Silenciadores, pantallas y barreras in situ

Una medida de laboratorio de un dispositivo de control de ruido responde a una pregunta: cuánto vale este producto, en unas condiciones elegidas para que dos productos se puedan comparar. Es la pregunta correcta cuando hay un catálogo que escribir. Es la equivocada cuando el silenciador ya está soldado al conducto, la pantalla lleva un año entre la prensa y el banco, y la barrera se construyó antes de que a nadie se le ocurriera medirla.

Estas tres normas hacen la otra pregunta. Cada una mide un dispositivo donde ya está, en la instalación a la que pertenece, con lo que tenga alrededor.

Tres normas, tres respuestas a la misma pregunta sobre el ruido de fondo; las posiciones de micrófono que usa la medida de una pantalla; y el único micrófono cuyo trabajo entero es oír a la fuente y no al dispositivo.

El laboratorio compra dos cosas: un entorno controlado y una medida por sustitución. La ISO 7235 mide un silenciador de conducto haciendo sonar una fuente hacia un conducto de ensayo con el silenciador puesto, y después con un tramo recto de reemplazo de la misma longitud, de modo que las dos medidas se diferencien sólo en el silenciador.

In situ no hay ninguna de las dos. El entorno es la sala, el conducto o el espacio abierto en el que esté el dispositivo, y no hay tramo de reemplazo que poner. Queda el par de niveles que permita la instalación, y la aritmética que los convierte en una magnitud: el cociente de las dos superficies de medida y la diferencia de las dos correcciones de campo.

Esa es la ecuación (19) de la ISO 11820, y es la idea entera de medir in situ. La diferencia de niveles es lo que lee un sonómetro. El término de superficies convierte el nivel medio de cada lado en la potencia acústica que representa, porque el lado fuente puede ser la sección de un conducto mientras que el lado receptor es una sala. Las correcciones de campo cargan con lo que los dos lados no comparten.

from phonometry import noise_control

bands = [125.0, 250.0, 500.0, 1000.0, 2000.0, 4000.0]
source = [98.0, 99.0, 97.0, 95.0, 92.0, 88.0]     # dB, en el conducto
receiver = [72.0, 68.0, 60.0, 54.0, 50.0, 49.0]   # dB, en la sala a la que da

res = noise_control.in_situ_transmission_loss(
    source, receiver,
    source_area_m2=0.9,      # la sección del conducto
    receiver_area_m2=10.8,   # un cuarto de la absorción de la sala a 500 Hz
    frequencies=bands, case=2,
)
print(res.loss_db.round(1))        # [15.2 20.2 26.2 30.2 31.2 28.2] dB
print(res.area_term_db.round(1))   # [-10.8 -10.8 -10.8 -10.8 -10.8 -10.8] dB

El término de superficies sale negativo, y no es un error. Un conducto de 0,9 m² que descarga en una sala cuya cuarta parte de absorción es 10,8 m² reparte la misma potencia sobre doce veces más superficie, así que la sala ya es más silenciosa que el conducto antes de que el silenciador haga nada. Restar eso es lo que impide apuntarle la sala al silenciador. El término sale banda a banda incluso aquí, donde las dos superficies se escribieron como un solo número, porque la superficie de una sala no es un solo número: la sección siguiente explica por qué.

Un silenciador está entre dos de cuatro cosas: un conducto, una sala con campo difuso, una sala sin él y espacio abierto. Dieciséis parejas de esas son medidas de transmisión y otras cuatro son medidas de inserción, y la figura 1 las dibuja las veinte. La regla de superficie de cada lado se sigue de lo que sea ese lado, y el apartado 9 la enuncia.

case = noise_control.installation_case(2)
print(case.source_side, case.receiver_side)   # duct diffuse_room
print(case.quantity)                          # transmission
print(case.receiver_area_rule)
# one-quarter of the absorption of the receiver room

Nombrar el caso no es un adorno. in_situ_transmission_loss rechaza un caso del conjunto de inserción e in_situ_insertion_loss rechaza el contrario, porque las ecuaciones (19) y (21) son dos magnitudes y la figura 1 es la que dice cuál puede dar una instalación.

