n°6 / 2015 cuadernos tecnolÓgicos de la ptc. · en su composición; y por último, aportan un...

Pantallas acústicas abiertas

Peiró-Torres, M.P.Bravo, J.M.Redondo, J.Ferri M.Sánchez-Pérez, J.V.

N°6 / 2015 CUADERNOS TECNOLÓGICOS DE LA PTC.


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Peiró-Torres, M.P. (1);

Bravo, J.M. (1);

Redondo, J. (2);

Ferri M. (2);

Sánchez-Pérez, J.V. (1)

(1) Centro de Tecnologías Físicas. Acústica, Materiales y Astrofísica (CTF:AMA). Universitat Politècnica de València.

(2) Instituto de Investigación para la Gestión Integrada de Zonas Costeras (IGIC). Universitat Politècnica de València.

© Plataforma Tecnológica Española de la Carretera (PTC). Av. General Perón, 26 - 2º iz, 28020 Madrid.Reservados todos los derechos. ISBN: 978-84-617-9655-7

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Resumen


En los últimos años se han desarrollado nuevos materiales que poseen una mayor capacidad de control del ruido. Estos materiales son heterogéneos y están formados por redes de dispersores acústicos aislados inmersos en aire. Estos materiales poseen ciertas características interesantes para ser utilizados como pantallas acústicas. Algunas de sus cualidades son: incorporan un nuevo mecanismo de control de ruido llamado dispersión múltiple; permiten el paso a su través del aire y del agua requiriendo por tanto menor cimentación; provienen de obras escultóricas, incorporando un aspecto estético a las pantallas; permite la utilización de materiales reciclados en su composición; y por último, aportan un plus de tecnología al campo de las pantallas acústicas, permitiendo un diseño personalizado. En la actualidad existe un modelo de esta pantalla patentado por la Universitat Politècnica de València y homologado para ruido de tráfico.

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Introducción


El ruido, entendido como una sensación auditiva molesta, o un sonido no deseado por el receptor, ha estado muy presente en la sociedad desde la antigua Roma. No obstante, este ruido se hizo patente a partir del siglo XIX con la revolución industrial, y actualmente es un grave problema a atajar en todos los países del mundo.

En el entorno urbano se identifican hasta 38 fuentes distintas de ruido. Sin embargo, el ruido más importante en estos entornos es el generado por el transporte, y el resto de ruidos se superponen a éste. Por ello, es la que más estudios genera, y en la que se centra el trabajo de investigación en el que se basa la presente publicación.

Efectivamente, las fuentes de ruido principales en la actualidad son el tráfico rodado, el aéreo, el ferroviario, seguido de cerca por el industrial. Así pues, es el tráfico rodado el mayor causante de los problemas de ruido en las sociedades modernas.

La gran densidad de tráfico de las carreteras es un factor determinante en el agravamiento del problema. El nivel de ruido generado por los vehículos cuando circulan por una carretera dependerá del tipo y estado de sus motores, pero también de la velocidad de circulación y el tipo de pavimento por el que circulan. Obviamente las zonas más conflictivas, son aquellas en donde las infraestructuras viarias discurren cerca de núcleos urbanos, y como consecuencia los habitantes de dichas zonas urbanas han de soportar niveles de ruido superiores a los 75 dB.

Es en los núcleos urbanos situados en los alrededores de las vías de comunicación rápidas donde confluye este tipo de ruido, que afecta a la calidad de vida de sus habitantes, ya que produce importantes efectos en su salud tanto física como psíquica. Estos problemas acarrean unos efectos económicos, ya no sólo debido a los gastos médicos y farmacéuticos, sino también debido a las devaluaciones de los inmuebles dispuestos junto a estas infraestructuras con altos niveles de ruido.

El problema no es menor. En los años 70, el 25 % de la población de la Unión Europea soportaba niveles superiores a los 65 dBA en el exterior de sus casas, y el 50% soportaba niveles superiores a los 55 dBA. En la actualidad, el 20% de la población europea está sometida a niveles excesivos de ruido, es decir, niveles superiores a los 65 dBA en horario diurno, y superiores a los 55 dBA durante las horas nocturnas.

Los factores que han llevado a esta situación son los siguientes:

Primeramente, el problema de la contaminación acústica no ha sido un factor que se haya tenido especialmente en cuenta en la planificación urbanística de la mayoría de las ciudades. En el caso español, el crecimiento urbanístico que han experimentado la mayor parte de las ciudades en las pasadas décadas habría posibilitado una mejor gestión del suelo y delimitación de los usos para evitar la generación de problemas de contaminación acústica en las nuevas áreas residenciales. Sin embargo, en general no ha sido así y el crecimiento incontrolado de viviendas en zonas cercanas a infraestructuras de transporte ha generado grandes problemas para los habitantes de dichas áreas urbanas.

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Además, en los cascos antiguos de las ciudades abundan los edificios antiguos que no cumplen la normativa de edificación, y presentan cerramientos y cerrajería exterior de baja calidad acústica que no protegen a sus habitantes de la contaminación acústica que se genera en el exterior. Por otro lado, la escasa anchura de las calles de esta tipología de barrios y la falta de espacios abiertos agrava el problema.

La contaminación acústica, pues, no es un tema baladí, y combatirlo ha requerido y requiere la colaboración de muchos expertos de distintas áreas disciplinares.

Así, en el estudio de la lucha contra la contaminación acústica pueden intervenir todo tipo de profesionales, desde técnicos hasta médicos, pasando por sociólogos, científicos, y también políticos, que son finalmente los que han de regular y legislar sobre los límites legales de los niveles sonoros admisibles.

