Comportamiento Acústico en Paneles Sandwich

La contaminación acústica es un factor determinante durante la definición de la calidad ambiental. De hecho, no sólo representa una grave amenaza para la salud y el bienestar físico-psíquico del ser humano, sino que también tiene efectos sensibles en la valoración de los inmuebles, ya que una casa o un edificio realizados en un ambiente ruidoso son mucho menos atractivos.

El desarrollo de la acústica en las últimas décadas ha sido notable y, al mismo ritmo, se han ido desarrollando normas relacionadas con distintos tipos de medidas acústicas. Esta normalización se ha hecho necesaria debido al crecimiento exponencial del nivel sonoro en las zonas urbanas.

Las normas que regulan los niveles admisibles de contaminación acústica tienen en cuenta los siguientes factores:

el ruido transmitido por los edificios industriales al medio ambiente;
el ruido producido por el tráfico y transmitido a los edificios circunstantes;
los niveles de ruido dentro de edificios y talleres;
las condiciones de aislamiento sonoro entre las habitaciones de un edificio.

Como es evidente, el control del ruido característico y exponencial de un edificio necesita tener en consideración, de forma minuciosa, durante la fase de proyectación, cada uno de los aspectos de la construcción o reestructuración. Para ello, es necesario verificar los siguientes aspectos:

el aislamiento acústico de las fachadas exteriores;
el aislamiento acústico de los divisores verticales y horizontales;
el aislamiento al pisado de los suelos;
el nivel de emisión acústica de las instalaciones sanitarias;
el ruido de las instalaciones de servicio (ascensores, instalaciones de climatización, autoclaves, etc.).

Por lo tanto, es durante la fase de proyectación cuando toma forma y se posibilita la auténtica protección contra los ruidos exteriores e interiores del edificio.

Naturaleza del sonido

El sonido puede considerarse como un tren de vibraciones, producidas por una fuente vibrante, que se propagan a través del aire bajo forma de ondas de presión y que, localmente, causan condiciones de compresión y rarefacción. Las partículas de aire se excitan gracias a estas ondas y oscilan de forma casual, transfiriendo su energía a las partículas cercanas, y así sucesivamente. Así se llega al momento en que éstas alcanzan un oído humano, que percibe este movimiento como una variación de presión y, para acabar, como sonido.

Los parámetros fundamentales del sonido son la frecuencia y la presión: la medida de la intensidad del sonido cuando éste alcanza un oído humanoLa unidad de medida de la frecuencia es el herzio, que se traduce en número de ciclos por segundo (ondas de vibración por segundo). Los adultos tienen un intervalo de audibilidad que va desde 20 Hz hasta 20.000 Hz, aunque el cuerpo humano puede estar influido por sonidos que se encuentren fuera de este intervalo. Un sonido por debajo de 20 Hz recibe el nombre de infrasonido, mientras que los ultrasonidos se dan por encima de 20.000 Hz.

En cualquier caso, con una frecuencia concreta, el oído humano responde a la presión sonora, cuya unidad de medida es el Pa (N/m2). La presión sonora más baja que un oído humano medio es capaz de advertir es de aproximadamente 2 x 10-5 Pa, mientras que el límite superior a partir del cual el oído comienza a sentir dolor es de aproximadamente 20 Pa.

Debido a este amplio intervalo, los niveles de presión sonora se expresan, normalmente, usando una escala logarítmica. Por lo tanto, debido a que la energía de una onda sonora es proporcional al cuadrado de la presión sonora, la siguiente ecuación permite definir la unidad de medida usada generalmente para la presión sonora, el decibelio (dB):

N p2 p

= 10 log ––– = 20 log –––

po2 po

en la que:Np = nivel de presión sonora (dB)

p = presión sonora efectiva (Pa)

po = presión sonora de referencia: 2 x 10-5 Pa.

La sensibilidad del oído humano a la presión sonora varía con las varias frecuencias. El nivel mínimo que puede percibir el oído humano a una frecuencia determina se conoce como umbral de audibilidad. El umbral de audibilidad es distinto de persona a persona y, además, cambia también con la edad. Cuando el sonido percibido por el oído se convierte en más fuerte, alcanza un nivel en el que el oído humano comienza a advertir una molestia intensa. Este nivel se conoce como umbral del dolor y tiene un valor de 140 dB aproximadamente. Estos límites, junto con los niveles típicos aproximados que se dan durante una conversación, o cuando se escucha música, se dan en la Fig. 10.1.