La superficie de la sala sale del tiempo de reverberación, por las ecuaciones (6), (10) y (12), que son la misma expresión escrita tres veces:

area = noise_control.reverberant_surface_area_m2(
    320.0, [1.6, 1.4, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9],
)
print(area.round(1))   # [ 8.1  9.3 10.8 11.8 13.  14.4] m^2

Es un cuarto del área de absorción equivalente de Sabine, que es el factor que convierte un nivel reverberante en una potencia acústica. Un tiempo de reverberación es una magnitud por bandas, así que la superficie también lo es, y los 10,8 m² de la sección 1 eran sólo su valor a 500 Hz. Las dos funciones de pérdida aceptan cada superficie, y la corrección de campo, como un valor para todas las bandas o como un valor por banda, así que el array entra tal como sale:

res = noise_control.in_situ_transmission_loss(
    source, receiver,
    source_area_m2=0.9, receiver_area_m2=area,
    frequencies=bands, case=2,
)
print(res.area_term_db.round(1))   # [ -9.6 -10.1 -10.8 -11.2 -11.6 -12.1] dB
print(res.loss_db.round(1))        # [16.4 20.9 26.2 29.8 30.4 26.9] dB

A 500 Hz no se mueve nada. Por debajo, la sala es más reverberante, su superficie más pequeña y al silenciador se le apunta más, 1,2 dB a 125 Hz; por encima, al revés, 1,3 dB a 4 kHz. La sección del conducto sigue siendo un solo número, porque lo es.

Un silenciador no está medido mientras no se haya medido también el flujo. La ISO 11820 le dedica el apartado 9 entero, y la biblioteca lleva la cadena completa: la pérdida de presión total de la ecuación (13), la diferencia estática detrás de un cambio de sección de la ecuación (14), la presión dinámica y la velocidad que representa, la densidad del gas de la ecuación (29) y la velocidad dentro del silenciador de la ecuación (31), que es a la que responde el ruido regenerado. La versión española de la ISO 11820 llama «silenciador a bafles» al de láminas paralelas; aquí se dice «láminas», que es el término de la UNE-EN ISO 7235:2010, la norma de laboratorio como alternativa a la cual existe esta.

print(round(noise_control.gas_density_kg_m3(temperature_c=120.0), 3))   # 0.887
print(round(noise_control.silencer_flow_velocity_m_s(
    8.0, upstream_area_m2=0.9, free_area_m2=0.45), 1))                  # 16.0

Las superficies de medida tienen su propia geometría. Aguas arriba, un diámetro equivalente y medio de la sección de medida; aguas abajo, $12\sqrt{S_d}-10\sqrt{S_f}$, que para un silenciador cuya sección libre es casi todo el conducto puede caer a cero o por debajo. La norma tiene su propia salida para eso, que es el acuerdo entre las partes, y aquí el caso se avisa en lugar de devolverse como una distancia en la que no se puede poner nadie.

Elija la instalación en la figura 1 y lea qué regla de superficie le toca a cada lado. Ponga la superficie del lado fuente a un diámetro equivalente y medio aguas arriba del silenciador y la del lado receptor a la distancia que dé la ecuación (16), o acuerde una cuando esa expresión caiga a cero. Haga funcionar la máquina, mida el nivel medio en cada superficie, y mida el sonido ajeno con las fuentes que se puedan apagar apagadas, porque la vía energética de las ecuaciones (17) y (18) es mejor que la tabla escalonada y las dos rechazan por debajo de 3 dB de todas formas. Anote la temperatura de los dos lados: si difieren, la corrección de campo de las ecuaciones (20) y (22) no es cero. Después mida el flujo, la pérdida de presión total del silenciador y el perfil de velocidad en el conducto, que 9.2 pide uniforme dentro del 10 %.

La ISO 11821 tiene lo único que les falta a las otras dos: el dispositivo se puede quitar para una de las medidas. Una pantalla móvil se aparta, se mide la sala, se vuelve a poner, y la diferencia es la atenuación.

res = noise_control.screen_attenuation(
    [78.0, 80.0, 81.0, 79.0, 76.0, 72.0],   # dB, sin la pantalla
    [74.0, 74.0, 72.0, 68.0, 63.0, 58.0],   # dB, con la pantalla
    frequencies=bands,
    a_weighted_unscreened_level_db=84.1,
    a_weighted_screened_level_db=74.6,
)
print(res.attenuation_db)                   # [ 4.  6.  9. 11. 13. 14.] dB
print(res.a_weighted_attenuation_db)        # 9.5 dB
print(res.rounded())                        # [ 4  6  9 11 13 14] dB
print(res.rounded_a_weighted())             # 10 dB

El apartado 7.4 c) informa de las dos al decibelio entero más próximo. rounded() y rounded_a_weighted() las dan así, como enteros, mientras que attenuation_db conserva la diferencia sin redondear para seguir calculando. Un medio exacto va al decibelio par, como en los demás resultados in situ de la biblioteca, así que los 9,5 dB de arriba se informan como 10 dB.