De hecho, dentro de las medidas de control de ruido que se pueden adoptar distinguimos tres tipos. Las administrativas, las educacionales e informativas y las medidas técnicas. Es en esta última tipología donde se engloba el proyecto de investigación objeto de la presente comunicación.

Dentro de las medidas administrativas de control, se considera toda la normativa tanto europea (Consejo de Europa, 2002) como la estatal (Gobierno de España, 2003; Gobierno de España, 2005; Gobierno de España, 2007), la autonómica y la local. Así, en esta normativa se encuentran regulados tanto los niveles máximos de emisión de ruido como los valores máximos de inmisión exterior, además de los requerimientos acústicos mínimos que han de cumplir las nuevas edificaciones, y aquellos inmuebles que son rehabilitados.

La realización de mapas sonoros reporta valiosa información para orientar tanto las actuaciones urbanísticas, como las acciones de control de ruido que se pueden llevar a cabo. Mediante la presentación de datos acústicos sobre una cartografía que represente tanto la situación actual como la situación pronosticada tras la implantación de una determinada infraestructura viaria, pueden preverse medidas de control de ruido antes de que se produzcan perjuicios a los habitantes de la zona en proyecto.

Para reducir los niveles de ruido soportados por los habitantes de las áreas cercanas a las infraestructuras viarias hay varias medidas técnicas de control que pueden utilizarse. Estas medidas de control se clasifican según actúen sobre:

• La fuente sonora

• El receptor

• La transmisión de ruido

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Figura 1. Esquema de transmisión del ruido desde la fuente hasta el receptor.

Una de las medidas de control en la que se actúa sobre la fuente sonora podría ser la reducción de los niveles de ruido emitidos por los vehículos, es decir, desarrollar motores de combustión cada vez más silenciosos. Otra medida de control en la fuente sonora podría ser la mejora de los pavimentos empleados en las estructuras viarias, es decir, instalar los llamados pavimentos silenciosos, que reducen el nivel de ruido de rodadura de neumáticos.

Por otra parte, las medidas de control ejercidas sobre el receptor pasan por la mejora del aislamiento acústico de los edificios, es decir, por el empleo de materiales con propiedades aislantes que mejoren el confort de las viviendas y aminoren el nivel de ruido que soportan sus habitantes.

En el Código Técnico de la Edificación vigente se tiene en cuenta el problema del ruido a través del documento básico DB-HR, obligando a que en la construcción de nuevas edificaciones se incorporen materiales y técnicas que permitan la reducción de los niveles que perciben los habitantes (CTE, 2006).

Finalmente, existen también las medidas de control ejercidas sobre la fase de transmisión; en esta comunicación nos ocuparemos de estas últimas medidas de control de ruido. Éstas pudieran consistir en el incremento de la distancia entre los edificios y las infraestructuras viarias, o la interposición de actividades compatibles con el ruido entre dichas infraestructuras y las viviendas de uso residencial, sanitario o educacional. Sin embargo, cuando esto no es posible, la solución pasa por el apantallamiento acústico de la zona a proteger.

Esta técnica pasiva consiste en interponer un objeto entre la fuente de ruido y el receptor, de forma que se reduzca el nivel acústico recibido por éste último. Existen distintas maneras de llevar a cabo este apantallamiento, desde la interposición de acopios de material hasta la utilización de vegetación (bosques) instalados entre la fuente y el receptor. Sin embargo, la solución más comúnmente adoptada es la interposición de pantallas acústicas.

Las pantallas acústicas son dispositivos diseñados para reducir el nivel de ruido en su fase de propagación, mejorando el apantallamiento acústico de la zona a proteger.

El presente artículo se basa en estas medidas técnicas de control realizadas en la fase de transmisión del ruido, y en cómo mejorar estos dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras, las pantallas acústicas.

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Propagación del sonido e índicesde medición del ruido

en acústica ambiental.


El ruido se produce debido a una vibración longitudinal de las moléculas de aire, que conlleva una variación en la presión atmosférica denominada presión sonora. Estas vibraciones se propagan por el aire en forma de ondas de presión. La propagación del ruido en exteriores desde la fuente hasta el receptor a través de la atmósfera produce una reducción (atenuación) de los niveles de presión acústica debido a varios efectos, como pueden ser la existencia de obstáculos (vegetación, edificios, etc.), la divergencia geométrica de la fuente, la absorción de energía acústica por el aire o el efecto del viento o temperatura.

El nivel de presión sonora, que no es más que el contenido energético del ruido, se mide en Pascales (Pa) en el Sistema Internacional de Unidades. Sin embargo, y debido a que el oído humano es sensible a un amplio rango de presiones acústicas (desde 2·10-5 hasta 20 Pa), por comodidad se utiliza una escala logarítmica para su medición, apareciendo una nueva unidad denominada decibelio (dB) que permite trabajar en un rango de medidas más cómodo (de 0 a 120 dB). Para hacerse una idea de la escala de decibelios, baste decir que el nivel de presión sonora existente en un bosque puede ser de alrededor de 25 dB, y el producido por un avión al despegar a una distancia de 100 m está sobre los 120 dB.

