Medio ambiente y transporte

Esta página reúne la teoría del ruido ambiental y en exteriores: los descriptores de evaluación de jornada completa y el ajuste por sonidos impulsivos, la absorción atmosférica, el método general de propagación en exteriores, la exposición al ruido en el trabajo con su presupuesto de incertidumbre, y los métodos de determinación de la potencia acústica. Forma parte de la referencia de teoría.

Descriptores ambientales (ISO 1996-1)

El nivel día-tarde-noche $L_{den}$ (ISO 1996-1:2016, 3.6.4) es un promedio energético sobre las 24 h del día con penalizaciones de +5 dB para la tarde y +10 dB para la noche:

$$L_{den}=10{\log }_{10}\left\{\frac{1}{24}\left[t_{d}10^{0,1L_{day}}+t_{e}10^{0,1(L_{evening}+5)}+t_{n}10^{0,1(L_{night}+10)}\right]\right\}$$

con duraciones de periodo por defecto $(t_d,t_e,t_n)=(12,4,8)$ h; cada país puede definir los periodos de forma distinta (3.6.4 Nota 1). El nivel día-noche $L_{dn}$ (3.6.5) prescinde del periodo de tarde:

$$L_{dn}=10{\log }_{10}\left\{\frac{1}{24}\left[t_{d}10^{0,1L_{day}}+t_{n}10^{0,1(L_{night}+10)}\right]\right\},(t_d,t_n)=(15,9)\text{h}$$

Ambos son casos particulares del nivel de evaluación compuesto de día completo (6.5, que generaliza las Fórmulas 5–6), donde cada periodo $i$ aporta su nivel de evaluación $L_i$ más un ajuste $K_i$, ponderado por su fracción del día:

$$L_R=10{\log }_{10}\left[\sum _i\frac{h_i}{24}10^{0,1(L_i+K_i)}\right],\sum _i{h}_i=24\text{h}$$

Los ajustes $K_i$ cubren las penalizaciones horarias (ISO 1996-1 Tabla A.1: tarde 5 dB, noche 10 dB) así como los ajustes por carácter de la fuente (p. ej. penalizaciones tonales), que las evaluaciones TNR/PR de ECMA-418-1 permiten justificar objetivamente.

Consulta la guía de niveles para su uso.

Un perfil LAeq de 24 horas dividido en día, tarde y noche, las penalizaciones de +5/+10 dB y el Lden resultante.

Prominencia de sonidos impulsivos (NT ACOU 112)

Un impulso molesta más allá de su energía, por lo que las evaluaciones ambientales según ISO 1996-2 penalizan los periodos con sonidos impulsivos prominentes; NT ACOU 112:2002 hace objetiva esa penalización. A partir del historial de nivel ponderado A con ponderación temporal F de un único evento, la tasa de crecimiento (dB/s) y la diferencia de nivel (dB) del arranque (que cualifica cuando supera los 10 dB/s, cláusulas 4.5–4.7) predicen la prominencia percibida (cláusula 7, Fórmula 1):

$$P=3\lg (\text{tasa de crecimiento})+2\lg (\text{diferencia de nivel}),$$

diseñada para alcanzar en torno a 15 en impulsos muy súbitos e intensos. El ajuste al nivel del periodo de medición toma el impulso determinante (el de mayor $P$) (cláusula 8, Fórmula 2):

$$K_I=1,8(P-5)\text{dB}(P>5;\text{si no, }{K}_I=0),$$

y el nivel de evaluación de la jornada completa combina energéticamente los periodos ajustados (cláusula 8, Nota 1):

$$L_{Ar,T}=10\lg \left[\frac{1}{T}\sum _N\Delta t_{N}10^{(L_{Aeq,N}+K_{I,N})/10}\right].$$

$K_I$ es exactamente el tipo de ajuste por carácter de la fuente que entra en el nivel de evaluación compuesto de ISO 1996-1 anterior. Los anclajes $P(1000\text{dB/s},30\text{dB})=9+2\lg 30=11,95$ y $K_I(P=10)=9,0$ dB se reproducen exactamente.

Consulta la guía de prominencia de sonidos impulsivos para su uso.

