año 1924. Partieron dichos profesionales del hecho comprobado de que si por 10 millas de cable normal circula una corriente de 886 c/s. la atenuación que tiene lugar es precisamente 10. Es decir: siendo:I1 = entrada I2= salida De acuerdo con esto la atenuación producida por una sola milla de cable normal es de: y en dos millas: y para el caso de “n” millas: Ahora bien, como el exponente , por definición es el logaritmo decimal de puesto que el logaritmo decimal de un número es el exponente a que hay que elevar la base 10 para obtener dicho número, por lo tanto, podemos escribir lo siguiente: De esta expresión podemos despejar el valor de atenuación “n”: Esta fórmula nos proporciona el nivel de potencia eléctrica, fin perseguido por los ingenieros de la Bell Telephone para hallar la disminución de potencia eléctrica en un cable normal. Para nuestras aplicaciones a la acústica necesitamos una fórmula que nos proporcione una relación entre presiones sonoras o dicho con más propiedad el nivel de presión sonora expresada en decibeles. De la fórmula (x) se obtiene a través de diversas equivalencias la fórmula fundamental de uso en acústica y que es la siguiente: siendo  p  1 =presión del sonido que se mide en dinas/cm2 P0 =base de comparación que en acústica corresponde a la presión del más débil sonido audible por el oído joven y normal, con un valor de 0,0002 microbares o dinas/cm2. También puede utilizarse una fórmula similar a la anterior para determinar el número de decibeles presentes, pero en lugar de indicar la presión sonora en dinas/cm2. se expresa en Watt/cm2. La relación entre las dos bases de comparación sería: 0.0002 dinas/cm2 = 10-16 watt/cm2 La fórmula sería la siguiente: siendo:W1= presión del sonido que se mide en Watt/cm2. W0= base de comparación con un valor de 10-16 Watt/cm2. Cabe agregar que la unidad decibel debe su nombre al insigne investigador Graham Bell. Inventor del teléfono, pues deci significa décima parte y Bel apellido del físico citado. La abreviatura de la unidad se expresa dB. Ejemplo: La presión sonora de un ambiente de trabajo alcanza un valor de 2 dinas/cm2. ¿Qué nivel en decibeles (dB) tendremos? Aplicando la fórmula fundamental tendremos: Ese ambiente tendrá un nivel de presión sonora de 80. dB. Curvas de igual sonoridad - Fones Para evaluar o medir un ruido atendiendo a sus posibles consecuencias no basta el decibel, como unidad de medida. En efecto, el nivel de ruido medido desde el punto de vista físico, con un instrumento. es diferente del nivel de ruido que percibe el oído humano. Este órgano no responde, en igual forma. a todos los tipos o de sonidos y puede ocurrir que dos niveles sonoros iguales sean percibidos por el oído como de distinta densidad. A fin de poder considerar debidamente estas características particulares que presenta el oído humano, fue necesario crear una unidad que permita medir el nivel sonoro que realmente percibe el oído. Esta unidad se denomina FON y mide el nivel del sonido en forma análoga al decibel, pero sobre la base de frecuencia fija de comparación de 1000c/s. El nivel de sonoridad de cualquier otro sonido se define como el nivel de presión sonora de un tono de 1000 c/s que tiene tanta sonoridad como el sonido en cuestión. Por ejemplo, si a una persona se le hace oír un ruido y se compara con un sonido de frecuencia 1000 c/s hasta que los perciba iguales en intensidad y ocurre que el sonido de frecuencia 1000 puede alcanzar un nivel de 50 dB para la igualdad de percepciones, se dice que el ruido tiene un nivel de intensidad de 50 fones, Basándose en experiencias desarrolladas con conjuntos de personas debidamente entrenadas, en la percepción de sonidos, se construyeron una serie de curvas llamadas de sonoridad o curvas isofónicas (Fig. 78). Cada curva representa todas las combinaciones de nivel, en dB, y de frecuencia, en c/s, cuyos sonidos provocan en el oído la misma sensación audible como si todos tuviesen un mismo nivel sonoro. Fig. 78: Curvas isofónicas Otra unidad importante es el SON que mide la intensidad de un sonido, a diferencia del fon, que mide su nivel de intensidad. Por definición se tiene la intensidad de un SON cuando es percibido con un nivel de intensidad de 40 fones. A cada aumento de 10 unidades en el nivel de intensidad en fones se duplica a la intensidad en sones. 