EL RUIDO DESDE LA INGENIERÍA DE CONTROL Ana María Álvarez López Yeimi Sofía Torres García Elizabeth Carvajal Moscoso Javier Alonso Rueda Díaz Nicolás Buenaventura Schlesinger Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Cra. 80 x Cl. 65. Barrio Robledo. Correos electrónicos [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Abstract: Noise is an acoustic phenomenon that causes an unpleasant sound that might disturb different human activities. Sound consists of mechanical vibrations that induce variations in the pressure of the medium thorugh which they propagate. Noise can cause injuries and physiological alterations to those who are constantly exposed to it. Considering noise as one of the most widespread environmental pollutant of modern times, it is necessary to manage and mitigate its harmful effects. Indeed, control Engineering can address the challenging issue of noise by controlling it and offering multiple tools, such as different approaches. passive and active control, identification of different pressure levels, among others. All these tools and approaches are framed since 2006 by techniques, standards and regulations such as “Norma Nacional de Emisión de ruido y ruido ambiental” which is used to measure and evaluate the main causes and consequences of noise disturbance. Keywords: Sound, noise, intensity, frequency, measurement, control. 1. INTRODUCCIÓN En este artículo, se abordan los fundamentos físicos del sonido y su propagación, así como el fenómeno del ruido que se deriva de él. Se busca comprender qué es el ruido y sus características, además de destacar la existencia de una normativa en Colombia, emitida por el Ministerio de Ambiente, que regula este tema. Se pone de relieve, además, la problemática cotidiana que surge debido al ruido, y se examinan las causas y efectos asociados a este fenómeno. Se plantea la posibilidad de proponer diversas soluciones desde la Ingeniería de Control, haciendo evidentes las diferentes metodologías utilizadas para medir y controlar el ruido desde el control activo y pasivo. El objetivo de esta investigación es ofrecer una visión integral del tema del ruido, desde sus fundamentos físicos hasta su impacto en la sociedad, con el fin de promover una mayor conciencia y buscar posibles medidas de control y mitigación. 2. NATURALEZA Y PRINCIPIOS FÍSICOS DEL SONIDO 2.1. Naturaleza del sonido El sonido es una vibración mecánica que modifica la presión en un medio elástico, como el aire, y se propaga desde su origen, en forma de ondas sonoras, hasta el oído (Buitrago, 2010). La propagación del sonido siempre ocurre en medios elásticos y a una velocidad específica. En el caso del aire, la velocidad de propagación del sonido es de aproximadamente 340 metros por segundo, aunque puede variar en función de la temperatura y la humedad del aire (Young & Freedman, 2009). Desde una perspectiva física, el sonido se origina a través de la vibración de las moléculas presentes en el medio en el que se propaga, siendo este medio sólido, líquido o gaseoso (Sound as a Longitudinal Wave, s.f.). Para su propagación, se utilizan diversos medios, como tubos metálicos, agua y aire, por mencionar algunos ejemplos. Las ondas sonoras se caracterizan por ser ondas longitudinales, lo que significa que las vibraciones ocurren en la misma dirección de la propagación de la onda. Sin embargo, en sólidos también es posible la propagación de ondas sonoras transversales, en las cuales, las partículas se desplazan perpendicularmente a la dirección en la que viaja la onda (Young & Freedman, 2009). Esta comprensión de la naturaleza física del sonido permite analizar cómo se generan y propagan las ondas sonoras, así como su comportamiento en diferentes medios. 2.2. Principios físicos del sonido Los principios físicos del sonido son fundamentales para comprender sus características y propiedades. Entre aquellos, se pueden destacar (Muhammad & Dahuwa, 2017; Buitrago, 2010): Amplitud. Se refiere a la magnitud de las vibraciones de las partículas, en determinado medio, durante la propagación de una onda sonora. La amplitud de una onda sonora es la intensidad del sonido producido; por lo que, una amplitud mayor corresponde a un sonido más fuerte, mientras que, una amplitud menor resulta en un sonido más suave. Longitud de Onda. Se define como la distancia entre dos puntos equivalentes en una onda sonora. Está inversamente relacionada con la frecuencia del sonido. En general, los sonidos de baja frecuencia tienen longitudes de onda más largas, mientras que los sonidos de alta frecuencia tienen longitudes de onda más cortas. Frecuencia. Se define como el número de vibraciones, oscilaciones o ciclos, de un proceso repetitivo, que se producen por unidad de tiempo y se mide en hercios (Hz). La capacidad del oído humano para detectar frecuencias va aproximadamente desde los 20 Hz hasta los 20 kHz. Intensidad. Está relacionada con la cantidad de energía que lleva una onda sonora y se percibe como su volumen. Se mide en decibelios (dB) y abarca desde sonidos muy suaves hasta sonidos muy fuertes. Así mismo, se hace necesario mencionar algunas propiedades de las ondas mecánicas, de las cuales, el sonido hace parte. Aquellas propiedades son: la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia (Muhammad & Dahuwa, 2017). 3. DEFINICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL RUIDO 3.1. ¿Qué es el ruido? El ruido puede identificarse como un conjunto de sonidos no coordinados que generan sensaciones desagradables e interfieren con las actividades humanas (Cortes, et al., 2009, como se citó en Estrada, 2016). Es una apreciación subjetiva y molesta del sonido que puede tener efectos negativos en la salud y el bienestar de la población (¿Qué es el ruido?, 2019). En relación con la concepción del ruido, Chávez (2006), como se citó en Estrada (2016) afirma: El ruido ha existido desde la antigüedad, pero es a partir del siglo XIX, como consecuencia de la Revolución Industrial, del desarrollo de nuevos medios de transporte y del crecimiento de las ciudades, cuando comienza a aparecer el problema de la contaminación acústica urbana y con ella una múltiple fuente de trastornos con efectos fisiológicos, psicológicos, económicos y sociales, actualmente subestimados o ignorados. (p. 9) El ruido, anteriormente considerado como un fenómeno inofensivo y aparentemente natural, ha experimentado un cambio en su percepción al convertirse en algo indeseado. Como resultado, ha surgido la necesidad de caracterizarlo y regularlo mediante normativas específicas. 3.2. Caracterización del Ruido La subjetividad propia de la molestia que provoca el ruido hace que su evaluación sea compleja, aun así, se pueden tener en cuenta ciertos factores que permiten cuantificarlo (AISTEC, s.f.): Intensidad y nivel de presión sonora. La intensidad se refiere a la cantidad de energía que atraviesa una unidad de área por unidad de tiempo, mientras que el nivel de presión sonora se expresa en decibelios y representa la relación logarítmica entre la presión sonora del ruido y un nivel de referencia estándar. Frecuencia y espectro. La frecuencia se refiere a la cantidad de ciclos de vibración que ocurren por segundo. El espectro del ruido muestra cómo se distribuye la energía en función de la frecuencia. El perfil temporal. Describe cómo varía la intensidad a lo largo del tiempo. Puede ser constante, fluctuante o intermitente. Algunos ejemplos de perfiles temporales incluyen el ruido continuo, el ruido impulsivo (caracterizado por rápidos cambios en la presión sonora) y el ruido intermitente (con períodos de silencio entre ráfagas de ruido) 3.3. Normativa sobre el ruido en Colombia En Colombia, la normativa por emisión de ruido en el ambiente, constituida actualmente, fue expedida en 2006, mediante la Resolución 0627 del 7 de abril del mismo año, por parte del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Dicha normativa establece los requisitos para la medición del ruido y el establecimiento de los estándares máximos permitidos en la emisión de este (Ministerio De Ambiente, Vivienda Y Desarrollo Territorial, 2006). Tabla 1. Estándares Máximos Permisibles de Niveles de Ruido Ambiental, expresados en Decibeles dB(A) Sector Día Noche Sector A. Tranquilidad y Silencio 55 50 Sector B. Tranquilidad y Ruido Moderado 65 55 Sector C. Ruido Intermedio Restringido 72.5 (promedio) 66.25 (promedio) Sector D. Zona Suburbana o Rural de Tranquilidad y Ruido Moderado 55 50 4. Las características tonales. La presencia de componentes de tono puros en el ruido. Estos tonos pueden ser molestos y se caracterizan por tener una frecuencia específica y una amplitud destacada en comparación con el resto del espectro. La direccionalidad. Describe la forma en que el sonido se propaga en el medio. Puede ser omnidireccional o con un patrón específico. Estándar máximo de niveles de ruido en dB CAUSAS Y CONSECUENCIAS DEL RUIDO Las principales causas y consecuencias de la problemática del ruido se encuentran sintetizadas en el Anexo 1 (Fig 1) a partir de un esquema tipo Árbol de Problemas. 