El par ponderado A es el apartado 5.9, y viene con una condición que la biblioteca hace cumplir en vez de mencionar: no se puede obtener con una fuente artificial. Un número ponderado A pondera un espectro, y con un altavoz haciendo de máquina el espectro ponderado es el del altavoz. Pedirlo de todas formas lanza ValueError en vez de devolver un número que se reportaría como el de la máquina.

Una fuente artificial tiene antes un ensayo propio que pasar. La definición 3.10 lee el índice de directividad en doce posiciones repartidas por igual en un círculo horizontal de 1,5 m de radio, como la media logarítmica menos la posición, y 5.2.2 acepta la fuente mientras ninguna posición caiga más de 8 dB por debajo de la media.

Dónde se colocan los micrófonos es 5.5.2: un cuarto, la mitad, una vez y dos veces la altura de la pantalla, nunca a menos de 1 m. Por debajo de 4 m la posición del cuarto de altura cae dentro de ese suelo y se empuja hasta él, y con 2 m o menos también se empuja la de media altura, así que las dos posiciones más cercanas coinciden y la medición se hace a tres distancias. Es la regla impresa y no un descuido.

print(noise_control.microphone_distances_m(3.0))   # [1.  1.5 3.  6. ] m

La NOTA 2 dice qué significa la dispersión de esas cuatro respuestas: la atenuación más pequeña se encuentra en la posición más alejada y la mayor en la más cercana, que es la razón de que la norma pida las cuatro en vez de un promedio.

Ponga los micrófonos en la línea perpendicular a la pantalla, a un cuarto, la mitad, una vez y dos veces su altura, y empuje hasta 1 m los que caigan dentro de ese metro. Coloque cada uno a la altura del operario donde el puesto no fije una. Haga funcionar la máquina con la pantalla puesta, tome los niveles, aparte la pantalla sin tocar nada más, y vuelva a tomarlos. Mida el fondo con la máquina parada en esas mismas posiciones: por encima de 10 dB de margen no hace falta corregir, entre 6 dB y 10 dB se aplica la fórmula enmarcada de 5.7, y por debajo de 6 dB las condiciones no son aceptables y lo que toca es volver un día más tranquilo. Para una fuente impulsiva, al menos tres repeticiones con la ponderación temporal S, y la media aritmética de ellas.

Una barrera exterior no se puede quitar y casi nunca se puede medir antes de que exista. La ISO 10847 ofrece dos salidas, y es honesta sobre lo que vale cada una.

El método directo necesita el emplazamiento antes de construir la barrera. Las dos campañas usan las mismas posiciones de receptor y el mismo micrófono de referencia, y el término de referencia normaliza la fuente: lo que funcionara distinto el segundo día, el micrófono de referencia también lo oyó.

from phonometry import environment

res = environment.measured_insertion_loss_direct(
    [76.0, 74.0, 71.0, 67.0, 62.0, 56.0],   # referencia, antes
    [78.0, 76.0, 73.0, 69.0, 64.0, 58.0],   # referencia, después
    [63.0, 61.0, 58.0, 54.0, 49.0, 43.0],   # receptor, antes
    [58.0, 53.0, 47.0, 41.0, 35.0, 29.0],   # receptor, después
    frequencies=bands,
)
print(res.insertion_loss_db)   # [ 7. 10. 13. 15. 16. 16.] dB

La fuente sonó 2 dB más fuerte el segundo día en todas las bandas, y la respuesta no lleva dentro esos 2 dB. Esa invariancia es la razón de que exista el micrófono de referencia.

El método indirecto toma prestada la campaña “antes” de un emplazamiento sustituto que se juzgue equivalente en perfil del terreno, condiciones del suelo y fuente, lo que lo convierte en una estimación, y la norma lo dice. Cada campaña lleva una corrección por el tipo de posición de receptor, 0 dB en campo semilibre y 6 dB contra una fachada, donde la presión se duplica.

