Acústica espacial y tiempo de reverberación

Las ondas de presión acústica se emiten generalmente desde una fuente en todas las direcciones. En esta imagen hay algunos de los caminos que estas olas podrían haber tomado. Las ondas sonoras se reflejan en una superficie y producen una onda resultante con menos energía sonora. Esta pérdida de energía se debe a la composición material de la superficie desde la que se reflejó la onda sonora. Parte de la energía de la onda es absorbida por el material, parte es transmitida a través del material mientras que la energía restante es reflejada de vuelta al espacio del que se originó. Esto resulta en una disminución de la presión sonora en el espacio a medida que la onda se refleja en muchas superficies. Esta disminución de la presión acústica puede convertirse en un factor muy importante en la calidad acústica de un espacio. Si el propósito de una habitación estaba destinado al habla o la comunicación, se necesitaría una rápida disminución de la presión sonora para mantener el habla inteligible. Imagina lo difícil que sería entender a alguien que estaba dando un discurso en un espacio como una piscina en esta figura.



Ahora, considere una gran sala de espectáculos musicales. En este espacio, una rápida disminución de la presión sonora no sería ideal, sino una lenta disminución. Esto crea un sonido muy completo que complementa la música, dejando tonos que suenan agradables con el sonido directo en el que se centra la audiencia. La presencia de sonido reverberante da a los músicos la capacidad de crear actuaciones muy dinámicas que son capaces de llenar todo el music hall y crear una experiencia dramática para el público.

El tiempo que tarda el sonido reverberante en decaer en un espacio puede necesitar ser corregido dependiendo de para qué se vaya a utilizar el espacio. Un estándar para medir este tiempo se denomina Tiempo de Reverberación. El tiempo de reverberación se define como la cantidad de tiempo requerido para que la presión sonora en un espacio decaiga 60 decibelios, o a una millonésima parte del nivel de energía original y se puede aproximar mediante la ecuación *T=0.049V/A T es el tiempo de reverberación en segundos y para poner este tiempo en perspectiva, el tiempo de reverberación puede variar de alrededor de .6 segundos para un aula a 1.5 -2 segundos para una sala de conciertos. V es el volumen del espacio en pies cúbicos mientras que A es el área de absorción equivalente en pies cuadrados. Como se puede ver en la ecuación, en una habitación sin absorción, T iría al infinito, sin embargo, en la práctica todas las superficies absorben alguna cantidad de energía acústica que crea un tiempo de reverberación finito. En el gráfico, puede ver la disminución de la presión sonora medida de un impulso que se produjo en el momento. El tiempo T que tardó esta perturbación en decaer en 60 dB es entonces el tiempo de reverberación del espacio.

Imagina un espacio como este cubo construido con diferentes materiales, cada uno absorbiendo una cantidad diferente de energía acústica en cada lado del cubo. La reflexión infinita se define como una superficie que reflejaría todas las ondas sonoras mientras que la absorción infinita se define como una superficie en la que se absorbería todo el sonido. Si, por ejemplo, hubiera una fuente de sonido colocada dentro de este cubo, el área de una abertura cortada en el cubo que permitiría que la presión sonora escapara sería de absorción infinita. Se puede pensar en un área de absorción equivalente del cubo como el área de absorción infinita que podría reemplazar el área del cubo compuesta de materiales con cantidades finitas de absorción. La absorción equivalente de cada lado del cubo se da como A=Sa, donde "a" es el coeficiente de absorción del material y "S" es el área en ft^2 del material. Algunos coeficientes de absorción comunes se enumerarán más adelante. La absorción equivalente total del cubo se puede encontrar sumando la absorción equivalente de todas las superficies del espacio. Si sumamos la absorción equivalente de todas las superficies del cubo podemos ver que el área del cubo de arriba equivale a 2 pies cuadrados de abertura.



Un ft^2 de absorción infinita se define como una unidad de absorción. Por lo tanto, el cubo de arriba contiene 2 unidades de absorción.

Esta tabla presenta el valor de los coeficientes de absorción para algunos materiales de construcción comunes. Estos valores van de 0 a 1. Si una superficie fuera un reflector perfecto tendría un coeficiente de 0. El mármol es un ejemplo de reflector muy bueno y como puedes ver su coeficiente de absorción es muy cercano a 0. Un material que absorba completamente la energía acústica como el aislamiento de espuma tendría un coeficiente de absorción más cercano a 1. Se puede pensar en la diferencia en los coeficientes de absorción cuando se considera la diversidad de materiales utilizados en un espacio. Por ejemplo, considere la diferencia en el ruido ambiental en una piscina cubierta principalmente con concreto, en comparación con un espacio de oficina o biblioteca revestido con paneles de yeso y alfombras. Una cosa a tener en cuenta es que el valor de estos coeficientes depende de la frecuencia de la fuente de sonido a la que están sometidos. Por ejemplo, un material puede absorber una cantidad diferente de energía sonora si se expone a tonos de alta frecuencia en lugar de frecuencias relativamente bajas que se encuentran en el habla humana.