Sin embargo, para definir los índices de medición del ruido más utilizados en acústica ambiental hay que tener en cuenta una nueva magnitud relacionada con la sensibilidad del oído humano, que es la frecuencia. Efectivamente, debido a que el ruido es una vibración, el movimiento de las partículas de aire se produce alrededor de su posición de equilibrio. La frecuencia de un ruido hace referencia al número de ciclos completos de vibración que las partículas de aire efectúan en un segundo. Esta magnitud se mide en Herzios (Hz) en el Sistema Internacional de Unidades. La sensibilidad del oído humano solo permite percibir frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20.000Hz, aunque un ruido puede comprender frecuencias fuera de ese rango. Un ejemplo que puede ilustrar este fenómeno es el caso de los silbatos para perros, cuyo ruido no es detectado por el oído humano debido a que su frecuencia está fuera del rango de frecuencias definido anteriormente, pero si lo puede ser por el oído del perro. Por tanto, parece interesante conocer el contenido energético de cada una de las frecuencias que componen un ruido para poder determinar, en una primera aproximación, si ese ruido está dentro de los límites de la sensibilidad del oído humano. Por lo tanto, para poder medir correctamente el ruido sería necesario conocer la distribución de su presión sonora total para cada una de las frecuencias que lo forman. Esta forma de representar el ruido se denomina espectro de frecuencias de un ruido.

Pero aún hay más, ya que el oído humano, dentro del rango de frecuencias en el que trabaja, no presenta la misma sensibilidad a todas ellas. Por ejemplo, el oído humano presenta menor sensibilidad a las frecuencias bajas (lo que se denominan “graves”) que a las frecuencias medias o altas. Así, es importante no solo determinar el nivel de presión sonora, sino también la molestia que produce un ruido debido a su composición frecuencial. Para determinar esa molestia se utilizan una serie de filtros para intentar reflejar la respuesta del oído humano a la sensación del ruido. Existen distintos filtros que tratan de ponderar dicha respuesta del oído humano, pero el más utilizado en acústica ambiental es la denominada “red A”, expresándose las medidas así realizadas en dB(A).

Por lo tanto, la medida del ruido debe tener en cuenta dos factores relacionados con la sensibilidad

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del oído humano en cuanto a la percepción de (i) los niveles de presión y (ii) las frecuencias que forman el ruido. En el primer caso se toma como unidad de presión el dB trabajándose en escala logarítmica, y en segundo lugar se utiliza la ponderación red A para adaptar los niveles de ruido a la respuesta del oído humano y a la sensación de molestia auditiva.

El índice para la medida del ruido más utilizado en acústica ambiental es el “Nivel de presión sonora continuo equivalente (LAeq,T)”. Viene expresado en dB(A) y representa la media de la energía sonora percibida en un intervalo de tiempo. Este índice representa el nivel de presión que habría sido producido por ruido constante con la misma energía que el ruido realmente percibido durante el mismo intervalo de tiempo. Es un índice que representa el promedio de la energía total medida en un intervalo de tiempo T determinado, no la media aritmética de los niveles sonoros instantáneos.

Algunas ventajas que presenta la utilización de este índice son su relativa sencillez comparado con otros índices y que además permite considerar distintos intervalos de tiempo.

Sin embargo, para expresar el rendimiento acústico de las pantallas acústicas que se presentan en este trabajo se utilizará también el “Nivel de presión sonora” (SPL en sus siglas en inglés) que indica la presión sonora en un instante determinado, ya que permite analizar el nivel de ruido frecuencialmente y permite calcular la atenuación obtenida por las pantallas acústicas abiertas de forma sencilla a través de un índice, denominado “pérdidas por inserción”, que se definirá más adelante.

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Pantallas acústicas


Las pantallas acústicas se pueden definir en general como dispositivos pasivos para el control del ruido en su fase de transmisión, formados por un paramento rígido continuo, normalmente vertical, con una densidad superficial de al menos 20kg/m2 (Department of Transportation. FHWA, 2001). Es decir, son dispositivos preparados para ser utilizados en el apantallamiento acústico de las zonas susceptibles de ser protegidas acústicamente.

El efecto que tienen las pantallas acústicas sobre el ruido transmitido se puede explicar de la siguiente manera (figura 2): el ruido se transmite desde la fuente hasta el receptor en línea recta. Esta trayectoria es interrumpida por la pantalla acústica interpuesta entre la fuente de ruido y el receptor. Una parte de la energía acústica incidente sobre la pantalla es reflejada por ésta de nuevo hacia la fuente. Otra parte de esta energía es, o bien transmitida a través del dispositivo (si su densidad es menor de 20 kg/m2), o absorbida por ésta (si la pantalla cuenta con elementos absorbentes en su composición). Por último, una parte importante de la energía inicial de la onda transmitida pasa al otro lado de la pantalla al ser difractada por el borde superior de ésta, reduciendo de forma notable el rendimiento de estos dispositivos.

Figura 2. Esquema de comportamiento acústico de una pantalla.

El rendimiento de una pantalla en la reducción del ruido suele medirse mediante un índice denominado “pérdidas por inserción” (Insertion Loss-IL en inglés). Este parámetro se define como la diferencia de los niveles de presión sonora (SPL), en un punto antes y después de la colocación de la pantalla.

Algunas características a destacar de las pantallas acústicas son las siguientes:

(i) En primer lugar, hay que tener en cuenta que no atenúan el sonido completamente. El límite

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práctico de atenuación que se puede obtener con estos dispositivos es de 25 dB, límite propuesto por el investigador Z. Maekawa en el año 1968 (Maekawa, 1968) a partir de la realización de infinidad de experimentos variando diversos parámetros geométricos de la propia pantalla o del conjunto fuente-pantalla-receptor.

(ii) La eficacia de las pantallas depende de su tamaño. Así, sus dimensiones deben ser las correctas para que el dispositivo tenga una longitud lo suficientemente grande para evitar que el ruido se difracte, además de por el borde superior de la pantalla, por sus bordes laterales. En algunas ocasiones, el apantallamiento puede necesitar alturas de barrera muy elevadas para romper la línea visual entre emisor y receptor. El hecho de situar paramentos continuos de estas alturas suele presentar problemas de cimentación debido a la alta carga de viento y el momento al vuelco que se genera. Esto implica que el terreno ocupado por la pantalla aumenta debido al tamaño de la cimentación, además de dificultar enormemente su instalación en determinadas ubicaciones, como es el caso de los viaductos.