El micrófono de referencia se pone al menos 1,5 m por encima del borde superior de la barrera, medidos desde su punto más alto cuando el remate no es un borde recto, y 7.2.2 lo formula como requisito. Cuando el extremo cercano de la zona de fuente está a menos de 15 m, la NOTA de 7.2.2 deja subir más el micrófono, hasta que mire por encima del borde superior 10 grados. La NOTA sólo lo sube, nunca lo baja, así que la altura es la mayor de las dos. Una barrera de 4 m a 8 m de la fuente se queda con el ángulo; una de 3 m a 5 m de la fuente alcanza sus 10 grados a 4,34 m y conserva los 4,5 m que exige el apartado:

print(round(environment.reference_microphone_height_m(
    4.0, source_to_barrier_m=8.0), 2))            # 5.93 m
print(environment.reference_microphone_height_m(
    3.0, source_to_barrier_m=5.0))                # 4.5 m
print(environment.reference_microphone_height_m(4.0))   # 5.5 m

Cuando el borde superior de la barrera ya está a 80 grados o más por encima del extremo cercano de la zona de fuente, ninguna altura alcanza los 10 grados. El micrófono conserva entonces el metro y medio, y un BarrierInSituWarning avisa de que no se ha podido seguir la NOTA.

Dos campañas separadas por meses son dos días de tiempo distinto, y el apartado 6 se va casi entero en eso. El viento entra como la componente vectorial de la velocidad media sobre la línea que va de la fuente al receptor, positiva a favor. La tabla 1 da una clase a favor y una de calma a cualquier distancia, y añade una clase a contraviento sólo para distancias cortas.

print(environment.wind_class(2.5))                        # downwind
print(environment.wind_class(-2.0, short_distance=True))  # upwind
print(environment.wind_class(-2.0))                       # None

Que la geometría sea de distancia corta tampoco es cuestión de opinión. 6.3.1 imprime una desigualdad para la campaña “antes” y dos para la “después”, todas contra el mismo cociente de 0,1, y las dos campañas pueden no coincidir:

print(environment.is_short_distance(
    source_height_m=1.0, receiver_height_m=1.5, barrier_height_m=4.0,
    source_to_barrier_m=10.0, barrier_to_receiver_m=20.0,
))   # (False, True)

Por encima de 5 m/s en valor absoluto no se mide nada, lo que es un rechazo y no una clase. Las dos campañas tienen además que coincidir dentro de 2 m/s en la componente y de 10 °C en la temperatura, y la nubosidad se anota en las cuatro clases de la tabla 2, porque el gradiente de temperatura que curva un rayo al aire libre no se mide directamente y el cielo es el mejor indicio a mano.

Fije primero las posiciones de receptor y la de referencia, y consérvelas para las dos campañas: si no, la resta no significa nada. Ponga el micrófono de referencia al menos 1,5 m por encima del borde superior de la barrera, en un plano vertical que pase por ella, medidos desde su punto más alto cuando el remate no es un borde recto, y más alto cuando la zona de fuente esté a menos de 15 m y la regla angular de la NOTA pida más. Anote en cada medida la componente de viento sobre la línea fuente-receptor, la temperatura y la nubosidad, y pare cuando el viento pase de 5 m/s. Repita al menos tres veces. Cuando llegue la segunda campaña, compruebe antes que nada que el tiempo sigue coincidiendo dentro de 2 m/s y 10 °C, porque un desajuste ahí no lo arregla nada de lo que venga después.

Las tres normas se encuentran con el mismo problema: el nivel medido lleva sonido que no vino de la fuente. Las tres lo resuelven de forma distinta, y las diferencias no son de redondeo.

La ISO 11820 imprime una tabla escalonada, en positivo, para restar: 3 dB con un margen de 3 dB, bajando a 0,5 dB con 9 y 10, nada por encima, y por debajo de 3 dB las medidas no son válidas. La ISO 10847 imprime una tabla escalonada, en negativo, para sumar: 2 dB con un margen de 4 o 5, 1 dB de 6 a 9, nada a partir de 10, y por debajo de 4 dB los resultados no son válidos. La ISO 11821 no imprime tabla ninguna y enmarca la resta energética, corrigiendo sólo dentro de una ventana de 6 dB a 10 dB y rechazando cualquier margen más estrecho, porque el fondo del que habla incluye el ruido que genera el viento y el remedio para eso es un día más tranquilo.