Parámetros acústicos fundamentales

El sonido puede ser absorbido, transmitido o reflejado. Cuando una onda sonora golpea un divisor, como una cobertura o una pared, se refleja una parte de la energía sonora, otra parte se absorbe dentro del material y otra se transmite a través de aquél, como se muestra en la Figura 10.2.

Absorción

El porcentaje de sonido incidente que se refleja, se absorbe o se transmite depende del elemento de construcción, del material con el que se ha fabricado y de la frecuencia del sonido. Basándonos en esto, podemos definir tres parámetros acústicos:

coeficiente de absorción, ? = porcentaje del sonido incidente absorbido por el elemento;
coeficiente de reflejo, ? = porcentaje del sonido incidente reflejado por el elemento;
coeficiente de transmisión, ? = porcentaje de sonido incidente transmitido por el elemento.

Conceptos de aislamiento acústico y absorción acústica

El aislamiento acústico representa la capacidad de un elemento (por ejemplo, un panel sandwich) de impedir que las ondas sonoras incidentes lo atraviesen. Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las que se pretende reducir la transmisión de ruido desde un ambiente al adyacente (Fig. 10.3). La capacidad de aislamiento acústico depende de la frecuencia del sonido y de la masa por unidad de superficie del divisor.

La absorción acústica expresa la capacidad de la capa aislante del elemento divisor (por ejemplo, la losa de lana mineral de un panel sandwich) de absorber la energía sonora que incide sobre éste. Esta característica tiene una importancia extrema en todas las aplicaciones en las que se pretenda reducir el nivel de ruido dentro de un ambiente (Fig. 10.4).

Aislamiento acústico

Aspectos fundamentales del aislamiento acústico

El sonido aéreo es el que se genera en una habitación o una instalación industrial desde una fuente como un altavoz, una conversación entre varias personas, una televisión, etc. (no se debe confundir con el sonido de impacto, producido por fuerzas aplicadas directamente sobre la estructura; por ejemplo, por pisadas). Se puede transmitir a ambientes adyacentes o al exterior con distintos recorridos de transmisión, como paredes divisoras, suelos, la estructura portante del edificio, ventanas, puertas y conductores, como se muestra en la Fig. 10.5.

La reducción neta de la energía sonora producida por vía aérea y transmitida a través de todas estas vías de propagación se conoce como aislamiento ante el sonido generado por vía aérea o, simplemente, como aislamiento acústico.

En especial, es posible distinguir entre dos métodos distintos de propagación: la propagación directa, en la que la energía sonora pasa directamente a través del elemento divisor, y la propagación indirecta, en la que la energía sonora pasa a través de la estructura circundante.

La propagación directa se da cuando una pared que separa dos ambientes adyacentes comienza a vibrar cuando la golpea una onda sonora, provocando la difusión del sonido más allá de la pared. Para minimizar al máximo este fenómeno, es necesario limitar la posibilidad de vibración de la pared, lo que implica un estudio minucioso de las características elásticas y de disipación de los materiales de construcción. Un análisis de este tipo no puede prescindir de las mediciones en laboratorio realizadas para determinar las propiedades aislantes de los materiales, para establecer datos de proyecto o para comprobar la conformidad de los materiales de construcción con las normas en vigor.

La propagación indirecta permite al sonido alcanzar la habitación receptora a través de recorridos más tortuosos que los que sigue el sonido directo. Las paredes o suelos que se encuentran junto al elemento divisor constituyen los recorridos principales de propagación indirecta, pero este fenómeno puede darse también con puertas, ventanas, huecos de techos suspendidos y otros elementos capaces de reducir la capacidad de aislamiento acústico del ambiente.

En este caso, la posibilidad de reducir o eliminar las fugas de aire en proximidad del elemento divisor produce un efecto significativo en las prestaciones acústicas de aquél. Como es lógico, es altamente improbable que el material que se examina demuestre en la práctica las mismas características detectadas en condiciones ideales, en el lugar de la prueba. Por este motivo, en cualquier problema de aislamiento acústico, resulta esencia considerar los dos métodos de propagación e identificar las partes más débiles de la construcción.