(iii) Otro factor que influye en la eficacia acústica de estos dispositivos es su ubicación en la línea fuente-receptor. Así, la instalación debe hacerse de forma que la pantalla oculte la línea visual fuente-receptor. Además, la pantalla debe estar situada lo más cerca posible de la fuente de ruido, de forma que se consiga que el ángulo de difracción en el borde superior de la pantalla sea lo más amplio posible.

(iv) Otro aspecto importante es el control de las reflexiones producidas por las pantallas instaladas, ya que puede darse el caso de que su instalación aumente el ruido que llegue a posibles receptores situados, con relación a la pantalla, en el mismo lado de la fuente sonora. Esto puede controlarse inclinando las pantallas de forma que se controle el ángulo de reflexión, utilizando materiales absorbentes en la fabricación de estos dispositivos, o bien protegiendo estos receptores con una nueva pantalla.

(v) Otra característica relacionada con la instalación de estos dispositivos es que no deben presentar huecos ni cortes en toda su estructura, ya que de ser así se reduciría enormemente su efectividad.

(vi) Por último, no se debe olvidar que las pantallas acústicas deben tener un diseño que resulte visualmente atractivo para que la población a proteger acústicamente no tenga la sensación de estar aislada al sentirse rodeada por el muro que constituye la pantalla, pero simultáneamente evitando distracciones en la conducción de los usuarios de la infraestructura viaria.

La normativa que rige la clasificación de las pantallas acústicas en función de su capacidad de control del ruido consta de una serie de ensayos que se pueden dividir en (i) pruebas en condiciones controladas y (ii) pruebas de rendimiento “in situ”. Las primeras presentan una clasificación de pantallas en función de sus características acústicas en cuanto a la absorción y en cuanto a la transmisión al ruido aéreo. Los ensayos normalizados a realizar para obtener esta clasificación vienen determinados según las normas UNE-EN 1793-1; UNE-EN 1793-2 y UNE-EN 1793-3.

La tipología de pantallas existente en el mercado es muy diversa y generalmente éstas se clasifican en función del mecanismo acústico que emplean para impedir la transmisión del ruido.

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Así, se puede hablar de pantallas reflectantes, que se caracterizan porque presentan una baja absorción. Estas pantallas se pueden clasificar en dos categorías: pantallas opacas, formadas por materiales como madera u hormigón; y pantallas transparentes, fabricadas a base de materiales como metacrilato o policarbonato. Otra tipología son las pantallas absorbentes, caracterizadas porque su absorción es superior a las anteriores. Al estar formadas por materiales rígidos, por la propia definición de pantalla, suelen estar fabricadas a base de hormigón al que se le ha realizado un tratamiento superficial para que sea poroso en su superficie. Por último, existen las pantallas mixtas, que suelen presentar una absorción más alta que las anteriores ya que incorporan en su composición materiales absorbentes como la lana de roca. Suelen estar formadas por paneles metálicos modulares tipo sándwich con material absorbente en su interior.

Así pues, los mecanismos de control de ruido que incorporan estas pantallas, que denominaremos “clásicas”, son la reflexión y la absorción. Sin embargo, a veces pueden incorporan otros mecanismos como la resonancia, que se considera como otro mecanismo que disipa energía acústica como la absorción, pero su implementación en las pantallas es distinta. Normalmente, la resonancia se incorpora en las pantallas de hormigón o las mixtas mediante la creación de cavidades en su interior.

La Universitat Politècnica de València se encuentra en la actualidad desarrollando un nuevo concepto de pantalla acústica que incorpora un novedoso mecanismo de control de ruido, denominado dispersión múltiple. Estas pantallas se denominan abiertas y están basadas en un nuevo tipo de materiales denominados “cristales de sonido”. Estos dispositivos pueden dotar al mercado del apantallamiento acústico de un plus tecnológico no existente hasta la fecha, además de presentar una serie de ventajas respecto a las llamadas pantallas tradicionales. Entre estas ventajas se encuentran la reducción en la cimentación necesaria, la mejora en el comportamiento acústico, la posibilidad de crear un nuevo mercado de diseño de pantallas personalizadas y la mejora en la estética de este tipo de dispositivos. A continuación trataremos de exponer en este cuaderno sus principios de funcionamiento y sus principales características.

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Base tecnológicadel dispositivo


Las pantallas abiertas que se presentan en esta comunicación están basadas en materiales heterogéneos denominados cristales de sonido. Estos cristales están formados por un conjunto de dispersores acústicos -que pueden tener distintas formas geométricas- dispuestos periódica y ordenadamente e inmersos en un fluido, en este caso aire. El nombre de cristales viene de la forma periódica y ordenada en que están ordenados los dispersores, recordando la definición de canónica de sólido cristalino. En la Figura 3 se puede observar un prototipo de cristal de sonido diseñado como pantalla acústica. Está formado por dispersores cilíndricos de PVC de 3m de longitud dispuestos en red triangular, estando el conjunto rodeado de aire. Que estén dispuestos en red triangular implica que los cilindros se encuentran situados en los vértices de una red de triángulos horizontal (perpendicular a los ejes de los cilindros).

Figura 3. Ejemplo de cristal de sonido actuando como pantalla acústica de primera generación. Este prototipo se encuentra en el Campus de la Universitat Politècnica de València.