Propagación en exteriores y exposición al ruido en el trabajo (ISO 9613-1/2, ISO 9612)

Absorción atmosférica (ISO 9613-1)

El aire es un medio con pérdidas: un tono en propagación cede energía a la viscosidad de cizalla y a la conducción de calor (pérdidas clásicas y rotacionales, que crecen como $f^2$) y a la relajación vibracional de las moléculas de oxígeno y nitrógeno, cada una un depósito de energía que resuena cerca de una frecuencia de relajación dependiente de la humedad y la temperatura. La ISO 9613-1:1993, Ec. (5) da el coeficiente de atenuación de tono puro $\alpha$ en decibelios por metro:

$$\alpha =8,686f^2[1,84\times 10^{-11}(p_a/p_r{)}^{-1}(T/T_0{)}^{1/2}+(T/T_0{)}^{-5/2}(0,01275\frac{e^{-2239,1/T}}{f_{rO}+f^2/f_{rO}}+0,1068\frac{e^{-3352,0/T}}{f_{rN}+f^2/f_{rN}})],$$

con las frecuencias de relajación del oxígeno y el nitrógeno $f_{rO}$, $f_{rN}$ de la Ec. (3)/(4), las condiciones de referencia $T_0=293,15$ K, $p_r=101,325$ kPa (cláusula 4.2) y la concentración molar de vapor de agua $h$ a partir de la humedad relativa (anexo B). A baja frecuencia $\alpha \propto f^2$; cerca de cada frecuencia de relajación el término correspondiente alcanza un máximo y decae, razón por la que $\alpha$ sube dos décadas de 50 Hz a 10 kHz y por la que subir la humedad barre un pico por la banda. La biblioteca reproduce la Tabla 1 con menos del 0,4 % (la propia precisión impresa del estándar), muy dentro de su $\pm 10$ % declarado; pasar exact_midband=True ajusta cada frecuencia a los centros exactos $f_m=1000\cdot 10^{k/10}$ (Nota 5) empleados para calcular esa tabla. El mismo $\alpha$ es la única vía hacia el coeficiente de atenuación de potencia de la ISO 354 $m=\alpha /(10\lg e)$, expuesto como air_attenuation_m.

El coeficiente de ISO 9613-1 para la atmósfera de referencia de 20 °C y 50 % de humedad relativa: la subida en f² abarca dos décadas de 50 Hz a 10 kHz.

Método general de cálculo en exteriores (ISO 9613-2)

La ISO 9613-2:1996 predice el nivel en un receptor situado a favor del viento respecto de una fuente puntual (o bajo la inversión térmica moderada equivalente) como $L_{fT}(DW)=L_W+D_c-A$ (Ec. (3)), donde $D_c$ es la corrección de directividad y $A$ la atenuación por bandas de octava, suma de mecanismos físicos independientes (Ec. (4)):

$$A=A_{div}+A_{atm}+A_{gr}+A_{bar}+A_{misc}.$$

La biblioteca implementa los cuatro términos generales de la cláusula 7; el $A_{misc}$ informativo (vegetación, zonas industriales, edificación) y las reflexiones se dejan a criterio del usuario. La divergencia geométrica es la expansión esférica desde una fuente puntual, $A_{div}=20{\log }_{10}(d/d_0)+11$ dB con $d_0=1$ m (Ec. (7)): exactamente 51 dB a 100 m, +6 dB por cada duplicación de la distancia. La absorción atmosférica es $A_{atm}=\alpha d$ (Ec. (8)) con $\alpha$ el coeficiente de la ISO 9613-1 anterior. El efecto del suelo $A_{gr}=A_s+A_r+A_m$ (Ec. (9)) suma una región fuente, receptor y media, cada una a partir de las funciones $a^{\prime }/b^{\prime }/c^{\prime }/d^{\prime }$ de la Tabla 3 y su factor de suelo $G$ (0 duro, 1 poroso); un $A_{gr}$ negativo es una ganancia neta por la reflexión en el suelo. Una forma alternativa, solo ponderada A, $A_{gr}=4,8-(2h_m/d)[17+300/d]\ge 0$ (Ec. (10)) se ofrece para suelo poroso cuando solo importa el nivel ponderado A, acompañada del índice de ángulo sólido $D_{\Omega }$ (Ec. (11)). El apantallamiento por una barrera es la pérdida por inserción por difracción