La medición fundamental de aislamiento acústico proporcionada por una pared divisora se llama índice de reducción sonora, pérdida de transmisión sonora o capacidad de aislamiento acústico: se indica con el símbolo R y se mide en decibelios (dB).

El valor de R se obtiene en laboratorio, sometiendo la muestra de prueba a un test de aislamiento acústico. Debido a que no se tiene en cuenta mecanismo alguno de propagación indirecta, este valor indica la capacidad del elemento probado a reducir la transmisión de energía sonora de un ambiente a otro, y es característico de las propiedades físicas del elemento (Fig. 10.6).

Cuando las mediciones se efectúan en un edificio real e incluyen los efectos unidos a la propagación indirecta del sonido, las pérdidas sonoras, etc., el parámetro de medición del aislamiento acústico se llama índice de reducción sonora aparente, pérdida de transmisión sonora aparente o capacidad de aislamiento acústico aparente: se indica con R’ y se mide también en decibelios (dB) (Fig. 10.7).

W1 = Energía sonora incidente en la pared,
W2 = Energía sonora transmitida a través de la pared
W3 = energía sonora transmitida de forma lateral a través de la estructura adyacente

El poder de aislamiento acústico R varía dependiendo de la densidad superficial ? de la pared, es decir, dependiendo de la masa por unidad de superficie del divisor (de acuerdo con la ley de masas) y de la frecuencia f del sonido.

La ley de masas expresa una clara relación entre la masa por unidad de superficie de una pared y sus propiedades de aislamiento acústico: si se considera la pared con mayor masa de superficie con más capacidad de contrarrestar los movimientos vibrantes inducidos generalmente por las ondas sonoras incidentes, esta ley predice que, cada vez que la masas por unidad de superficie de una pared de una sola capa se dobla, el índice de reducción sonora aumenta en unos 6 dB, reduciendo de forma drástica la carga de presión sonora absorbida físicamente por el ser humano.

En las aplicaciones prácticas de construcción, la pared de doble capa constituye la solución preferida cuando es necesario aislar acústicamente dos ambientes adyacentes, ya que el hueco entre las dos capas se puede llenar con un material adecuado para los valores de aislamiento acústico que se desea obtener. La capacidad de aislamiento acústico de una pared de doble capa aumenta considerablemente cuando se introduce una losa de lana mineral entre las dos paredes.

Es necesario precisar que, aunque se puede mejorar el aislamiento acústico en un lugar habitable, el ruido de baja frecuencia es muy costoso y difícil de detener.

Las ondas sonoras a baja frecuencia, debido a sus elevadas dimensiones, tienden a envolver todo el ambiente, llevando a toda la estructura a vibrar al unísono. En este caso, los sistemas comunes de aislamiento acústico no son eficaces para bloquear estas ondas, ya que son muy grandes.

Propagación indirecta del sonido

La propagación indirecta trata los sonidos transmitidos a ambientes adyacentes a través de las estructuras que se encuentran dentro del elemento divisor. Este factor se debe tener necesariamente en cuenta cuando se usan elementos sandwich.

Los siguientes son ejemplos de soluciones estructurales en las que se puede obtener una propagación indirecta del sonido:

una pared externa, construida con paneles sandwich, pasa a través de un suelo o de una pared divisora interior, capaz de ofrecer un alto grado de aislamiento acústico;
muros divisores internos, caracterizados por unos valores elevados de aislamiento acústico, conectados a un techo construido con paneles sandwich.

En ambos casos, el sonido se transmite principalmente a través de las estructuras que se encuentran alrededor el elemento divisor (la pared exterior y el techo), ya que éste constituye un recorrido de preferencia a través del que el sonido se puede propagar. La Figura 10.9 muestra dos ejemplos de soluciones que pueden ayudar a reducir el riesgo de propagación indirecta.

Índice de reducción sonora para orificios y fisuras

El índice de reducción sonora ofrecido por orificios y fisuras es casi igual a 0 dB. Por lo tanto, la influencia de orificios y fisuras puede ser importante, por ejemplo, en correspondencia de conexiones entre paneles sandwich, puertas y ventanas sin el aislamiento correcto y, en definitiva, en cualquier apertura necesaria presente en paredes divisoras.