5. MEDICIÓN DEL RUIDO Para medir determinado ruido es determinar su frecuencia e intensidad. necesario Su frecuencia representa el número de ondas de presión que atraviesan un punto fijo en un segundo; y su unidad de medida es el hercio (Science Learning Hub - Pokapū Akoranga Pūtaiao, 2011). Análogamente, la intensidad de un sonido o ruido se puede evaluar utilizando diferentes dispositivos que miden los niveles de presión sonora, es decir, los cambios de presión generados en un punto específico cuando una onda sonora se propaga. La unidad más utilizada para expresar esta magnitud es el decibelio, y el dispositivo de medición más empleado es el sonómetro, diseñado para detectar el sonido de manera similar al sistema auditivo humano (La medición del ruido, 2019). Profundizando un poco más en su funcionamiento, un sonómetro es un dispositivo que, mediante un micrófono, detecta el sonido, capta las ondas sonoras y las convierte en señales eléctricas. Luego, amplifica y procesa las señales eléctricas resultantes, simula la respuesta auditiva humana en sus filtros de frecuencia y, finalmente, en su indicador, muestra el nivel de presión sonora en decibelios; permitiendo así, medir y evaluar el ruido en diferentes entornos (¿Qué es un sonómetro?, s.f.). 6. TIPOS DE CONTROL UTILIZADOS PARA EL MANEJO DEL RUIDO 6.2. Absorción de sonido La absorción de sonido se basa en el principio de que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma en otra forma. En este enfoque, la energía contenida en las ondas de sonido se convierte en calor, disminuyendo significativamente la cantidad de ruido presente en el entorno. Para lograr la absorción de sonido, se utilizan materiales porosos que funcionan como absorbentes acústicos. Estos materiales, similares a una esponja, tienen la capacidad de absorber el exceso de sonido en el aire circundante. Entre los materiales de absorción acústica más comunes se encuentran las espumas de celdas abiertas y la fibra de vidrio. 6.3. Amortiguación de vibraciones La amortiguación de vibraciones se utiliza para controlar el exceso de ruido y vibración asociado con superficies sólidas de gran tamaño. Este proceso implica extraer la energía de vibración del material de la superficie y disiparla en forma de energía térmica. Un material comúnmente utilizado propósito es el acero insonorizado. para este 6.4. Aislamiento de vibraciones Existen cuatro tipos básicos de control de ruido (Technical Guide for Noise Control, s.f.; 4 Types Of Noise Control, 2022): 6.1. Aislamiento acústico El aislamiento acústico es un método de control del ruido que consiste en la introducción de una barrera sólida en un espacio de trabajo para mitigar el ruido y las vibraciones presentes en dicho entorno. Esta barrera sólida actúa como un obstáculo que reduce la reverberación de las ondas de sonido no deseadas al bloquear su propagación. La eficacia del aislamiento acústico depende de la resistencia de la barrera sólida utilizada. Por lo tanto, se emplean materiales altamente densos, como el hormigón y el acero, debido a su capacidad para bloquear eficientemente el ruido. El aislamiento de vibraciones tiene como objetivo proteger un área o sus habitantes de fuentes de ruido o vibraciones no deseadas. Este método implica agregar una barrera física al espacio de trabajo, lo cual es efectivo siempre y cuando la barrera pueda bloquear adecuadamente el área a proteger. Los aislantes de vibraciones más comunes son los soportes de goma, el corcho, entre otros. 7. CONTROL PASIVO Y ACTIVO DEL RUIDO 7.1. Características y Diferencias Las principales características y diferencias entre el Control Pasivo y Activo se encuentran organizadas en el Anexo 2 (Fig 2) a partir de un esquema tipo Cuadro Comparativo. visualizar de manera integral los factores que contribuyen a la generación del ruido y los efectos negativos que este produce. 7.2. Ejemplos de Control Pasivo y Activo Ejemplo de control activo del ruido. El uso de tecnología de cancelación de ruido en auriculares o dispositivos de audio. Dispositivos de dicha índole están equipados con micrófonos que captan el sonido ambiental y anulan con señales “antirruido” las ondas sonoras no deseadas. Al reproducir estas nuevas ondas sonoras en los auriculares se logra reducir activamente el ruido que llega al oído del usuario, proporcionando una experiencia auditiva más tranquila. Tecnología utilizada en audífonos AirPods Pro y AirPods Max (Cancelación de ruido activa y modo Ambiente de AirPods Pro y AirPods Max, 2022). Ejemplo de control pasivo del ruido. Paneles insonorizantes instalados en paredes y techos de conjuntos residenciales 3. Por medio de los distintos tipos de controles utilizados para el manejo del ruido y el cuadro comparativo elaborado, se ha logrado identificar el papel de vital importancia que cumple la Ingeniería de Control en el mismo; reconociendo, además, mediante ejemplos, su aplicabilidad en diferentes contextos y situaciones. 