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1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA
PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada 01/10/2009 Juan Sancho Gil Roberto San Millán Castillo
2 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
3 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA
OBJETIVO DE LA PRÁCTICA
El objetivo de esta práctica es constatar, mediante medidas en el campo
sonoro de una cámara reverberante, los conceptos más relevantes
transmitidos en la clase de teoría, respecto de los fenómenos explicados
mediante la Teoría Geométrica.
Para ello, se realizará un estudio acústico apropiado en un recinto
concreto:
Evaluar cualitativamente la acústica de un recinto.
Análisis temporal de la respuesta de un recinto, a una excitación
impulsiva. Ecogramas.
Localización de superficies donde se producen las primeras
reflexiones, y su orden de llegada respecto a un receptor y una
fuente sonoras dados.
Introducción a la simulación del campo sonoro en recintos
mediante programas informáticos: EASE.
o Realización de un modelo acústico.
o Validación del modelo.
o Cálculo de parámetros.
4 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
NOTA TEÓRICA
Para la aplicación de las leyes geométricas de la óptica a la acústica de
recintos, vamos a considerar el campo sonoro formado por una
combinación de rayos, a través de los cuales se propaga la energía sonora.
En general, es fundamental tener siempre presente la relación entre la
longitud de onda y el tamaño de las superficies donde ésta incide. En
función de cómo sea esta relación, pueden producirse los fenómenos:
DIFRACCIÓN, DIFUSIÓN, REFLEXIÓN. Estos fenómenos pueden
presentarse simultáneamente en un mismo recinto para una determinada
longitud de onda, generalmente a frecuencias medias, pero, en general,
uno de estos fenómenos será predominante según la zona de frecuencias
considerada, y el tamaño de las superficies interiores del recinto. En
general, si trabajamos con frecuencias altas (2000-4000 Hz), aunque el
recinto sea pequeño, se producirán reflexiones especulares en sus
superficies interiores y podremos utilizar con mayor exactitud las leyes
ópticas de la reflexión. Debe notarse, que si las superficies interiores
presentan un relieve de amplitud significativa frente a la longitud de onda,
la reflexión no será especular sino difusa. Este fenómeno se agudizará para
frecuencias altas y superficies con rugosidades pronunciadas.
Para el estudio de estos fenómenos, y sobre todo si el objetivo es la
localización de las superficies reflectoras de los primeros “ecos”, se va a
utilizar la técnica de respuesta al impulso, cuya representación gráfica
denominaremos "ECOGRAMA". Se entiende por ecograma la
representación gráfica de las variaciones de presión captadas por el
micrófono en función del tiempo, cuando se excita el recinto con una señal
impulsiva. Por otra parte, el análisis de estos ecogramas, con criterios
como el del "abeto" y otros derivados de la experiencia, nos proporcionarán
una información cualitativa muy efectiva de la acústica de un determinado
recinto. En esta práctica, incidiremos especialmente, en el análisis
cuantitativo de la secuencia de llegada de los primeros “ecos” con el
objetivo de localizar las superficies reflectantes que los producen.
En lo que respecta a la simulación acústica, emplearemos los conceptos
aplicados hasta el momento, especialmente los de las Teorías Estadística y
Geométrica.
5 CUESTIONES PREVIAS DE LA PRÁCTICA
CUESTIONES PREVIAS DE LA PRÁCTICA
6 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
Las siguientes preguntas deben ser contestadas por el alumno, para
tratar de fijar los conceptos previos imprescindibles para el correcto
desarrollo de la práctica; expuestos en las clases de teoría y en el apartado
anterior:
1. En Acústica de recintos, ¿Qué es un Ecograma?
2. ¿Cuándo podemos sustituir una onda por un rayo sonoro?
3. Explique de forma concisa y resumida el fenómeno de la difracción.
Ponga un ejemplo real.
4. ¿De qué depende que una reflexión sea especular en un recinto dado?
5. ¿Qué consecuencias tiene que una determinada superficie en un recinto
provoque difusión?
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
7 CUESTIONES PREVIAS DE LA PRÁCTICA
Los trabajos a realizar en esta práctica que permitirán obtener los
objetivos marcados se dividen en dos partes fundamentales:
1. Medición y análisis de Ecogramas.
2. Introducción a la simulación sonora de recintos.
Los medios que se emplearán para tales fines son los que se detallan
a continuación:
Ordenador.
Programa de análisis SPECTRALAB.
Programa de simulación sonora, EASE.
Generador de salvas externo
Altavoz auto-amplificado.
Micrófono/s prepolarizado/s.
Preamplificador/es.
Cámara Reverberante.
Material absorbente acústico.
Cinta métrica.
La disposición de cada uno de los elementos para la ejecución de la
práctica, se representa en los siguientes diagramas de bloques:
Figura 1.- Esquema de referencia para determinar el retardo entre la onda directa y la reflexión en el suelo.
MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE ECOGRAMAS
En primer lugar conectaremos los equipos según el diagrama de
bloques. La señal impulsiva empleada para excitar el recinto será una salva
MONITOR
PC
GENERADOR DE
SALVAS
EXTERNO
8 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
sinusoidal con una duración de 1 milisegundo, que se generará mediante
el programa SPECTRALAB. Esta señal excitará el altavoz auto-amplificado
situado en el interior del recinto. De esta forma, estaremos excitando el
recinto con pulso "relleno" por una sinusoide, cuyo espectro tendrá la forma
de una función “sinc” centrada en la frecuencia de la portadora sinusoidal.
La anchura del lóbulo principal de la función “sinc” es proporcional al doble
de la inversa del ancho del pulso. En el sistema de recepción, las
variaciones de presión captadas por el micrófono de condensador omni-
direccional, se traducen fielmente por él en variaciones de tensión, que
llegan a la entrada de micrófono de la tarjeta de sonido del ordenador.
Mediante el sistema de medida SPECTRALAB podemos visualizar en el
dominio del tiempo el ecograma, y determinar las amplitudes relativas y la
separación temporal entre los sucesivos “ecos”.
En una primera fase, obtendremos varios ecogramas completos en
distintas posiciones fuente receptor y para diferentes bandas de frecuencia,
con ello pretendemos obtener una valoración cualitativa del campo en cada
posicione. Posteriormente, se pretende obtener ecogramas que nos
permitan analizar y controlar los “ecos” correspondientes a las primeras
reflexiones, para ello haciendo uso de los postulados de la teoría
geométrica, véase la siguiente figura 1, podremos determinar a priori la
posición adecuada fuente-receptor, que evite el solapamiento entre los
“ecos” correspondientes a las primeras reflexiones. En la figura 2 se
muestra un resultado esquemático de esta situación, en ella, puede
observase que la duración de la salva ha de ser menor que el intervalo de
tiempo existente entre los sucesivos “ecos”.
Para facilitar la labor de determinar una ubicación fuente –receptor
válida, se utilizó el programa de simulación de acústica EASE. Con esta
herramienta, se calculó el ecograma hasta segundo orden de reflexión, en
múltiples posiciones fuente –receptor, interrumpiendo el proceso cuando
se obtuvo un ecograma donde la separación mínima de los sucesivos ecos
de primer orden fue mayor de un milisegundo, este resultado se muestra
en la figura 3. El resultado mostrado en la figura 3, se corresponde con la
posición fuente-receptor cuyas coordenadas se muestran e la figura 4.
9 CUESTIONES PREVIAS DE LA PRÁCTICA
Figura 2.- Esquema de referencia para determinar el retardo entre la onda directa y la reflexión en el suelo.
Basándonos en los cálculos indicados anteriormente, se colocarán los
transductores en la cámara reverberante de la escuela, en las
coordenadas indicadas en la figura 4. Con esta disposición de los
transductores, mediante el sistema de medida SPECTRALAB excitaremos
el altavoz con una salva sinusoidal de 0,5 milisegundo de duración y
4kHz de frecuencia de portadora (es decir, 2 ciclos de la señal de 4KHz,
para conseguir excitar con una octava). De esta forma, es posible
visualizar y medir la amplitud y el retardo existente entre la onda directa
y los primeros “ecos”. Para obtener un ecograma más acorde con la señal
emitida, filtraremos la señal recibida, con un filtro de octava de
frecuencia central 4000Hz.
Figura 3.- Se muestra un ejemplo de la secuencia de llegada de onda directa y los dos primeros “ecos”.
Portadora
1 2
p(t)
t
Fuente
Imagen
Fuente
Real
10 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
𝜏1 = 𝑡2−𝑡1
𝑐 ; 𝜏2 =
𝑡3−𝑡2
𝑐
Una forma de ratificar cuales son las superficies causantes de los
primeros ecos, es colocar material absorbente en las superficies
sospechosas, se repite el ecograma y se compara con el anterior sin
material. De esta comparación se determina cual es la superficie que causa
un determinado eco así como su capacidad absorbente. Siguiendo este
proceso, se identificarán las superficies causantes de los primeros “ecos”.
La aplicación de esta técnica es muy interesante en el mundo real de
acondicionamiento de grandes recitos, donde puede haber “ecos” de gran
amplitud y elevado retardo, que producen una molestia desagradable y
efectos negativos en la inteligibilidad del mensaje. La colocación de
material absorbente en esas superficies puede atenuarlos además de poder
conocer su efectividad para esa incidencia.
11 CUESTIONES PREVIAS DE LA PRÁCTICA
Figura 4.- Reflectograma obtenido con el programa de simulación EASE.
Onda directa
(2 ms,94 dB) 1er Eco
(3 ms, 86 dB)
2º Eco
3er Eco
(12 ms, 76
(-2.78, -2.54, 0.75)
(-3.4, -2.52, 0.75)
Figura 5.- Posición relativa del micrófono y el altavoz dentro de la sala reverberante
12 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN SONORA DE RECINTOS
Esta parte de la práctica introducirá al alumno en el manejo de un
programa de simulación sonora. Además de las breves indicaciones aquí
expuestas se contará con un tutorial del programa concreto a manejar.