Como se puede observar en la Figura 3, la pantalla acústica resultante está formada por un conjunto de dispersores que no constituye un paramento continuo.

Uno de las propiedades más interesantes de estos materiales es que incluyen un nuevo mecanismo de control de ruido denominado genéricamente dispersión múltiple. Este mecanismo impide la transmisión, a través del material, de determinados rangos de frecuencia relacionados con la geometría del cristal, es decir, de cómo están situados los dispersores y de la distancia “a” existente entre ellos (figura 4).

En realidad, esta propiedad de interferencia ondulatoria no es nueva, ya que está basada en una Ley Física definida por los investigadores William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg

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en 1913 -La Ley de Bragg- que permite desarrollar una técnica muy potente para analizar la estructura de los sólidos cristalinos, denominada difracción de rayos X. La importancia de esta Ley fue tan grande que sus autores fueron galardonados con el premio Nobel de Física. Esta ley postula la formación de una onda reflejada cuando una onda incide sobre el cristal, debido a la periodicidad en la posición de los dispersores. Es decir, en los cristales, parte de la energía de la onda incidente no se transmite, sino que se refleja.

Figura 4. Mecanismo de la Ley de Bragg y esquema del efecto ondulatorio que se produce cuando una onda incide sobre un cristal

Para que este mecanismo de control de ondas funcione, se tiene que cumplir que las propiedades del cristal sean las correctas para interactuar sobre cada tipo de onda en particular. Efectivamente, otra forma de interpretar una estructura cristalina es considerar que lo que se repite no son los elementos físicos (dispersores), sino las propiedades físicas que estos representan. Por ejemplo, en un sólido cristalino formado por átomos y moléculas se produce una variación del potencial eléctrico creado por la red de átomos: cuando la onda que se intenta transmitir a través del cristal se encuentra con un átomo/molécula existe un potencial eléctrico determinado y distinto de cero, pero a continuación se encuentra con aire, con potencial cero, produciéndose una variación periódica del potencial. Esta variación periódica del potencial eléctrico fue la responsable del rápido avance que se produjo en el campo de los semiconductores.

De la misma forma, si se crean redes cristalinas con variación de otras propiedades físicas que interactúen con distintos tipos de ondas, estos materiales permitiendo controlar todo tipo de ondas. Esta conclusión ya fue postulada por L. Brillouin (Brillouin, 1952) cuando afirmó: “las ondas, sean del tipo que sean, siempre se comportan de la misma manera…”… cuando se transmiten por el interior de un cristal adaptado a sus características. Esta idea permaneció muchos años olvidada hasta que, a finales de la década de los ochenta del siglo pasado, se empezó a aplicar al caso de ondas electromagnéticas (Yablonovitch, 1987; John, 1987). En este caso, se demostró que este tipo de ondas (por ejemplo, microondas, luz visible, etc.) actuaba siguiendo la Ley de Bragg cuando atravesaban una estructura cristalina donde se producía una variación de la constante dieléctrica. Es decir, parte de la energía de estas ondas no se transmitía a través de esa estructura cristalina. Posteriormente, se demostró que sucedía lo mismo para ondas elásticas (por ejemplo, ondas sísmicas) cuando se transmiten a través de una estructura cristalina donde existe una variación de la densidad. (F. Meseguer, et al.,1999). A partir de ese momento se empezó a hablar de un nuevo

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tipo de materiales, denominados “cristales de ondas”.

Esta teoría también es aplicable al caso del ruido, que no es más que una onda de sonido. En este caso, la variación de propiedades físicas que debe presentar el cristal debe ser una variación de la densidad y de la velocidad de propagación del sonido entre los distintos materiales que forman el cristal. Estos cristales se denominan generalmente cristales de sonido. Hay que tener en cuenta que los cristales de sonido, como material, no están formados únicamente por los dispersores que se pueden observar en la figura 3, sino que el aire que los rodea también forma parte de él. Si en vez de aire se considerase otro material (agua, otro tipo de sólido), sus propiedades de control de ondas variarían sustancialmente.

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Inicios de la tecnología


En la última década del siglo pasado se empezó a especular con la idea de que la teoría de los cristales de ondas pudiera ser aplicable al caso de las ondas sonoras, y por ende, al ruido. Diversos estudios, realizados por Sigalas y Economu desarrollaron esta idea de forma teórica y la aplicaron al caso de ondas elásticas en general (Sigalas y Economu, 1992).

Sin embargo, no fue hasta el año 1995 en que investigadores del Centro de Tecnologías Físicas, División Acústica, perteneciente a la Universitat Politècnica de València, demostraron de manera experimental la existencia de estos materiales (Martínez-Sala y Sancho, 1995).

Estos investigadores realizaron los primeros experimentos en una escultura minimalista del escultor Eusebio Sempere emplazada en los jardines de la Fundación Juan March en Madrid (Figura 5) teniendo, por tanto, los inicios de esta tecnología una base artística y escultórica que se ha intentado preservar en los posteriores desarrollos de los cristales de sonido como pantallas acústicas. Esta escultura, como se observa en la figura 5, está formada por un conjunto de dispersores circulares de aluminio dispuestos en una red bidimensional cuadrada e inmersos en aire.

Figura 5. Escultura de Eusebio Sempere, sita en los jardines de la Fundación Juan March (Madrid).

Estos primeros resultados experimentales prometedores, dieron lugar al desarrollo de la tecnología de la que se ocupa el presente trabajo. Desde la Universitat Politècnica de València, y basándose en los resultados obtenidos en las pruebas realizadas sobre la estructura escultórica, se ha venido desarrollando y estudiando la tecnología de control de ruido que presentan los cristales de sonido, analizando asimismo los parámetros que los caracterizan.