$$D_z=10{\log }_{10}[3+(C_2/\lambda )C_{3}z{K}_{met}]\text{dB},$$

(Ec. (14)) con $C_2=20$ (o 40 cuando las reflexiones en el suelo se tratan por fuentes imagen), $C_3=1$ para un borde o la Ec. (15) para un borde doble, la diferencia de recorrido $z=d_{ss}+d_{sr}-d$ (Ec. (16)/(17)), longitud de onda $\lambda =340/f$ y el factor meteorológico $K_{met}$ (Ec. (18)); $D_z$ se limita a 20 dB (un borde) o 25 dB (doble). Para una barrera de borde superior, el efecto del suelo del recorrido apantallado se integra en el término de apantallamiento, $A_{bar}=D_z-A_{gr}\ge 0$ (Ec. (12), Nota 13); para una barrera lateral $A_{bar}=D_z$ y se conserva el término del suelo (Ec. (13)). El nivel medio a largo plazo resta la corrección meteorológica $C_{met}$ (Ec. (6), (21)/(22)). La exactitud declarada del método es de $\pm 1$ a $\pm 3$ dB para ruido de banda ancha hasta 1000 m (Tabla 5).

Exposición al ruido en el trabajo e incertidumbre (ISO 9612)

La ISO 9612:2009 es el método de ingeniería (clase de exactitud 2) para el nivel diario de exposición al ruido de un trabajador $L_{EX,8h}$, normalizado a una jornada nominal de 8 h. Tres estrategias de medición cambian esfuerzo por representatividad. El método basado en tareas (cláusula 9) divide la jornada en tareas, promedia en energía $I\ge 3$ muestras por tarea (Ec. 7) y suma en energía las contribuciones de cada tarea $L_{EX,8h,m}=L_{p,A,eqT,m}+10{\log }_{10}(T_m/T_0)$ (Ec. 9/10). El método basado en la función (cláusula 10) promedia en energía $N\ge 5$ muestras aleatorias sobre un grupo de exposición homogéneo (Ec. 11) y normaliza la duración efectiva de la jornada (Ec. 12); el método de jornada completa (cláusula 11) hace la misma aritmética sobre mediciones de jornada completa (Ec. 13).

El presupuesto de incertidumbre del anexo C es normativo. La incertidumbre típica combinada es $u^2=\sum c_i^2{u}_i^2$ (C.1) y la incertidumbre expandida es $U=ku$ con $k=1,65$ para un intervalo unilateral al 95 % (cláusula 14), de modo que el límite superior declarado es $L_{EX,8h}+U$. Los métodos por tareas y por función difieren de forma instructiva: la incertidumbre de muestreo del ruido de la tarea $u_{1a}$ divide la suma de desviaciones al cuadrado entre $I(I-1)$ (el error típico de la media, Ec. C.6), mientras que la incertidumbre de muestreo por función/jornada completa $u_1$ es la desviación típica muestral simple con denominador $N-1$ (Ec. C.12), así que la misma dispersión contribuye más en el método por función (menos muestras, más gruesas). El presupuesto de la tarea (Ec. C.3) añade los coeficientes de sensibilidad $c_{1a}$ (Ec. C.4) y $c_{1b}$ (Ec. C.5) y una incertidumbre opcional de la duración de la tarea $u_{1b}$ (Ec. C.7); el presupuesto por función/jornada completa (Ec. C.9) lee $c_1{u}_1$ de la Tabla C.4 en función de $(N,u_1)$ y suma en cuadratura la incertidumbre del instrumento $u_2$ (Tabla C.5) y la incertidumbre de posición del micrófono $u_3=1,0$ dB. Los niveles de pico $L_{p,Cpeak}$ se declaran sin incertidumbre: el anexo C no da método para ellos (Tabla C.5, Nota 1). Los tres ejemplos resueltos de los anexos D (tarea, $L_{EX,8h}=84,3$ dB, $U=2,7$ dB), E (función, $88,1$ dB, $3,8$ dB) y F (jornada completa, $90,1$ dB, $3,4$ dB) se reproducen con la precisión impresa de la norma: todos los intermedios del anexo E son exactos dígito a dígito, y su nivel final difiere solo por el redondeo previo que la propia norma aplica al nivel efectivo de la jornada (véase la guía de exposición al ruido en el trabajo).

Consulta la guía de Propagación en exteriores y la guía de exposición al ruido en el trabajo para su uso.