Todo ello conectará con la práctica final, consistente en ejecutar un
Proyecto completo aplicado de Acústica Arquitectónica:
Entorno operativo: se explicaran todos los pasos relativos al
tratamiento de los ficheros de almacenamiento de los datos, y la
localización en sus correspondientes directorios de las bases de datos que
necesitarán para completar el modelo acústico.
Edición del modelo: se presentará un esquema de la sala donde se
desea simular el campo sonoro, se analizan las simetrías de la sala, se
editan los vértices, se editan las caras, se asignan los materiales, etc.
Depuración del modelo: en esta fase se mostrará la utilización de la
herramienta “Check Holes” para arreglar posibles errores cometidos en la
fase de edición y orientación adecuada del trazado de las caras.
Finalización completa del modelo: en esta fase se añadirá el área de
audiencia y un altavoz.
Cálculos: de volumen, de superficie total, de tiempo de
reverberación, distribución del nivel de presión sonora, etc.
Los directorios donde se encuentra las necesidades del modelo son:
Proyect path: ....Easedata\alum-00
Material path: ... Surface\p2_00
Speaker path: ... speaker\voice
Lista de materiales: se encuentra en el anexo1.
Ubicación de materiales y altavoz en el anexo 2.
13
PROCESO DE DATOS
La información que se sugiere registrar para la contestación y
justificación de las cuestiones finales, puede incluir los siguientes datos
generales:
MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE ECOGRAMAS
Para una posición arbitraria, pero definida, de fuente-receptor
realizar:
1. Visualizar e imprimir el ecograma completo obtenido emitiendo
una salva sinusoidal con un ancho de banda equivalente a una
octava centrada en 500 Hz, y filtrando en recepción con un filtro
del mismo ancho de banda.
2. Visualizar e imprimir el ecograma completo obtenido emitiendo
una salva sinusoidal con un ancho de banda equivalente a 1/3 de
octava centrada en 500 Hz, y filtrando en recepción con un filtro
de 1/3 de octava.
3. Visualizar e imprimir el ecograma obtenido emitiendo una salva
sinusoidal con un ancho de banda equivalente a 1/3 de octava
centrada en 4000 Hz, y filtrando en recepción con un filtro del
mismo ancho de banda.
Comentar los resultados obtenidos al comparar los
"ecogramas" obtenidos en (a) y (b), y entre (a) y (c)
Introducir material absorbente en el recinto, distribuido
aleatoriamente en el suelo, y proceder del mismo modo que en el
apartado primero. De nuevo comparar los resultados en esta situación
con los del apartado (a) y explicar las diferencias.
1. Con la cámara vacía, y para la posición fuente-micrófono
determinada con el programa de simulación EASE, determinar el
ancho de la salva, y la frecuencia de la portadora, a fin de
obtener un ecograma donde se distingan claramente, sin
solapamiento los “ecos” correspondientes a las primeras
reflexiones.
2. Aplicando el proceso de colocación de material absorbente, y
comparando la parte inicial de los sucesivos ecogramas,
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15 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
determinar las superficies reflectantes que causan los “ecos”
correspondientes a las primeras reflexiones.
INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN SONORA DE RECINTOS
1. Determinar el tiempo de reverberación de forma teórica
empleando la fórmula adecuada, cuando se coloquen los
materiales con subíndice 1, de la lista dada en el anexo 1.
2. Determinar el tiempo de reverberación de forma teórica
empleando la fórmula adecuada, cuando se coloquen los
materiales con subíndice 2, de la lista dada en el anexo 1.
3. Empleando el programa de simulación, se determinará el tiempo
de reverberación cuando se coloquen los materiales con
subíndice 1 en las distintas caras del modelo, así como el mapa
de distribución de Nivel de Presión Sonora a lo largo del área de
audiencia.
4. Empleando el programa de simulación, se determinará el tiempo
de reverberación cuando se coloquen los materiales con
subíndice 2 en las distintas caras del modelo, así como el mapa
de distribución de Nivel de Presión Sonora a lo largo del área de
audiencia.
16 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
CUESTIONES FINALES DE LA PRÁCTICA
Las siguientes preguntas deben ser contestadas por el alumno,
para concluir convenientemente la práctica en curso:
1. ¿Cuáles son las razones para validar un modelo de simulación
sonora?
2. ¿Por qué los ecogramas se asemejan a un abeto a lo largo del
eje de abscisas?
3. Las reflexiones de orden menor llegan antes al punto receptor.
Comente esta información, y justifique su respuesta.
4. Redacte unas conclusiones globales de la totalidad de la práctica,
a partir de las acciones ejecutadas, resultados obtenidos, y
procesos de datos realizados.
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17 PRÁCTICA 3: Teoría Geométrica Acústica Arquitectónica Aplicada
BIBLIOGRAFÍA
“Prácticas de Acústica Arquitectónica”, Constantino Gil
González/Juan Sancho Gil/Javier Sánchez Jiménez, 2003.
“Room Acoustics”, H. Kutruff, 1991.
“Architectural Acoustics”, B&K, 1978.
“Principles and Applications of room acoustics. Volume
1”, Lothar Cremer and Helmut A. Müller.
“Manual de usuario de EASE”, ADA GmBh.
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