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Posteriormente también se desarrolló una línea de investigación con cristales de sonido unidimensionales -que son aquellos en los que la periodicidad de los dispersores se realiza en una única dimensión- investigando la aplicación de esta tecnología en la acústica arquitectónica, en concreto centrada en la capacidad de aislamiento de cerramientos. En este campo se obtuvieron resultados satisfactorios, consiguiendo cerramientos aligerados con mayor capacidad de aislamiento en ruidos de bajas frecuencias que los tradicionales (Uris, et al., 2001)

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Desarrollode la investigación

de la tecnología


En el año 1998, investigadores pertenecientes al Centro de Tecnologías Físicas de la Universitat Politècnica de València realizaron el primer estudio científico teórico-experimental sobre las propiedades de control del ruido de los denominados cristales de sonido bidimensionales (Sánchez-Pérez, et al. 1998). Los análisis se efectuaron en condiciones controladas, en concreto en una cámara anecoica situada en la propia Universidad.

En concreto, en este trabajo se realizó un estudio sistemático de los parámetros que caracterizan la existencia y el tamaño de los rangos de frecuencias atenuados. En primer lugar, hay que tener claro que el mecanismo de control de ruido inherente a estos sistemas (la dispersión múltiple) no atenúa la totalidad del espectro audible de frecuencias, sino que solo actúa sobre determinados rangos de frecuencias que están relacionados con distintos factores geométricos del cristal, como pueden ser el tipo de red cristalina utilizada, el tamaño de los dispersores, el número de dispersores existentes en la red, etc. En la figura 6 se puede observar un espectro de atenuación tipo obtenido sobre un cristal de sonido.

Figura 6: Espectro de atenuación tipo obtenido por un cristal de sonido

En el espectro de atenuación de la figura 6 se están representando las pérdidas por inserción (IL) en un punto obtenidas por un cristal de sonido bidimensional formado por 290 dispersores cilíndricos de aluminio hueco de 4cm de diámetro dispuestos en red cuadrada cuyo lado es de 5.5cm, inmersos en aire, y para una orientación de incidencia de la onda normal a la superficie del cristal. La atenuación se representa por encima de los 0 dB. Se puede observar que la atenuación no existe para todas las frecuencias: existen determinados rangos de frecuencias con una atenuación alta (por ejemplo desde 2500Hz hasta 3500Hz), mientras que en otros rangos de frecuencias la atenuación es inexistente (por ejemplo entre 4000Hz y 5000Hz). Los rangos de frecuencias que presentan atenuaciones (de 2500 Hz hasta 3500Hz y a partir de 5000Hz) se denominan bandas de

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atenuación (del inglés bandgap). Tanto la posición de estas bandas en el dominio de las frecuencias como el nivel de atenuación obtenido en ellas dependen de factores geométricos de diseño del cristal. En general, dependen de los siguientes parámetros:

(i) El tipo de red bidimensional en la que están dispuestos los dispersores. Puede ser cuadrada, triangular, hexagonal, etc. En la investigación llevada a cabo se demostró que la red con la que el tamaño de las bandas de atenuación era mayor era la red triangular.

(ii) La razón entre las velocidades del sonido entre los dos materiales que forman el cristal y entre sus densidades. Se demostró que cuanto mayor fuese esta razón, es decir cuánto mayor fuese la diferencia de velocidades y densidades entre ambos materiales, mayor era el tamaño de la banda de atenuación. En nuestro caso, se ha tomado como material que rodea los dispersores el aire, que posee una densidad y velocidad de propagación muy baja en comparación con cualquier material sólido. Esta propiedad permite la utilización de cualquier material sólido en el diseño de los dispersores, ampliando de manera notable las posibilidades de diseño de las futuras pantallas. En concreto, en la investigación se utilizaron dispersores cilíndricos fabricados a base de aluminio hueco, aluminio macizo, madera, hierro o PVC, obteniéndose espectros de atenuación muy similares.

(iii) El tamaño de la sección de los dispersores relacionado con el tamaño de la red en la que están ordenados. Esta relación se denomina factor de llenado, es adimensional y puede tomar valores entre 0 (no existen dispersores) y 1 (no existe aire entre los dispersores). Se demostró que a mayor factor de llenado mayor rango de frecuencias atenuado. El límite estaría cuando la sección de los distintos dispersores llenara todo el espacio, sin dejar espacio para el otro material, que es el aire. En este caso, nos encontraríamos con un paramento continuo, es decir, con una pantalla acústica tradicional. En ese caso, no trabaja el nuevo mecanismo de control que aportan estos materiales, la dispersión múltiple, porque no existe el cristal. Además, si se aumenta demasiado el tamaño de los dispersores se pierden otras interesantes propiedades de estos materiales, como puede ser la posibilidad de que sean permeables al aire o al agua.

Basándose en los resultados anteriores, el grupo de investigación diseñó y construyó el primer prototipo de pantalla acústica abierta basada en cristales de sonido bidimensionales (figura 3). Este nuevo tipo de pantallas se denominó pantallas de primera generación porque el único mecanismo de control de ruido utilizado es la dispersión múltiple, es decir el nuevo mecanismo de control que aportan estos materiales y que es inherente a ellos. En la figura 7 se puede observar otro prototipo de pantalla acústica abierta de primera generación basada en cristales de sonido. En este caso se le ha añadido una cubierta vegetal para mejorar el diseño y analizar la interacción acústica entre ésta y la propia pantalla.

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Figura 7. Ejemplo de prototipo de pantalla acústica abierta basada en cristales de sonido bidimensionales. En este prototipo se ha añadido una cubierta vegetal a la pantalla. El prototipo se encuentra en el campus de la Universitat Politècnica de València.