1 son40 fones. 2 sones50 fones 4 sones60 fones 8 sones70 fones 16 sones80 fones Suponiendo que estamos en presencia de dos sonidos, uno de 90 fones y otro de 100 fones, si ambos sonidos se sumaran no tendríamos 190 fones sino 32 fones y 64 sones, respectivamente, es decir, 96 sones, que representan 105 fones. (Se debe efectuar la interpelación). La relación entre fones y sones puede sacarse de la fig. nº 79. Fig. 79: relación entre fones y sones. Ello se explica pues es necesario tener bien presente la clara diferencia entre el nivel de intensidad que puede tener un sonido dado y la intensidad misma. El fon es un valor relativo y no puede sumarse directamente, en tanto que el SON representa energía y, por tanto, admite adición directa. Suma de decibeles Tratándose de magnitudes logarítmicas, es evidente, que no se pueden sumar en forma directa. Vale decir, que si una máquina sola produce un nivel de ruido de 70 dB en un punto del espacio, y otra, también sola, ocasiona otro tanto, las dos juntas no producirán 140 dB En el caso de ruidos de amplio espectro, o de sonidos de frecuencias diferentes, se obtiene una presión resultante (Pres), que es: En nuestro casó es P1 = P2 o sea: y , con lo cual = o sea, que nuestra presión se ha incrementado en 3 dB solamente, ¡lo cual en el caso de las máquinas citadas daría 73 dB. La Fig. 2.3 ilustra el resultado de la suma de niveles sonoros. Este gráfico, resulta de suma utilidad para el trabajo diario, donde generalmente se requiere medir el ruido que produce una máquina, en presencia de ruido de fondo y determinar el incremento de nivel que se produce por la introducción de otra máquina. Ejemplificando ambos casos, supongamos tener un recinto cuyo ruido de fondo es de 78 dB y dentro del cual tenemos ubicada una máquina, deseando saber que nivel de ruido produce la máquina sola. Para ello habremos medido un nivel de 82 dB, funcionando la máquina dentro del recinto. Nuestros datos son, entonces: ruido de fondo = 78 dB y ruido de fondo más ruido de máquina = 82 dB. Nuestra incógnita es: ruido de la máquina sola = ?. Para ello entramos en el gráfico con la diferencia que figura en abscisas (82 - 78 = 4 dB) y leemos en la escala curva (1,8 dB). El ruido de la máquina resulta mayor que el ambiente en 1,8 dB, o sea 79,8 dB. El segundo caso es el inverso. ¿En cuánto se incrementará el ruido ambiente de 78 dB al ser introducida una máquina cuyo ruido es de 79,8 dB? Entrando con la diferencia (parte curva) de 79,8 - 78 = 1,8 dB podemos encontrar, hacia abajo, la diferencia entre el nivel total (el nuevo) y el menor (el del ambiente) que es de 4 dB. Por lo tanto el nivel de ruido del ambiente resultará incrementado en 4 dB y el total será 78 + 4 = 82 dB. Por otra parte partiendo del mismo dato (la diferencia), hacia la izquierda, observamos que el nivel mayor (en este caso el de la máquina (= 79,8 dB) se incrementará en 2,2 dB, llegando al mismo resultado de antes, o sea 82 dB. El gráfico 2.3 ilustra además algunos aspectos muy importantes de la medición de ruidos. Veamos qué sucede si queremos sumar dos niveles iguales: entrando en la escala curva con la diferencia de ambos (= O) vemos que el incremento es de sólo 3 dB, de acuerdo a lo visto antes. Pero por otra parte, si la diferencia es mayor de 6 dB, el incremento del nivel mayor (hacia la izquierda) es de sola 1 dB. Siendo el error de medición de este orden, llegamos a la conclusión, de que la introducción de una máquina dentro de un ambiente ruidoso puede no modificar el nivel total en forma apreciable si la diferencia entre el nivel existente y el propio es mayor de 6 dB. Lo mismo vale a la inversa: pretendiendo medir el nivel de una máquina dentro de un sitio ruidoso; si la diferencia es de 6 dB (o mejor que 10 dB), no es necesario corregir el valor obtenido, ya que el error que se comete es mínimo.

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