print(noise_control.silencer_background_correction_db([9.0]))   # [0.5] dB menos
print(environment.barrier_background_correction_db([9.0]))      # [-1.] dB suma
print(round(80.0 - noise_control.background_corrected_level_db(
    [80.0], [71.0])[0], 2))                                     # 0.58 dB menos

Tres normas, un margen de 9 dB, tres respuestas: 0,5 dB, 1 dB y 0,58 dB. Por eso se mantienen como tres implementaciones, y una comprobación de conformidad las enfrenta en el margen en el que se separan. Las dos tablas y sus signos opuestos están registradas en el registro de erratas como una diferencia que no es una errata, para que nadie las funda en un solo auxiliar.

La ISO 11820 ofrece una segunda vía para rodear el sonido ajeno, para el caso en que las fuentes sobre las que trabaja el silenciador se puedan apagar y medir aparte: la resta energética de las ecuaciones (17) y (18), con un tope de 3 dB. Pasado el tope la magnitud no queda determinada, y lo que se puede enunciar en su lugar es la desigualdad del apartado 4. extraneous_corrected_mean_level_db devuelve el nivel corregido y si se llegó al tope, para que un número topado no se pueda escribir como una determinación. El tope se juzga sobre el margen, que es donde lo pone la tabla 1. Con un margen de exactamente 3 dB la resta quita 3,02 dB, que son los 3 dB impresos sin redondear y la corrección que la tabla 1 aplica en esa fila, así que el nivel sigue determinado; por debajo de 3 dB, no.

• Cubierto

  La ISO 11820:1996 con toda su aritmética: las diferencias de niveles de las ecuaciones (1), (2) y (3); la potencia acústica de las ecuaciones (5), (7), (9) y (11) con la superficie reverberante de las ecuaciones (6), (10) y (12); la pérdida por transmisión de la ecuación (19) y la pérdida por inserción de la ecuación (21), con superficies y correcciones de campo de un valor o de uno por banda, y la corrección de campo por temperatura de las ecuaciones (20) y (22); las veinte instalaciones de la figura 1 con las reglas de superficie del apartado 9; la tabla de fondo del apartado 4 y la resta energética de sonido ajeno de las ecuaciones (17) y (18) con su tope de 3 dB, juzgado sobre el margen; el plegado a octavas de 9.1.5; las distancias de medida de las ecuaciones (15) y (16); y las magnitudes de flujo de las ecuaciones (13), (14) y (27) a (31).

  La ISO 11821:1997: la atenuación de 5.8 y la atenuación ponderada A de 5.9, rechazada con fuente artificial; la corrección de fondo enmarcada de 5.7 con su propia ventana; el índice de directividad de la definición 3.10 y el límite de aceptación de 5.2.2; la geometría de micrófonos de 5.5.2 con su suelo; la regla de repeticiones de 5.6.2.1 para una fuente impulsiva; el redondeo al decibelio entero de 7.4 c); y los umbrales impresos de la esfera del operario, el alcance al aire libre y la desviación típica de reproducibilidad.

  La ISO 10847:1997: el método directo de 8.2.1 y el indirecto de 8.2.2 con sus dos correcciones de receptor; la tabla de fondo de 6.4; las clases de viento de la tabla 1 y las de nubosidad de la tabla 2; el ensayo de distancia corta de 6.3.1; la altura del micrófono de referencia de 7.2.2, subida donde la regla angular de su NOTA pide más; la distancia de campo semilibre de 8.1.2; y la geometría del emplazamiento equivalente de 6.1.

• No cubierto

  Aquí no se predice nada. La pérdida por inserción que se espera de una barrera y la atenuación por la que se elige un silenciador se calculan en otro sitio, a partir de la geometría y de los datos de catálogo; esta página parte de niveles medidos en el sitio. Aquí tampoco se cualifica ningún instrumento ni ningún entorno de ensayo: las clases de sonómetro, la pantalla antiviento, los intervalos de calibración y el montaje del micrófono son procedimiento. La equivalencia de un emplazamiento sustituto es un juicio que la norma pide a dos partes, y el radio y el sector que enuncia se llevan aquí como los números que son y no como un ensayo que pueda correr un programa. Las plantillas de informe son prosa. Ninguno de los tres documentos imprime un ejemplo numérico resuelto, así que aquí no se reproduce ninguno.