Determinación de la potencia acústica (ISO 3744/3745/3746, ISO 3741, ISO 9614-2/3)

El nivel de potencia acústica $L_W=10{\log }_{10}(P/P_0)$ ($P_0=1$ pW) es una magnitud de emisión: a diferencia de un nivel de presión, no depende de la distancia al receptor ni de la sala. Tres familias de métodos lo recuperan.

Las tres vías hacia LW: superficie envolvente de presión, sala reverberante y barrido de intensidad.

Presión sobre superficie envolvente (ISO 3744/3746)

Sobre un plano reflectante la relación de campo libre es simplemente $L_W={\bar{L}}_p+10{\log }_{10}(S/S_0)$: la presión cuadrática media promediada sobre una superficie envolvente de área $S$, multiplicada por $S$, es la potencia radiada. Dos correcciones restablecen esa idealización. El ruido de fondo no correlacionado suma su valor cuadrático medio al de la fuente, así que con el margen $\Delta L_p=L_{ST}-L_{bg}$ el nivel solo de la fuente se recupera restando $K_1=-10{\log }_{10}(1-10^{-\Delta L_p/10})$ (de $p_{src}^2=p_{ST}^2(1-10^{-\Delta L_p/10})$). El campo reverberante de una sala no anecoica añade una densidad de energía casi uniforme $4P/(Ac)$ al directo $P/(Sc)$, de modo que el nivel superficial supera el valor de campo libre en su cociente, $K_2=10{\log }_{10}(1+4S/A)$, con $A$ el área de absorción equivalente de la sala. El área de la superficie es la forma cerrada de la geometría: una semiesfera $S=2\pi r^2$ sobre un plano reflectante (dividida entre dos y entre cuatro para dos y tres planos), una caja de un plano $S=4(ab+bc+ca)$ con $a=0,5l_1+d$, $b=0,5l_2+d$, $c=l_3+d$. ISO 3746 (inspección) comparte las matemáticas con criterios más laxos. La incertidumbre expandida es $U=2\sqrt{{\sigma }_{R0}^2+{\sigma }_{omc}^2}$.

Grado de precisión en salas anecoicas (ISO 3745)

ISO 3745:2012 es el hermano de grado 1 (precisión): una sala anecoica o semianecoica cualificada elimina el campo reverberante, así que no hay término $K_2$ y las correcciones pasan a ser meteorológicas. El nivel de potencia es $L_W={\bar{L}}_p+10\lg (S/S_0)+C_1+C_2+C_3$ (Ec. 14/15) sobre una esfera completa $S=4\pi r^2$ o una semiesfera $S=2\pi r^2$, con la corrección por ruido de fondo $K_{1i}=-10\lg (1-10^{-0,1\Delta L_{pi}})$ aplicada por posición de micrófono antes del promedio energético (Ec. 11); no hace falta corrección por encima de un margen de 15 dB, y por debajo de 10 dB (250 Hz – 5 kHz) o 6 dB (bandas extremas) la corrección se satura y el resultado se marca como cota superior (cláusula 9.4.2). Los términos meteorológicos son $C_1=-10\lg (p_s/p_{s0})+5\lg [(273+\theta )/{\theta }_0]$ y $C_2=-10\lg (p_s/p_{s0})+15\lg [(273+\theta )/{\theta }_1]$ con ${\theta }_0=314$ K, ${\theta }_1=296$ K: en la referencia de 23 °C / 101,325 kPa, $C_2=0$ exactamente y $C_1=-0,128$ dB; y $C_3=A_0(1,0053-0,0012A_0{)}^{1,6}$ con $A_0=a(f)r$ restituye la absorción del aire de ISO 9613-1 sobre el radio de medición. Las disposiciones de micrófonos de los Anexos D/E están incorporadas como tablas de coordenadas exactas dígito a dígito (40 posiciones de igual área; el juego espejo 21–40 se añade cuando la dispersión del SPL por banda supera $N_M/2$, cláusula 9.3.2), y las mismas posiciones dan el índice de directividad $D{I}_i=L_{pi}-{\bar{L}}_p$ (Ec. 21). El ejemplo de incertidumbre de la cláusula 10.5, $U=2\sqrt{0,5^2+2,0^2}=4,12$ dB, se reproduce, junto con los valores de ${\sigma }_{R0}$ por banda de las Tablas 2/3.