Si en las fisuras hay un material de absorción acústica, éste asegura un índice de reducción sonora más elevado en estos casos. Así se consigue que la conexión entre los paneles sandwich con capa aislante en lana mineral no es tan crítica como puede serlo la conexión entre paneles en espuma poliuretánica rígida, ya que posee una capacidad de absorción acústica muy reducida.

Un fenómeno reconocido en las estructuras sandwich es la deflexión del panel, relacionada con una diferencia de temperatura que se genera entre sus superficies exteriores, y que puede tener un impacto poco favorable en la reducción sonora.

Test de aislamiento acústico para la determinación del índice de reducción sonora

El método de prueba para la medición del índice de reducción sonora, R, de un panel sandwich, se realiza de acuerdo con las siguientes normas internacionales:

EN ISO 140-3:1995, “Acústica – Medición del aislamiento acústico en edificios y de elementos de construcción – Parte 3: mediciones de laboratorio de aislamiento de elementos de construcción al sonido generado por vía aérea”;
EN ISO 717-1:1996, “Acústica – Clasificación del aislamiento acústico en edificios y de elementos de construcción – Parte 1: aislamiento al sonido generado por vía aérea”.

El método de prueba necesita del uso de dos cámaras adyacentes: una de las cámaras se usa como “cámara fuente”, produciendo en ella un campo sonoro (con la ayuda de una fuente sonora, como un altavoz omnidireccional), y la otra se considerará la “cámara de recepción” (Fig. 10.10).

Las cámaras están separadas por una pared común, equipada con una apertura en la que se debe fijar la muestra que se debe probar, como se muestra en las Fig. 10.11 y 10.12.

Las cámaras de prueba del laboratorio son cámaras reverberantes, construidas con la finalidad de evitar cualquier posible fuga sonora, de tal forma que, durante el test, toda la energía se llegue a la cámara de recepción exclusivamente a través de la pared de prueba (Fig. 10.13).

Si indicamos con L1 (dB) el nivel de presión sonora medio en la cámara de la fuente y con L2 (dB) en de la cámara de recepción, el índice de reducción sonora entre las dos cámaras queda determinado por:

R = L1 – L2 + 10 log S – 10 log A

donde S es el área del panel de muestra (m2), y A es la absorción total de la cámara de recepción (m2).

Al final de la prueba, el organismo de certificación procesa los resultados y emite un informe de la prueba (Fig. 10.14) que consiste en un gráfico del índice de reducción sonora según varias frecuencias.

Las curvas del índice de reducción sonora, con el variar de la frecuencia, de los paneles PanelORG® Wall Sound de 100, 80 y 50 mm de espesor, se muestran en el siguiente gráfico (Fig. 10.15)

Valores indicativos de aislamiento acústico de paneles sandwich

Los valores del índice de reducción sonora obtenidos usando paneles sandwich son más elevados en los casos en los que la capa de aislamiento es de lana mineral y no de espuma de poliuretano.

Los paneles sandwich en espuma PUR permiten obtener valores de índice de reducción sonora siempre equivalentes a 25 dB.

Los valores de índice de reducción sonora garantizados por los paneles en lana mineral son claramente más elevados y dependen del espesor del panel. Los valores aproximados se dan en el Cuadro 10.2:

Espesor (mm)	Índice de reducción sonora R (dB)
50	27
80	28
100	30
120	32
150	33

Cuadro 10.2: Valores indicativos del índice de reducción sonora de paneles en lana mineral

Absorción acústica

Aspectos fundamentales de la absorción acústica

Los paneles sandwich se usan generalmente como paredes y coberturas de fábricas y talleres: éstos se caracterizan generalmente por unos niveles de ruido que, a menudo, son muy elevados.

En caso de que se usen paneles con superficies metálicas y de que no se predisponga ningún sistema adicional de absorción sonora, la calidad de la acústica del edificio puede no ser satisfactoria, ya que la mayor parte del sonido se refleja a su alrededor.