4. En definitiva, esta investigación ha proporcionado, al lector, una visión parcial sobre el sonido, el ruido y las diversas estrategias de control asociadas a este problema. Los conocimientos y hallazgos obtenidos y recolectados son fundamentales para comprender y abordar de manera efectiva el ruido en diferentes ámbitos, contribuyendo así a mejorar la calidad de vida y el bienestar de las personas en nuestra sociedad. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Estos paneles están diseñados con materiales absorbentes de sonido, como espuma acústica o materiales compuestos, que reducen la reflexión y la transmisión del sonido. Al colocar estos paneles en áreas ruidosas, se disminuye la propagación del sonido hacia el entorno circundante, creando un ambiente más silencioso y controlando el ruido de manera pasiva (Qué son los Paneles Acústicos y cómo utilizarlos, s.f.). Otro ejemplo de este tipo de control son las cámaras anecoicas utilizadas para realizar mediciones precisas de sonido, pruebas de productos o investigaciones en condiciones controladas. 8. CONCLUSIONES 1. Tras llevar a cabo esta investigación, se ha logrado obtener cierto entendimiento de la naturaleza del sonido y los principios físicos que lo rigen. Así mismo, se ha conseguido definir y caracterizar el ruido con cierto detalle. 2. A través de la construcción de un árbol de problemas asociados al ruido, se han identificado, de manera clara, las causas y consecuencias que se derivan de su presencia. Lo cual, ha permitido 4 Types Of Noise Control. (2022). All Noise Control. https://allnoisecontrol.com/2010/11/29/4-typesof-noise-control/ AISTEC. (s.f.). Características del ruido, recomendaciones y efectos sobre la salud. Aistec Creating Comfort. https://aistec.com/caracteristicas-del-ruidorecomendaciones-y-sus-principales-efectossobre-lasalud/#:~:text=Estas%20caracter%C3%ADsticas %20son%20la%20energ%C3%ADa,expectativas %20y%20calidad%20de%20vida. Buitrago, L. F. (2010). Modulo 01 - Principios Básicos Del Sonido. CURSODESONIDO. https://cursodesonido.webnode.com.co/curso/tall er-de-registro-sonoro/modulo-01/ Cancelación de ruido activa y modo Ambiente de AirPods Pro y AirPods Max. (2022). Apple. https://support.apple.com/es-lamr/HT210643 Estrada., L. D. (2016). El Ruido: Definición, Tipos y Efectos por la Exposición en Ambiente Laboral. (Alteración Auditiva): Una Revisión De Literatura Años 2000 – 2015. https://core.ac.uk/download/pdf/326425361.pdf La medición del ruido. (2019, febrero 19). INDUANALISIS Laboratorio ambiental. https://www.induanalisis.com/seccion/laboratori o/resumen_de_laboratorio_32 Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. (2006). Resolución 0627 Del 7 De Abril De 2006. Por la cual se establece la norma nacional de emisión de ruido y ruido ambiental. https://corponarino.gov.co/expedientes/juridica/2 006resolucion627.pdf Muhammad, Z. & Dahuwa, D. (2017). A Riview Of The Principles And Applications Of Sound Wave. IOSR Journal of Applied Physics, vol. 9 (6), 49-61. https://www.iosrjournals.org/iosrjap/papers/Vol9-issue6/Version4/G0906044861.pdf ¿Qué es el ruido?. (2019). Área Metropolitana Valle de Aburrá. https://www.metropol.gov.co/ambiental/Paginas/ ruido/que-es-el-ruido.aspx ¿Qué es un sonómetro?. (s.f.). Brüel & Kjær. https://www.bksv.com/es/knowledge/blog/sound/ what-is-a-sound-levelmeter#:~:text=C%C3%93MO%20FUNCIONA %20UN%20SON%C3%93METRO&text=El%2 0micr%C3%B3fono%20convierte%20una%20se %C3%B1al,de%20precisi%C3%B3n%2C%20es tabilidad%20y%20fiabilidad. Qué son los Paneles Acústicos y cómo utilizarlos. (s.f.). sineco. . https://sinecoacustica.com/blog/que-son-los-panelesacusticos-y-como-utilizarlos/ Science Learning Hub - Pokapū Akoranga Pūtaiao. (2011). Measuring sound. https://www.sciencelearn.org.nz/resources/573measuring-sound Sound as a Longitudinal Wave (s.f.). The Physics Classroom. https://www.physicsclassroom.com/class/sound/ Lesson-1/Sound-as-a-Longitudinal-Wave Technical Guide for Noise Control - Engineering Controls, Work Practices, & Administrative Controls. (s.f.). https://oshainfo.gatech.edu/wpcontent/uploads/2019/03/Technical%20Guide%2 0for%20Noise%20Controls.pdf Young, H. D. & Freedman, R. A. (2009). Sonido y el oído. En Física universitaria Volumen 1 (pp. 527-569). Pearson Educación. http://www0.unsl.edu.ar/~cornette/FISICA_LQ/F rancis%20Sears,%20Mark%20Zemansky.pdf ANEXO 1 Fig 1. Árbol de Problemas sobre las Causas y Consecuencias del Ruido ANEXO 2 Fig 2. Cuadro Comparativo entre el Control pasivo y el Control activo del ruido