Sala reverberante (ISO 3741)

En un campo difuso cualificado la densidad de energía estacionaria $w=4P/(Ac)$ liga la potencia a la absorción de la sala, dando $L_W={\bar{L}}_p+10{\log }_{10}(A/A_0)-6$ más correcciones de orden superior, con $A=(55,26/c)(V/T_{60})$ y $c=20,05\sqrt{273+\theta }$. La corrección de Waterhouse $10{\log }_{10}(1+Sc/(8Vf))$ compensa la energía extra almacenada en la capa límite que los micrófonos del interior no captan ($Sc/(8Vf)=S\lambda /(8V)$, así que se desvanece al subir la frecuencia); el término $4,34A/S$ es la corrección del aire por recorrido libre medio, y $C_1$, $C_2$ llevan el resultado a las condiciones meteorológicas de referencia (23 °C, 101,325 kPa). El método de comparación resta una fuente de referencia de potencia conocida medida en la misma sala, $L_W=L_{W(\text{RSS})}+({\bar{L}}_p-{\bar{L}}_{p,\text{RSS}}+C_2)$, de modo que los términos de área de absorción, Waterhouse y $C_1$ se cancelan y la sala no necesita caracterizarse.

Barrido de intensidad (ISO 9614-2)

La intensidad acústica es el flujo neto de energía $\vec{I}=\overline{p\vec{u}}$, así que por el teorema de la divergencia la potencia que atraviesa una superficie cerrada es $P={\sum }_i⟨I_{n,i}⟩S_i$. Una fuente estacionaria fuera de la superficie aporta flujo neto nulo (su energía entra y sale), y por eso la intensidad rechaza el ruido de fondo estacionario, pero aún puede llevar el $P$ de una banda a negativo, en cuyo caso esa banda es no determinable. Dos indicadores de campo normativos controlan la validez: el indicador superficial presión-intensidad $F_{pI}=[L_p]-L_W+10{\log }_{10}(S/S_0)$ (reactividad) y el indicador de potencia parcial negativa $F_{+/-}=10{\log }_{10}({\sum }_i|P_i|/|{\sum }_i{P}_i|)$ (recirculación), junto con la capacidad dinámica de la sonda $L_d={\delta }_{pI0}-K$ ($K=10$ dB grado 2, 7 dB grado 3), que debe superar $F_{pI}$. Una banda obtiene el grado de ingeniería cuando $L_d>F_{pI}$, $F_{+/-}\le 3$ dB y los dos barridos repetidos coinciden dentro del límite de la Tabla 2.

Barrido de intensidad de precisión (ISO 9614-3)

ISO 9614-3:2002 eleva el método de barrido al grado de precisión con una maquinaria de indicadores más estricta. Las potencias parciales $P_i=I_{n,i}{S}_i$ (Ec. 5) se suman como antes, pero la validez descansa ahora en los indicadores presión-intensidad con y sin signo $F_{pIn}={\bar{L}}_p-L_{In}$ (Ecs. B.3/B.6, los F2/F3 de ISO 9614-1) y en la no uniformidad normalizada de la intensidad $F_S$ (Ec. B.8), a través de cinco criterios de aceptación (Anexo C): repetibilidad del barrido $|L_{In}(1)-L_{In}(2)|\le s/2$ (C.1), capacidad dinámica $L_d={\delta }_{pI0}-K\ge F_{pIn}(\text{con signo})$ con el factor de error de sesgo de precisión $K=10$ dB (C.2), $F_{pIn}(\text{con signo})-F_{pIn}(\text{sin signo})\le 3$ dB (C.3), $F_S\le 2$ (C.4) y la convergencia de densidad de barrido $0,83\le F_S(1)/F_S(2)\le 1,2$ (C.5). La Ec. 10 normaliza el resultado a las condiciones meteorológicas de referencia, $L_{W0}=L_W-15\lg [(B/101325)\cdot 296,15/(273,15+\theta )]$. Las bandas con potencia neta negativa son no determinables (cláusula 9.2) y se marcan. Una intensidad normal uniforme recupera la potencia exactamente (100 µW sobre 3,75 m² → 80,0 dB re 1 pW), con independencia de cómo se segmente la superficie.

Consulta la guía de potencia acústica para su uso.

Referencias

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