Considere una sala de conferencias que fue construida con pisos de alfombra y techos y paredes de paneles de yeso. La inteligibilidad del habla en la sala era muy pobre y había que hacer algo para corregir el problema. La habitación fue construida principalmente de paneles de yeso con pisos de alfombra. Utilizando las ecuaciones de tiempo de reverberación y absorción así como una tabla más completa de coeficientes de absorción podríamos estimar el tiempo de reverberación del espacio. Sin embargo, para obtener una cifra de referencia más precisa del tiempo de reverberación necesitamos tomar algunas mediciones en el espacio.

En este caso, elegimos el LabVIEW Sound and Vibration Toolkit y el PXI Sound and Vibration Module para realizar una prueba de impulsos con un electrodo de alta tensión que genera una chispa en un disparador digital. Otras técnicas incluyen disparar un arma, reventar un globo o simplemente una palmada fuerte de las manos. La fuente estaba situada en la parte delantera de la sala en la que reside habitualmente el orador. Los micrófonos se utilizaron en todo el espacio para recoger la respuesta de la perturbación en un desencadenante recibido de la fuente. La señal se digitalizó con el módulo PXI de sonido y vibración y luego se envió a un PC para su procesamiento. A continuación, podemos calcular el tiempo para que la presión acústica disminuya en 60 dB. Las pruebas de impulsos pueden proporcionar una gran cantidad de información sobre la calidad de un espacio. En este caso utilizamos los datos para medir el tiempo de reverberación del espacio sin embargo una prueba de impulso también puede identificar reflexiones problemáticas o una falta de reflexiones que deben ser compensadas.

Una vez reunidos los datos definimos el punto en el que la presión sonora cae en 60 dB desde el impulso original. Para recuperar los datos digitalizados del módulo PXI de sonido y vibración utilizamos la función DAQmx Read. Después de que estos datos estuvieran disponibles para el procesamiento, escalamos el voltaje a pascales (Pa) usando la función SVL Scale Voltage to EU y medimos el tiempo que tarda el nivel de sonido en caer en 60 dB usando las funciones nativas de LabVIEW, así como el VI SVT Leq Sound Level.

Usando el método de impulso de prueba encontramos que la habitación tiene un tiempo de reverberación de aproximadamente 1,15 segundos. Como sospechamos, este tiempo es demasiado largo para el propósito previsto de la habitación. Ahora podemos intentar diseñar un espacio con un tiempo de reverberación mucho más agradable. Utilizando la fórmula general para el tiempo de reverberación T = 0,049V/A y que el volumen de la habitación es de 3600 pies ^ 3 podemos ver que la habitación tiene un área de absorción equivalente de 153 pies ^ 2. Para lograr un tiempo de reverberación más deseable de aproximadamente 0,6 segundos, hemos encontrado que necesitamos aumentar la absorción equivalente de la habitación a aproximadamente 294 unidades.

Algunas habitaciones se basan en reflexiones del techo para proyectar sonido a los confines del espacio, por lo tanto, el techo generalmente se evita cuando se considera la colocación de material acústico. Sin embargo, en nuestra sala de conferencias el oyente dependerá principalmente del sonido directo de la fuente y no necesitará reflejos en el techo para escuchar claramente la fuente. Recuerde también que la mesa de conferencias sirve como otra superficie que refleja el sonido a los oyentes en toda la sala. Por lo tanto, hemos optado por colocar material en el techo manteniendo las paredes libres de desorden. Para aumentar el área de absorción debemos seleccionar un material con un coeficiente de absorción mayor que el drywall que existe actualmente. Por lo tanto, se eligió un material común como la teja de techo que tiene un coeficiente de absorción de 0,68 @ 1000 Hz. Se enumeran anteriormente algunas de las otras consideraciones que deben tenerse en cuenta al compensar una habitación por una respuesta de reverberación deficiente.

Se agregaron 300 pies de fibra de caña perforada, lo que llevó el área de absorción equivalente teórica total de la habitación a 345 pies. Este número, que supera la marca de 294 que se calculó anteriormente, debería garantizar que se mantenga la inteligibilidad del habla. Ahora que hemos modificado el espacio para obtener un menor tiempo de reverberación se debe tomar otra medición. Agregar 300 pies ^ 2 de fibra de caña perforada de 1 ” en el marco de metal llevó el tiempo de reverberación a solo T = 0.61 segundos. Este tiempo es ideal para el propósito de nuestra habitación. Recuerde que el diseño acústico no es una ciencia completa. Esperábamos que el tiempo de reverberación fuera más corto, dado el hecho de que añadimos más material de absorción del que habíamos calculado. Otro factor a recordar es que al agregar el techo caído, también cambiamos la geometría de la habitación y esto impactó cómo la habitación responde al mismo impulso.



El tiempo de reverberación es la cantidad de tiempo requerido para que la presión acústica en un espacio decaiga 60 dB, o a una millonésima parte de los coeficientes de absorción de energía originales se utilizan para ayudar a predecir o diseñar para un espacio con una respuesta de reverberación deseada. El tiempo de reverberación se mide recogiendo datos en todo un espacio de la respuesta a un impulso. La prueba del tiempo de reverberación es una medición que se simplifica mediante el uso de hardware y software de National Instruments. La respuesta al impulso de un espacio se puede obtener utilizando herramientas como el módulo PXI de sonido y vibración y el tiempo de reverberación se puede calcular mediante software utilizando LabVIEW y el LabVIEW Sound and Vibration Toolkit.