El prototipo de pantalla que se diseñó y sobre el que se obtuvieron interesantes resultados en cuanto a su capacidad de control del ruido es el que se muestra en la figura 3. Para su diseño se utilizaron los valores óptimos de los parámetros definidos anteriormente (tipo de red, materiales, factor de llenado, etc.). El prototipo está formado por dispersores cilíndricos huecos de PVC de 3m de longitud tapados por sus dos extremos, y fueron montados sobre una plataforma siguiendo una red bidimensional triangular, de forma que los lados de los triángulos tienen unas dimensiones de 22cm. El factor de llenado del cristal es de 0.42. Este valor significa que existe suficiente material dispersivo frente al aire para que aparezcan unas bandas de atenuación importantes, y simultáneamente la pantalla es lo suficientemente diáfana para permitir el paso del aire y del agua. El tamaño externo del prototipo es de 1.11m de anchura por 7.2m de longitud, y está formado por seis filas de cilindros.

Los ensayos acústicos diseñados para obtener las pérdidas por inserción producidas por esta pantalla se pueden observar en la figura 8. Estos ensayos se realizaron al aire libre en condiciones no controlada

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Figura 8: Esquema de las pruebas acústicas experimentales realizadas para la obtención de las pérdidas por inserción del prototipo de pantalla acústica abierta basada encristales de sonido de primera generación (Sánchez-Pérez, et al., 2002)

En la figura se puede observar la situación de los puntos de colocación de la fuente de ruido blanco utilizado (S1-S4). Todos ellos están situados a una distancia de 5m de la pantalla para simular condiciones reales. Por otra parte, los puntos de medida también se pueden observar en la figura 8 (P1-P4). Obsérvese que se realizaron medidas a distintas distancias de la pantalla (2.7m y 4,7m) para comprobar la continuidad en los resultados de las pérdidas por inserción detrás de la pantalla.

En la figura 9 se pueden observar algunos resultados obtenidos que ilustran la capacidad de atenuación de estos dispositivos. Hay que tener en cuenta que para obtener las pérdidas por inserción se tuvo que medir el nivel de ruido directo (sin pantalla) para todas las combinaciones fuente-receptor, y posteriormente repetir las medidas con el prototipo ya instalado.

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Figura 9: Espectro de atenuación (pérdidas por inserción) de la pantalla ensayada en función de la frecuencia, y su comparación con la máxima atenuación que pueden proporcionar las pantallas acústicas tradicionales según los experimentos de Maekawa. (Sánchez-Pérez, et al., 2002)

En la figura se puede observar la capacidad de atenuación del prototipo para el rango de frecuencias desde 100Hz hasta 4500Hz, rango que casi abarca todo el espectro tipo de ruido de tráfico definido por la norma UNE-EN 1793-3. Esta atenuación está representada en forma de pérdidas por inserción para una posición determinada fuente-receptor. Las medidas se realizaron en banda fina (paso de frecuencias: 8Hz) y a una altura de 2m.

Además, en el espectro de pérdidas por inserción se incluyen también los valores de pérdidas por inserción máximas que se podrían obtener con una pantalla tradicional de las mismas dimensiones externas que el prototipo ensayado para poder comparar la capacidad de atenuación de las nuevas pantallas con las tradicionales. Aunque para las frecuencias incluidas en el rango de estudio la pantalla debería ser considerada como una pantalla delgada, se ha incluido también las pérdidas por inserción que se obtendrían considerando la pantalla como gruesa. Se puede observar que la atenuación obtenida por el prototipo supera en muchas de las frecuencias la atenuación marcada por Maekawa para pantallas tradicionales delgadas. En general, se puede concluir que la atenuación obtenida es alta, con una media en todo el rango de frecuencias de alrededor de 15dB. Este hecho es importante porque hay que recordar que únicamente se está utilizando como mecanismo de control de ruido la dispersión múltiple.

Estos resultados confirmaron que los cristales de sonido se pueden utilizar como pantallas acústicas con unos resultados aceptables.

Los dos últimos trabajos científicos que se pueden consultar en la bibliografía que se encuentra al final del presente trabajo son los que sustentan los resultados que se exponen en este capítulo (Sánchez-Pérez, et al. 1998) (Sánchez-Pérez, et al. 2002)).

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Aplicaciones-Ventajas


La tecnología descrita en los apartados anteriores permite el desarrollo de un nuevo tipo de pantalla acústica tecnológicamente avanzado, ya que las pruebas realizadas han arrojado resultados experimentales de valores de atenuación que demuestran que pueden competir con las pantallas acústicas tradicionales (Sánchez-Pérez, et al., 2002).

Los métodos de control de ruido utilizados por las pantallas acústicas tradicionales, compuestas básicamente de paramentos verticales rígidos, son la reflexión, la absorción y la resonancia. Sin embargo, las pantallas acústicas abiertas basadas en cristales de sonido amplían este horizonte al utilizar un nuevo mecanismo de control del ruido, denominado dispersión múltiple. Este mecanismo aparece debido a que estas nuevas pantallas están formadas por un conjunto de dispersores aislados, de forma que, aunque presentan menor volumen y peso que las tradicionales, no presentan menor efectividad en la atenuación del ruido que las barreras acústicas tradicionales. Esto es debido a que su efectividad no se basa en la masa que se interpone entre la fuente de sonido y el receptor, sino en las interferencias que se producen debido a la existencia de la red de dispersores aislados que la componen.