Para mejorar la calidad de la acústica es necesario instalar, dentro de los ambientes, materiales de absorción acústica, fijándolos debajo de las coberturas o a las paredes. Algunos materiales comunes de absorción acústica son las tejas del techo, los elementos de mobiliario blandos o las pantallas. Éstos y otros materiales de absorción acústica más especializados se usan en oficinas, centros de atención al cliente, cines, teatros, estudios de música y de televisión, fábricas, talleres, vehículos, etc.

En cualquier caso, los paneles sandwich con superficies metálicas y núcleo en lana mineral, en los que una de las superficies se encuentra perforada, tienen propiedades de aislamiento y absorción acústicos y se prestan bien para su uso como muros divisores (en los que no es necesaria una barrera para el vapor) y en la carrocería de máquinas. Por desgracia, el uso de estos paneles es especialmente crítico en aplicaciones de cobertura y paredes de edificio calentadas, cuando la temperatura exterior alcanza valores especialmente bajos, ya que estos paneles no poseen propiedades de barrera para el vapor y pueden causar fenómenos de condensación y goteo.

Un ejemplo de panel sandwich con las características mencionadas es el PanelSandwich.ORG PanelORG® Wall Sound, que se muestra en la Fig. 10.16.

La constante material, que define la capacidad de un material de absorber el sonido, se conoce como coeficiente de absorción sonora, ?. El coeficiente de absorción sonoro varía con la frecuencia del sonido.

Este coeficiente indica la relación entre la energía absorbida y la energía incidente y, por lo tanto, varía entre 0 (reflejo total) y 1 (absorción total). Las propiedades de absorción acústica de objetos, como sillas o protecciones acolchadas, se cuantifican mediante un parámetro llamado área de absorción acústica equivalente, que es el área de una superficie perfectamente absorbente (? = 1), capaz de absorber la misma cantidad de sonido incidente absorbida por el objeto real.

Test de absorción acústica para la determinación del coeficiente de absorción

Un método de prueba para la medición de la capacidad de absorción acústica tanto de materiales planos como de alfombrillas o tejas acústicas, como de materiales únicos como sillas, pantallas acústicas y almohada acolchadas, se basa en el uso de una cámara reverberante.

La prueba se realiza de acuerdo con la norma internacional EN ISO 354:2003 “Acústica

Medición de la absorción acústica en una cámara reverberante”.

El método necesita de la creación de un campo sonoro en una cámara reverberante, inicialmente vacía. Cuando la fuente sonora se apaga, se mide el tiempo de reverberación: éste es el tiempo necesario para que el nivel de presión sonora dentro de la cámara baje de 60 dB.

Después, la muestra de prueba se coloca en la cámara y el tiempo de reverberación se mide de nuevo. Gracias a las propiedades de absorción acústica de la muestra, el tiempo de reverberación debe de ser más breve. Por lo tanto, los dos tiempos de reverberación detectados así permiten calcular el área de absorción acústica equivalente de la muestra.

La muestra de prueba debe ser rectangular, con una relación entre la anchura y la longitud que varíe entre 0,7 y 1 (Fig. 10.17). Se debe colocar directamente contra una superficie de la cámara, generalmente apoyada en el suelo y, preferiblemente, con sus bordes que no se encuentren en paralelo con los lados de la cámara.

Los bordes de la muestra se deben sellar o cubrir para evitar que absorban energía sonora, con un armazón de reflejo acústico de acero, madera o tablas de yeso. En cualquier caso, si los bordes de la muestra de prueba se dejan descubiertos en las aplicaciones prácticas en las que se deba usar normalmente, también se deben dejar descubiertos durante el test.

Si la muestra de prueba se obtiene de la unión de dos o más piezas de material, puede ser necesario cubrir las juntas con cinta adhesiva, con un material aislante adecuado o con otro material sin absorción acústica: así se impide que la muestra de prueba absorba energía sonora en correspondencia de las juntas.

El resultado de las pruebas es una curva que describe la variación del coeficiente de absorción acústica con las variaciones de frecuencia, realizada por el organismo de certificación en un informe final de la prueba (Fig. 10.18).

El siguiente gráfico (Fig. 10.19) se refiere a la variación del coeficiente de absorción acústica, ?, con el variar de la frecuencia, para un panel sandwich PanelORG® Wall Sound de espesor de 50 mm.