Estas nuevas pantallas poseen otra serie de ventajas estructurales. Al tratarse de un diseño abierto, en contra de lo establecido hasta el momento con las barreras acústicas tradicionales, ofrecen una permeabilidad al viento y al agua que presenta una serie de ventajas. Por un lado no requieren tanto volumen de cimentación como una barrera continua tradicional, ya que no han de soportar valores de esfuerzos cortantes elevados, ni los altos momentos de vuelco que soportan las barreras acústicas tradicionales debido al efecto vela que produce la acción del viento sobre éstas. Estas reducciones de esfuerzos soportados, no solo aportan una mejor eficiencia en la instalación de este tipo de pantallas al reducir el material requerido para ser instaladas, sino que además, al ser permeables al viento ofrecen también otras ventajas medioambientales, ya que apenas interfieren en el régimen de vientos de las zonas donde se instalan.

Por otra parte, al no estar formadas por paramentos continuos, esta pantallas también son permeables al agua, permitiendo su paso y evitando la realización de aperturas adicionales en el dispositivo para la evacuación de las mismas. Estas aperturas sí deben realizarse en las pantallas tradicionales para la evacuación y desagüe de las infraestructuras viarias en caso de grandes precipitaciones. Sin embargo, estas aperturas reducen de forma considerable el rendimiento de las pantallas tradicionales, como se ha visto anteriormente.

Pero una de las grandes ventajas que presentan las pantallas acústicas abiertas es la versatilidad de su diseño. Efectivamente, variando la distancia entre dispersores o el volumen que ocupado por ellos, estas nuevas pantallas son capaces de actuar con mayor efectividad en los rangos de frecuencias deseados, adaptándose así a cada problema concreto. Por otra parte, esta versatilidad de diseño permite configurar las pantallas para ajustar su diseño a las necesidades de cada zona de instalación con el fin de adaptarse a las características de su ubicación o al espacio disponible. Pero además, también se pueden variar los diseños para adaptarse al tipo de ruido específico a atenuar o a la banda de frecuencias donde se pretende actuar.

Esta versatilidad en el diseño permite personalizar y ajustar cada solución a cada problema específico, diseñando una pantalla adecuada a cada necesidad y dotando a cada problema de ruido

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de una solución ajustada. Esta propiedad les permite a estas barreras abiertas ser mucho más efectivas que las barreras tradicionales, que actúan por igual en todas las bandas de frecuencia sin discriminar el ruido contra el que pretenden actuar. Así, diseñadas adecuadamente, estas barreras acústicas pueden presentar mayor efectividad en el control de ruido de bajas frecuencias, mientras que las barreras acústicas tradicionales son generalmente poco efectivas en dicho rango.

También es importante destacar el aspecto artístico y estético en el que se basan estas pantallas acústicas ya desde sus inicios. Los primeros estudios de este tipo de barreras y las primeras pruebas experimentales, se realizaron sobre una escultura de Eusebio Sempere. Estos inicios artísticos han sido conservados a lo largo del desarrollo de la tecnología, siendo el aspecto estético un factor determinante en el diseño de las estas nuevas pantallas acústicas. Así, la implantación de pantallas abiertas conlleva una mejora de la imagen de la zona donde podrían ser implantadas. Sus características físicas y su diseño basado en redes espaciales ofrecen unas posibilidades estéticas que difícilmente pueden ser alcanzadas por las barreras tradicionales, las cuales poseen un diseño rígido debido a su configuración mural.

Otro aspecto interesante es el rechazo que puede generar la instalación de pantallas acústicas tradicionales en algunos ámbitos y zonas urbanas, debido a que la instalación de altos muros pueden degradar la zona donde son instaladas, generando una percepción de aislamiento entre los habitantes. El diseño de las pantallas acústicas abiertas permite dotarlas de una imagen más amable, incluso posibilitando su instalación en emplazamientos representativos con requerimientos estéticos especiales, como pueden ser entornos urbanos emblemáticos, ámbitos paisajísticos y naturales singulares, o entradas a poblaciones.

Otra ventaja que reporta la instalación de pantallas acústicas abiertas es la posibilidad de empleo de materiales reciclados. Debido a que el material que compone los dispersores puede variarse sin que por ello se varíe la efectividad de estas pantallas, es posible el empleo de materiales reciclados procedentes de desechos industriales de forma que su fabricación sea más respetuosa con el medio ambiente.

Esta característica, unida al hecho ya comentado de su menor requerimiento de cimentación, y por lo tanto, menor volumen de material empleado para su instalación, hace que la huella de carbono que se genera para la fabricación e instalación de este tipo de pantallas pueda ser mucho menor que la generada para la fabricación e instalación de pantallas acústicas tradicionales. Esto se traduce en una ventaja medioambiental muy importante en su uso.

Por último, hacer referencia a la posibilidad de mejora del efecto de difracción de borde de las nuevas pantallas acústicas abiertas, ofreciendo así un nivel mayor de protección contra el ruido. Debido a su diseño de cumbrera mucho más versátil que las cumbreras de las pantallas acústicas tradicionales, las pantallas abiertas ofrecen la posibilidad de reducir el efecto de difracción en su borde superior.

Así pues, son muy numerosas las ventajas que las pantallas acústicas abiertas ofrecen respecto a las tradicionales, y por ello, el avance de la investigación para la consecución de su implantación real continúa siendo un objetivo de las entidades de investigación involucradas.

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Por último, señalar que la Universitat Politècnica de València, posee dos patentes para la protección de 2 prototipos avanzados de pantallas acústicas abiertas como dispositivos reductores de ruido de tráfico. Estos dispositivos patentados han sido homologados según las normas UNE-EN 1793-1, UNE-EN 1793-2 y UNE-EN 1793-3, obteniendo resultados altamente satisfactorios.

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